馬志福周曉斌王 煒張孟彬李乾社馬韞娟

1.國(guó)家發(fā)改委宏觀院，北京100038；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142； 3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集體有限公司，武漢 430063；4.今創(chuàng)集團(tuán)，北京100081

我國(guó)高速列車強(qiáng)橫風(fēng)防風(fēng)措施及對(duì)策研究

馬志福1周曉斌2王 煒2張孟彬3李乾社3馬韞娟4

1.國(guó)家發(fā)改委宏觀院，北京100038；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142； 3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集體有限公司，武漢 430063；4.今創(chuàng)集團(tuán)，北京100081

為提高強(qiáng)橫風(fēng)天氣條件下高速列車安全高效行車的目的，本文以全國(guó)高速鐵路沿線738個(gè)氣象站近40年（1971～2009年）風(fēng)向和風(fēng)速資料為基礎(chǔ)，結(jié)合沿線100多個(gè)鐵塔梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)資料、蘭新二線三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)2個(gè)6要素5層梯度風(fēng)風(fēng)監(jiān)測(cè)資料，以及2000個(gè)自動(dòng)氣象站和100個(gè)防災(zāi)安全風(fēng)監(jiān)測(cè)站近10年（2001年～2009年）風(fēng)速和風(fēng)向監(jiān)測(cè)資料，進(jìn)行信息化和規(guī)范化整編；將整編后的資料與高速鐵路沿線各里程的地形地貌、路堤高和橋高、粗糙度等現(xiàn)狀參數(shù)相結(jié)合，采用風(fēng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、氣象學(xué)、鐵道工程技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和概率論方法，即高速鐵路沿線最大瞬時(shí)風(fēng)速空間分布與鐵路各里程點(diǎn)線結(jié)合的研究方法，對(duì)高速鐵路沿線最大風(fēng)速空間分布、垂直分布、水平分布進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。研究提出了我國(guó)高速列車強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間應(yīng)按照運(yùn)行管制規(guī)則，降低車速和設(shè)置防風(fēng)柵及建設(shè)人工隧道降低橫風(fēng)強(qiáng)度來(lái)保證安全行車的防風(fēng)對(duì)策。

高速列車；強(qiáng)風(fēng)區(qū)間；距軌面4m高度處；最大瞬時(shí)風(fēng)速；防護(hù)對(duì)策

1、概述

目前我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路已達(dá)到7055公里，居世界第一位。特別是我國(guó)高速鐵路以橋代路的特點(diǎn)，充分發(fā)揮了控制路基沉降、節(jié)約土地、降低工程造價(jià)、保護(hù)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)。但也給高速鐵路的防風(fēng)減災(zāi)帶來(lái)了極具挑戰(zhàn)性的研究難題。

為防患強(qiáng)風(fēng)引起的高速列車安全行車事故，鐵道部發(fā)布了如下運(yùn)行規(guī)定：按照防風(fēng)布點(diǎn)原則在高速鐵路沿線配置風(fēng)向風(fēng)速傳感器對(duì)強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)鐵路沿線某處的風(fēng)向風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)出風(fēng)力7級(jí)～10級(jí)及以上強(qiáng)風(fēng)時(shí)，高速列車則控速運(yùn)行，風(fēng)力11級(jí)及以上時(shí)，嚴(yán)禁動(dòng)車組進(jìn)入風(fēng)區(qū)。

通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)：在某一規(guī)定區(qū)間里，若在最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值在15.0m·s-1～20.0m·s-1頻率較高的地方設(shè)置風(fēng)向風(fēng)速傳感器或布設(shè)防風(fēng)柵的情況下，那么在整個(gè)區(qū)間內(nèi)就可以有效的防止強(qiáng)風(fēng)對(duì)運(yùn)行中的高速列車造成危害。本文通過(guò)大量數(shù)據(jù)研究得出：高速鐵路沿線距軌面4m高度處，最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇的設(shè)計(jì)值（10min平均最大風(fēng)速30年一遇最大風(fēng)速設(shè)計(jì)值）是高速鐵路沿線風(fēng)向風(fēng)速傳感器以及防風(fēng)柵設(shè)置的主控因素。

我國(guó)地域遼闊，地形復(fù)雜，自然災(zāi)害頻繁，對(duì)于高速列車而言，自然災(zāi)害中最為嚴(yán)重的是強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害，特別是強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)我國(guó)高速列車的運(yùn)營(yíng)影響巨大。強(qiáng)風(fēng)天氣條件下高速列車行駛時(shí)不僅受行駛方向的氣動(dòng)阻力影響，還會(huì)受線路線走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向之間夾角的影響。在特殊環(huán)境（特大橋梁、高路堤、高架橋、埡口、峽谷地帶）會(huì)產(chǎn)生風(fēng)的狹管效應(yīng)或增速效應(yīng)。當(dāng)特殊環(huán)境線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向之間夾角在75～95°時(shí)，強(qiáng)橫風(fēng)作用在列車上的氣動(dòng)力大大增加，列車車體會(huì)發(fā)生顫動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生傾覆翻車事故。

本文采用工程氣象學(xué)、流體力學(xué)、風(fēng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論相結(jié)合方法，繪制高速公路沿線近40多年（1971～2009年）強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖、最大瞬時(shí)風(fēng)速玫瑰圖、最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值與10min平均最大風(fēng)速30年一遇設(shè)計(jì)值對(duì)比曲線圖、最大風(fēng)速隨高度變化廓線圖，定量分析高速鐵路沿線流場(chǎng)特征和最大瞬時(shí)風(fēng)速水平、垂直分布。在上述工作基礎(chǔ)上，進(jìn)行了高速鐵路沿線最大瞬時(shí)風(fēng)速的等概率分區(qū)，并用等概率分區(qū)的級(jí)別和界限值（閾值）確定強(qiáng)風(fēng)區(qū)間界限值。這項(xiàng)研究對(duì)于高速鐵路強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)和強(qiáng)橫風(fēng)條件下安全行車對(duì)策研究具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

2、沿線風(fēng)災(zāi)調(diào)查和資料分析

我國(guó)高速鐵路沿線風(fēng)災(zāi)調(diào)查和資料分析結(jié)果表明：蘭新二線三十里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間是我國(guó)乃至世界鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一，上述地區(qū)已發(fā)生過(guò)數(shù)十次大風(fēng)吹翻列車的事故。如何使高速列車安全、高效的通過(guò)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)是防災(zāi)研究的重要課題之一。蘭新二線路段的強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間包括百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)口以及鐵路高路堤和彎道強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間。其中百里風(fēng)區(qū)全年強(qiáng)風(fēng)日數(shù)236天，大風(fēng)日數(shù)207天，其特點(diǎn)是風(fēng)力強(qiáng)勁、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、風(fēng)向穩(wěn)定、季節(jié)性強(qiáng)，從3月～9月的風(fēng)季中，每月平均都有20天以上大風(fēng)；三十里風(fēng)口和達(dá)坂城風(fēng)區(qū)強(qiáng)度日數(shù)130天～189天，大風(fēng)日數(shù)100天～146天，風(fēng)季期平均每月都有10天以上大風(fēng)，如圖1所示。三十里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)的最大風(fēng)力達(dá)17級(jí)以上（瞬時(shí)風(fēng)速60.0 m·s-1～64.0 m·s-1），是目前全球內(nèi)陸風(fēng)力最為強(qiáng)勁的地區(qū)之一，該區(qū)間大風(fēng)類型為寒潮大風(fēng)和夏季特強(qiáng)陣風(fēng)，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)奈：艽?。還有我國(guó)東南沿海甬臺(tái)溫高速鐵路的象山灣、三門灣、臺(tái)州灣、雁蕩山、溫州灣特大橋及埡口等區(qū)間，全年大風(fēng)日數(shù)可達(dá)100～142天，屬于大風(fēng)日數(shù)頻發(fā)區(qū)。主要大風(fēng)類型為臺(tái)風(fēng)型大風(fēng)和季風(fēng)型大風(fēng)以及過(guò)渡季節(jié)短時(shí)雷雨大風(fēng)。臺(tái)風(fēng)型大風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮對(duì)東南沿海甬臺(tái)溫線動(dòng)車組的安全運(yùn)營(yíng)影響巨大。在現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)中，甬臺(tái)溫線路象山灣區(qū)間最大瞬時(shí)風(fēng)速為68.0 m·s-1，這個(gè)紀(jì)錄不僅破了浙江省歷史觀測(cè)最強(qiáng)風(fēng)速59.6 m·s-1極值，就是在登陸我國(guó)的臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)最大瞬時(shí)風(fēng)速記錄中也十分罕見。

圖1 蘭新二線達(dá)坂城風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)各月大風(fēng)日數(shù)曲線圖

3、強(qiáng)橫風(fēng)定義和風(fēng)害成因及分布特征

強(qiáng)橫風(fēng)定義：高速鐵路沿線安全防災(zāi)風(fēng)監(jiān)測(cè)站，距軌面4.0m高度處風(fēng)力達(dá)6級(jí)或以上（瞬時(shí)風(fēng)速大于10.8m·s-1以上）稱為強(qiáng)風(fēng)。當(dāng)線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向垂直，即線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向之間夾角在75°～95°范圍內(nèi)稱為橫風(fēng)。

大風(fēng)定義：高速鐵路沿線安全防災(zāi)風(fēng)監(jiān)測(cè)站距軌面4.0m高度處瞬時(shí)風(fēng)力達(dá)8級(jí)或以上（最大瞬時(shí)風(fēng)速大于17.0m·s-1以上），以及對(duì)高速鐵路設(shè)施、高速鐵路交通安全高效行車嚴(yán)重影響的風(fēng)稱為大風(fēng)。

我國(guó)鐵路沿線大風(fēng)類型主要有寒潮大風(fēng)、短時(shí)雷雨大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)型大風(fēng)。

高速鐵路沿線的風(fēng)害主要由于天氣系統(tǒng)和地形條件影響所致。我國(guó)高速鐵路沿線大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)具有顯著的年代變化特征，即20世紀(jì)60年代、70年代大風(fēng)偏多，90年代以后大風(fēng)日數(shù)偏少，但強(qiáng)度增加。近40年來(lái)我國(guó)鐵路沿線大多數(shù)區(qū)間大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但個(gè)別區(qū)間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

我國(guó)高速鐵路沿線大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)具有明顯季節(jié)特征，其中蘭新二線、鄭西、京津城際、哈大高速鐵路沿線大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)最多的季節(jié)是春季，其次是夏季，然后是冬季，秋季。東南沿海高速鐵路沿線大風(fēng)出現(xiàn)頻率一般由海岸線向內(nèi)陸急劇減小，臺(tái)風(fēng)型大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)在4～8月間逐漸增多，大風(fēng)范圍由南逐步向北推進(jìn)，在9～11月臺(tái)風(fēng)型大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)逐漸減少，大風(fēng)范圍逐步由北向南消退；臺(tái)風(fēng)登陸前的大風(fēng)主要集中在沿海區(qū)間，登陸后臺(tái)風(fēng)型大風(fēng)出現(xiàn)范圍明顯擴(kuò)大。

4、強(qiáng)風(fēng)區(qū)間確定方法概述

高速鐵路沿線強(qiáng)風(fēng)區(qū)間的確定及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，關(guān)系到安全防災(zāi)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的科學(xué)性和采集瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)的代表性及可靠性，并為行車指揮控制系統(tǒng)提供較為合理的限速指令信息，或?yàn)閱?dòng)應(yīng)急預(yù)案提供決策依據(jù)，從而達(dá)到安全、高效行車的目的。

由強(qiáng)風(fēng)引起的高速列車脫軌事故，不是平均風(fēng)速造成，而是瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到傾覆臨界風(fēng)速產(chǎn)生的。因此，本文研究的目的就是計(jì)算出高速鐵路沿線距軌面4.0m高度處，最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值和高速鐵路沿線距軌面4.0m高度處最大風(fēng)速30年一遇設(shè)計(jì)值，并與動(dòng)車組傾覆臨界風(fēng)速、防風(fēng)柵設(shè)計(jì)風(fēng)速的各個(gè)值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出高速鐵路沿線強(qiáng)風(fēng)預(yù)警區(qū)間。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)數(shù)值模擬很難直接求出最大瞬時(shí)風(fēng)速的重現(xiàn)期設(shè)計(jì)值，所以應(yīng)用全國(guó)著名工程氣象學(xué)專家馬淑紅教授提出高速鐵路沿線最大瞬時(shí)風(fēng)速空間分布與鐵路各里程點(diǎn)線結(jié)合的研究方法，確定強(qiáng)風(fēng)區(qū)間。

5、高速鐵路沿線平均風(fēng)速的重現(xiàn)期設(shè)計(jì)值

5.1 最大風(fēng)速風(fēng)向資料信息化、規(guī)范化整理

在工程氣象模型的初始條件和臨界條件中，以全國(guó)738個(gè)基本氣象站近40年（1971～2009年）日最大瞬時(shí)風(fēng)速（≥6.0m·s-1）風(fēng)向資料為基礎(chǔ)，結(jié)合高速鐵路沿線100個(gè)鐵塔梯度風(fēng)資料，沿線2000個(gè)自動(dòng)氣象站和100個(gè)防風(fēng)安全監(jiān)控監(jiān)測(cè)站近10年（2001～2009年）風(fēng)向和風(fēng)速資料，進(jìn)行信息化和規(guī)范化（1-2）整編。為了求出最大風(fēng)速分布，設(shè)定1km網(wǎng)格點(diǎn)間隔100m、20m的解析領(lǐng)域，將反映到解析領(lǐng)域的上流側(cè)的地形受到的影響作為臨界條件。由此，設(shè)置距解析領(lǐng)域外側(cè)20-40km的領(lǐng)域。地形對(duì)風(fēng)向的影響根據(jù)強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路走向夾角的不同，按照行業(yè)規(guī)范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)16點(diǎn)方位法，即以測(cè)站正北為中心，把整個(gè)圓周分為16等分，正東為90°，正南為180°，正西為270°分別進(jìn)行計(jì)算操作。計(jì)算出沿線V4_2max、V4-30max、全年瞬時(shí)風(fēng)速≥10.8m·s-1的強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)頻率以及寒潮強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)頻率、雷雨強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)頻率，繪制全年強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖、寒潮強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖、雷雨強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖、四季強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖，以16方位強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖確定沿線強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向，定量分析沿線氣流變化特征。

5.2 氣象模型

所謂的氣象模式就是把研究對(duì)象領(lǐng)域劃分為經(jīng)度、緯度和高度的“三維地帶”概念，以三維的坐標(biāo)軸表示氣象要素空間分布三維結(jié)構(gòu)的函數(shù)式：

F=X（φ，λ，H,δ）(1)

模式中的X為不同區(qū)域各氣象要素(溫度、雨量、風(fēng)速等)，φ為緯度變化因素影響，λ為經(jīng)度變化因素影響，H為高度變化因素影響，δ或k3為高速鐵路沿線任意里程地形影響參數(shù)。該方法是依據(jù)宏觀分布函數(shù)與地形訂正相結(jié)合的原理。應(yīng)用WSSTT軟件，通過(guò)逐步回歸剔除φ、λ因子后,比較真實(shí)地反映出路堤高和橋高增速、地形對(duì)最大風(fēng)速空間分布的影響。

應(yīng)用氣象模型（1）可以求出高速鐵路沿線10m高處最大風(fēng)速。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用極值Ⅰ型和P－Ⅲ概率模式，不僅可以科學(xué)的計(jì)算出高速鐵路沿線最大風(fēng)速不同概率設(shè)計(jì)值，而且可以用40年來(lái)強(qiáng)風(fēng)和橫風(fēng)的極值評(píng)價(jià)高速鐵路強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)動(dòng)車組安全、高效行車的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，若將高速鐵路沿線最大風(fēng)速不同概率設(shè)計(jì)值空間分布特征與線路任意里程構(gòu)造物相結(jié)合，進(jìn)行高速鐵路任意里程最大瞬時(shí)風(fēng)速時(shí)距訂正，路堤、橋高增速訂正，地形訂正，建立高速鐵路沿線任意里程距軌面4m高處最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值V4_2max，計(jì)算模式（3）如下：

式（2）中V4_2max為高速鐵路任意里程距軌面4m高處最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值，V10為高速鐵路沿線基本氣象站最大風(fēng)速設(shè)計(jì)值，K1強(qiáng)風(fēng)或陣風(fēng)系數(shù)；K2為路堤高和橋高增速訂正系數(shù)；K3為地形訂正系數(shù)。進(jìn)一步推論，建立高速鐵路沿線防風(fēng)安全風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速計(jì)算模式：

式（3）中V4_V為高速鐵路沿線防風(fēng)安全風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外區(qū)間，距軌面4.0m高度處瞬時(shí)風(fēng)速計(jì)算值（m·s-1），V為高速鐵路沿線強(qiáng)風(fēng)區(qū)間防風(fēng)安全風(fēng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速（m·s-1），K0為比值系數(shù)。該模式的建立有助于提高高速鐵路沿線強(qiáng)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)中短期風(fēng)速預(yù)測(cè)模式的精度，同時(shí)可以預(yù)測(cè)高速鐵路防風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外區(qū)間任意里程距軌面4m高處瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向，從而為動(dòng)車組強(qiáng)風(fēng)區(qū)間安全高效行車提供技術(shù)保障。

高速鐵路任意里程距軌面4m高處最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值計(jì)算模式，適用于全國(guó)高速鐵路各個(gè)區(qū)間，具有空間性、可比性和可操作性。利用這一模式可以客觀的分析高速鐵路沿線最大風(fēng)速垂直和水平分布特征，以及最大瞬時(shí)風(fēng)速對(duì)動(dòng)車組安全、高效行車影響。因此，這一模式對(duì)于我國(guó)高速鐵路防災(zāi)監(jiān)控與安全行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及安全行車規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的制定具有一定意義。

表1 高速鐵路沿線不同下墊面特征下α取值

5.3 最大風(fēng)速不同概率設(shè)計(jì)值結(jié)果

我國(guó)高速鐵路沿線最大風(fēng)速概率模式，除東南沿海最大風(fēng)速遵循皮爾遜Ⅲ（簡(jiǎn)稱P--Ⅲ）型外，其他高速鐵路大多區(qū)域最大風(fēng)速遵循極值Ⅰ型概率模型（4）。應(yīng)用極值Ⅰ型概率模型可以計(jì)算出高速鐵路沿線10m高度處最大風(fēng)速不同概率設(shè)計(jì)值。

5.4 高速鐵路沿線最大風(fēng)速垂直分布特征

通過(guò)對(duì)高速鐵路沿線100個(gè)鐵塔梯度風(fēng)資料分析結(jié)果表明：沿線最大風(fēng)速垂直分布遵循冪指數(shù)規(guī)律，冪指數(shù)取值1/4～1/12，其中A類α在0.10～0.13，B類α在0.14～0.18，C類α在0.19～0.26，D類的α在0.28～0.32（5），這與建筑荷載規(guī)范α取值基本一致。但是跨海大橋、沙漠、礫漠風(fēng)區(qū)α在0.08～0.10，以α=0.10出現(xiàn)頻率最高。在文獻(xiàn)[4]基礎(chǔ)上，建議增加0類（跨海大橋、沙漠、戈壁等區(qū)間）最大風(fēng)速冪指數(shù)α取值為0.10，結(jié)合我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范有關(guān)α取值，以表2所示。依據(jù)表2，同時(shí)考慮路堤高度、橋高增速效應(yīng)可將我國(guó)高速鐵路沿線所有氣象臺(tái)（站）最大風(fēng)速訂正到任意里程不同高度處的最大風(fēng)速。當(dāng)存在兩種粗糙度相差較大的地表類型時(shí)，地表粗糙度系數(shù)可取兩者的平均值，當(dāng)兩類別不同時(shí)，可按照較小類別取值。

5.5 高速鐵路沿線最大風(fēng)速水平分布特征

應(yīng)用模式可以計(jì)算出高速鐵路沿線任意里程距軌面4m高處，最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值V4_2max。計(jì)算結(jié)果表明：我國(guó)高速鐵路沿線V4_2max水平分布與地形關(guān)系密切，是隨著特殊環(huán)境（高架橋、特大橋、高路堤、路塹、埡口、峽谷）呈現(xiàn)獨(dú)特特征，以10m以上高架橋、特大橋、高路堤、埡口、峽谷、狹管效應(yīng)區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速最大，深路塹和山谷瞬時(shí)風(fēng)速最小。將距軌面4.0m高度處，2年一遇最大瞬時(shí)風(fēng)速V4_2max與30年一遇最大風(fēng)速V4-30max進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：高速鐵路沿線的V4-2max與V4-30max水平分布特征基本一致，兩者數(shù)據(jù)相差不大。

5.6 強(qiáng)風(fēng)盛行風(fēng)向特征及其對(duì)動(dòng)車組安全行車影響

由于我國(guó)高速鐵路以橋代路的特點(diǎn)，當(dāng)高速列車行車在特大橋、高路堤、埡口、峽谷區(qū)間遭遇強(qiáng)橫風(fēng)時(shí)，即線路走向與強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向夾角在75～95°范圍內(nèi)，列車安全運(yùn)行的危險(xiǎn)度極大；當(dāng)線路走向與強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向夾角＜45°時(shí)，動(dòng)車組受強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響。因此，強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路之間夾角是動(dòng)車組安全行車規(guī)則中的重要參數(shù)之一，如蘭新二線吐魯番和百里風(fēng)區(qū)區(qū)間全年強(qiáng)風(fēng)玫瑰圖，圖5.b所示。蘭新二線吐魯番和十三間房區(qū)間線路走向是E━W向，吐魯番區(qū)間線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向之間夾角＜45°，主要受強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響，百里風(fēng)區(qū)區(qū)間線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向之間夾角75°～90°，主要受強(qiáng)橫風(fēng)影響，這是導(dǎo)致數(shù)十次大風(fēng)吹翻列車事故的主要因素之一。

依據(jù)全年盛行風(fēng)向玫瑰圖、雷雨強(qiáng)風(fēng)盛行風(fēng)向玫瑰圖、寒潮強(qiáng)風(fēng)盛行風(fēng)向玫瑰圖和大風(fēng)出現(xiàn)頻率，確定防風(fēng)區(qū)間以及單側(cè)或兩側(cè)布設(shè)防風(fēng)柵。建議在黃河特大橋兩則設(shè)置防風(fēng)柵；其次在北京特大橋右側(cè)設(shè)置防風(fēng)柵；在天津特大橋至滄德特大橋、高路堤彎道左側(cè)橫風(fēng)處設(shè)置防風(fēng)柵。京滬高速鐵路強(qiáng)側(cè)風(fēng)和橫風(fēng)區(qū)間防風(fēng)柵設(shè)置后，行駛動(dòng)車組在遭遇強(qiáng)風(fēng)中不受運(yùn)行管制時(shí)間的約束。

表2 京滬高速鐵路(京徐段) 動(dòng)車組運(yùn)行10m以上特大橋遭遇強(qiáng)風(fēng)管制時(shí)間（h）

6、不同等級(jí)瞬時(shí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)及持續(xù)時(shí)間

依據(jù)高速鐵路沿線地形系數(shù)、路堤高和橋高橋、特大橋彎道中心里程等資料，結(jié)合高速鐵路沿線氣象站近40年來(lái)（1971～2009年）瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向資料，進(jìn)行10m以上特大橋不同等級(jí)瞬時(shí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)。京滬高速鐵路(京徐段)動(dòng)車組運(yùn)行10m以上特大橋遭遇強(qiáng)風(fēng)管制時(shí)間（h），如表2所示。分析結(jié)果表明：不同等級(jí)瞬時(shí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)對(duì)遭遇強(qiáng)風(fēng)時(shí)的動(dòng)車組安全是非常重要的因素，京滬高速鐵路（京徐段）10m以上特大橋不同等級(jí)瞬時(shí)風(fēng)速累計(jì)時(shí)數(shù)以黃河特大橋最多，黃河特大橋不同等級(jí)瞬時(shí)風(fēng)速持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（管制時(shí)間長(zhǎng)）；其次是滄州特大橋和北京特大橋及天津特大橋。

7、防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)和抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)

日本高速鐵路強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間防風(fēng)、防雪柵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：空曠平坦的地面上離地10m高度處30年一遇10min平均最大風(fēng)速達(dá)到25.0～35.0m·s-1之間。即最大風(fēng)速重現(xiàn)期30年, 防風(fēng)、防雪設(shè)計(jì)風(fēng)速25.0～35.0 m·s-1。防風(fēng)柵抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)風(fēng)速60.0m·s-1, 設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期100年。

我國(guó)蘭新鐵路防風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)：空曠平坦的地面上離地10m高度處30年一遇10min平均最大風(fēng)速達(dá)32.0m·s-1，即最大風(fēng)速重現(xiàn)期30年, 防風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速32m·s-1。擋風(fēng)墻抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)風(fēng)速60.0m·s-1, 設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期100年。

我國(guó)高速鐵路強(qiáng)側(cè)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間防風(fēng)柵抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)風(fēng)速60.0m·s-1, 設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期100年。我國(guó)高速鐵路強(qiáng)側(cè)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間防風(fēng)柵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

強(qiáng)風(fēng)區(qū)間最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值V4-2max＞15.0m·s-1，主風(fēng)向與線路走向之間夾角≥45°，且頻率10%以上，V4-2max最大值所在里程設(shè)置防風(fēng)柵。強(qiáng)橫風(fēng)的區(qū)間15.0≤V4-2max≤30.0m·s-1，8.0m以上高路堤和10m以上高架橋及彎道偏角＞10°里程置防風(fēng)柵。強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間15.0≤V4-2max≤30.0m·s-1，主風(fēng)向與線路走向之間夾角75°～95°，且頻率10%左右里程設(shè)置防風(fēng)柵。

8、橫風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)對(duì)策

我國(guó)高速鐵路強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)策：如遇到強(qiáng)風(fēng)天氣時(shí)，列車調(diào)度員按照運(yùn)行管制的最大風(fēng)級(jí)向相關(guān)列車發(fā)布相關(guān)限速規(guī)定降低車速和設(shè)置防風(fēng)柵及設(shè)計(jì)建設(shè)人工隧道降低橫風(fēng)強(qiáng)度來(lái)保證。

8.1 運(yùn)行管制

運(yùn)行管制指風(fēng)速超過(guò)一定值后車輛慢行或停止運(yùn)行的制度。為了實(shí)行運(yùn)行管制，首先必須得到列車傾覆的臨界風(fēng)速。通過(guò)數(shù)據(jù)分析得知，列車運(yùn)行速度越快，臨界風(fēng)速越小。運(yùn)行管制便是根據(jù)這種結(jié)果來(lái)制定的。

建立高速鐵路大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，可以有效地實(shí)現(xiàn)高速列車的運(yùn)行管制機(jī)制。在不同類型大風(fēng)條件下，大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控側(cè)風(fēng)、橫風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)對(duì)地理信息、地形因數(shù)、高度因數(shù)運(yùn)算和導(dǎo)入歷史資料、沿線風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)以及內(nèi)嵌程序的判斷，為行車指揮控制系統(tǒng)提供較為合理的行車速度限制指令信息。正確的應(yīng)用高速列車管制體系，既可以降低大風(fēng)對(duì)客運(yùn)專線動(dòng)車組安全行車的影響和危害程度，也保證了最大程度的行車效率。

采用等概分級(jí)方法[6]，以《京津城際軌道鐵路技術(shù)管理辦法》第170條界限值為閾值，將高速鐵路沿線V4_2max分為4級(jí)，設(shè)定我國(guó)客運(yùn)專線一般路段高速列車運(yùn)行大風(fēng)預(yù)警信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，京津城際高速列車運(yùn)行大風(fēng)預(yù)警信號(hào)分四級(jí)，分別以藍(lán)色、黃色、橙色、紅色表示。其中1級(jí)為藍(lán)色預(yù)警信號(hào)，瞬時(shí)風(fēng)速范圍15.0～20.0m·s-1，運(yùn)行速度控制在300km·h-1；2級(jí)為黃色預(yù)警信號(hào)，瞬時(shí)風(fēng)速范圍20.0～25.0m·s-1，運(yùn)行速度控制在200km·h-1；3級(jí)為橙色預(yù)警信號(hào)，瞬時(shí)風(fēng)速范圍25.0～30.0m·s-1之間，運(yùn)行速度控制在120 km·h-1；4級(jí)為紅色預(yù)警信號(hào)，瞬時(shí)風(fēng)速范圍＞30.0m·s-1，動(dòng)車組停運(yùn)。

在我國(guó)高速鐵路的特殊環(huán)境區(qū)間（路堤、特大橋梁、埡口、峽谷、山區(qū)的風(fēng)口、狹管效應(yīng)），紅色預(yù)警信號(hào)，瞬時(shí)風(fēng)速范圍＞25.0m·s-1，停運(yùn)。因?yàn)樘厥饴范蔚乃矔r(shí)風(fēng)速一般增加1.23～1.50倍，最大1.7倍，這是一種風(fēng)速和高度增加的效應(yīng)。如果線路與大風(fēng)風(fēng)向夾角垂直，列車受大風(fēng)天氣條件下瞬時(shí)風(fēng)速和橫風(fēng)因素合力影響，氣動(dòng)力顯著增大，列車傾覆、脫軌的可能性明顯增加，當(dāng)監(jiān)測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到25.0m·s-1以上時(shí)高速列車停運(yùn)。這與日本特殊路段風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。如果在特殊環(huán)境區(qū)間強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間設(shè)置防風(fēng)柵、設(shè)計(jì)建設(shè)人工隧道保障高速列車安全高效行車。

8.2 防風(fēng)柵設(shè)置對(duì)策

日本高速鐵路羽越線2005年12月25日列車傾覆翻車后[7]，日本鐵路部門進(jìn)行了大量的高速鐵路防風(fēng)對(duì)策研究，其中包括鐵路強(qiáng)橫風(fēng)路段增設(shè)風(fēng)速計(jì)、高性能透風(fēng)式防風(fēng)柵布設(shè)，制定防風(fēng)柵設(shè)置區(qū)間列車運(yùn)行規(guī)則。日本高速公路強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間布設(shè)高性能透風(fēng)式柔性防風(fēng)柵，它的優(yōu)勢(shì)是可以有效地減小風(fēng)速。加裝防風(fēng)柵后風(fēng)速可減弱20%左右，且在防風(fēng)墻后可產(chǎn)生大范圍、強(qiáng)度較弱的渦流區(qū)域，保證不同類型汽車強(qiáng)橫風(fēng)天氣條件下經(jīng)過(guò)強(qiáng)橫風(fēng)路段按照防風(fēng)柵設(shè)置下運(yùn)行規(guī)則安全行車。

防風(fēng)欄柵能夠有效地直接減小作用在動(dòng)車組的氣動(dòng)力。為了防止動(dòng)車組在高架橋、大橋、特大橋、山口、埡口、峽谷等強(qiáng)橫風(fēng)路段傾覆翻車事故的發(fā)生，作為運(yùn)行管制大風(fēng)事故多發(fā)區(qū)的有效防風(fēng)對(duì)策，我國(guó)蘭新鐵路三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)已布修筑100km防風(fēng)墻，日本在鐵路的強(qiáng)側(cè)風(fēng)和橫風(fēng)路段都設(shè)置防風(fēng)柵[8]。防風(fēng)柵主要布設(shè)在高路堤、高架橋、特大橋強(qiáng)橫風(fēng)路段，并且依據(jù)強(qiáng)風(fēng)盛行風(fēng)向和最大瞬時(shí)風(fēng)速以及風(fēng)壓設(shè)計(jì)值，采用高架橋、大橋、特大橋強(qiáng)橫風(fēng)路段兩側(cè)布設(shè)和強(qiáng)側(cè)風(fēng)特殊路段單側(cè)布設(shè)。蘭新二線百里風(fēng)區(qū)十三間房至了墩段強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間設(shè)計(jì)38km人工隧道，保障高速列車安全高效行車。

9、應(yīng)用前景

本研究成果不僅可以有效解決高速鐵路強(qiáng)風(fēng)天氣下動(dòng)車組安全高效行車技術(shù)問(wèn)題，全面提高我國(guó)高速鐵路安全行車技術(shù)水平，而且對(duì)于全國(guó)的高速鐵路防風(fēng)減災(zāi)技術(shù)研究具有重要的示范和借鑒作用。因此，具有廣闊的應(yīng)用前景。

10、結(jié)語(yǔ)與建議

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

1）在大風(fēng)天氣條件下，影響高速鐵路動(dòng)車組安全行車的主要?dú)庀髤?shù)有：瞬時(shí)風(fēng)速、強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向。因此，瞬時(shí)風(fēng)速和強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向是設(shè)定高速鐵路動(dòng)車組安全行車事故風(fēng)險(xiǎn)值中的重要參數(shù)。

2）高速鐵路主要大風(fēng)類型：寒潮大風(fēng)、短時(shí)雷雨、臺(tái)風(fēng)型大風(fēng)。其中以臺(tái)風(fēng)型大風(fēng)對(duì)東南沿海高速鐵路動(dòng)車組安全高效運(yùn)行危險(xiǎn)度極大，其次是寒潮大風(fēng)、夏季的短時(shí)雷雨大風(fēng)及特強(qiáng)陣風(fēng)。

3）速鐵路沿線的風(fēng)害主要由于天氣系統(tǒng)和地形條件影響所致。我國(guó)高速鐵路沿線大風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)具有顯著的年代變化特征，即20世紀(jì)60年代、70年代大風(fēng)偏多，90年代以后大風(fēng)日數(shù)偏少，但強(qiáng)度增加。近40年來(lái)我國(guó)鐵路大多數(shù)區(qū)間大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但個(gè)別區(qū)間大風(fēng)氣候特征呈增加趨勢(shì)。

4）我國(guó)高速鐵路沿線V4_2max水平分布與地形關(guān)系密切，是隨著特殊環(huán)境（高架橋、特大橋、高路堤、路塹、埡口、峽谷）呈現(xiàn)獨(dú)特特征，以10m以上高架橋、特大橋、高路堤、埡口、峽谷、狹管效應(yīng)區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速最大，深路塹和山谷瞬時(shí)風(fēng)速最小。

5）通過(guò)對(duì)高速鐵路沿線100個(gè)鐵塔梯度風(fēng)資料分析結(jié)果表明：沿線最大風(fēng)速垂直分布遵循冪指數(shù)規(guī)律，冪指數(shù)取值1/4～1/12，其中A類α在0.10～0.13，B類α在0.14～0.18，C類α在0.19～0.26，D類的α在0.28～0.32，這與建筑荷載規(guī)范α取值基本一致。但是跨海大橋、沙漠、礫漠風(fēng)區(qū)α在0.08～0.10，以α=0.10出現(xiàn)頻率最高。建議增加0類（跨海大橋、沙漠、礫漠風(fēng)區(qū)等區(qū)間）最大風(fēng)速冪指數(shù)α取值為0.10。

6）我國(guó)高速鐵路沿線最大風(fēng)速概率模式，除東南沿海最大風(fēng)速遵循皮爾遜Ⅲ（簡(jiǎn)稱P-Ⅲ）型外，其他高速鐵路大多區(qū)域最大風(fēng)速遵循極值Ⅰ型概率模型。

7）以最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值，制定高速鐵路沿線橫風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)時(shí)動(dòng)車組管制規(guī)則，京滬高速鐵路（京徐段）沿線動(dòng)車組大風(fēng)預(yù)警信號(hào)分4級(jí)，分別以藍(lán)色、黃色、橙色、紅色表示。

8）建立高速鐵路沿線防風(fēng)安全風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速計(jì)算模式，該模式的建立有助于提高高速鐵路沿線強(qiáng)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)中短期風(fēng)速預(yù)測(cè)模式的精度，同時(shí)可以預(yù)測(cè)高速鐵路防風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以外區(qū)間任意里程距軌面4m高處瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向，從而為動(dòng)車組強(qiáng)風(fēng)區(qū)間安全高效行車提供技術(shù)保障。

9）由于我國(guó)高速鐵路以橋代路的特點(diǎn)，當(dāng)高速列車行車在特大橋、高路堤、埡口、峽谷區(qū)間遭遇強(qiáng)橫風(fēng)時(shí)，即線路走向與強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向夾角在75～95°范圍內(nèi)，列車安全運(yùn)行的危險(xiǎn)度極大；當(dāng)線路走向與強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向夾角＜45°時(shí)，動(dòng)車組受強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響。因此，強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向與線路之間夾角是動(dòng)車組安全行車規(guī)則中的重要參數(shù)之一。

10）我國(guó)高速鐵路強(qiáng)側(cè)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間防風(fēng)柵抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)風(fēng)速60.0m·s-1, 設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期100年。我國(guó)高速鐵路強(qiáng)側(cè)風(fēng)和強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間防風(fēng)柵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：強(qiáng)風(fēng)區(qū)間最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值V4-2max＞15.0m·s-1，主風(fēng)向與線路走向之間夾角≥45°，且頻率10%以上， V4-2max最大值所在里程設(shè)置防風(fēng)柵。強(qiáng)橫風(fēng)的區(qū)間15.0≤V4-2max ≤30.0m·s-1，8.0m以上高路堤和10m以上高架橋及彎道偏角＞10°里程置防風(fēng)柵。強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間15.0≤V4-2max≤30.0m·s-1，主風(fēng)向與線路走向之間夾角75°～95°，且頻率10%左右里程設(shè)置防風(fēng)柵。

[1]地面氣象觀測(cè)規(guī)范.QX/T 61—2007.2007年

[2]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.GB 50009-2001.2002年

[3]馬韞娟，馬志福，樊艷，馬淑紅等.高速鐵路防災(zāi)系統(tǒng)防風(fēng)布點(diǎn)方案優(yōu)化研究.中國(guó)科技信息.2010，第21期

[4]馬淑紅，馬韞娟.瞬時(shí)風(fēng)速對(duì)高速列車安全運(yùn)行的影響及其控制.鐵道工程學(xué)報(bào)〔J〕.2009.01：11～16

[5]馬韞娟，馬淑紅.我國(guó)高速鐵路客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速研究.鐵道技術(shù)監(jiān)督〔J〕.2009，37（10）：34～37

[6]馬淑紅，李振山，劉濤，馮立群.新疆公路沿線近50年來(lái)濕潤(rùn)指數(shù)區(qū)域特征及變化趨勢(shì)〔J〕.干旱區(qū)地理.32（5）：746～752

[7]風(fēng)規(guī)制による輸送障害対策について.東日本旅客鉄道株式會(huì)社[R].2006年

[8]羽越線列車傾覆翻車事故對(duì)策[R].東日本鐵路公司.2009年

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.083

鐵道部科學(xué)技術(shù)司重大課題項(xiàng)目，合同書編號(hào)：2009G027

馬志福（1958-），男，博士，研究員，從事高速鐵路防災(zāi)研究工作。