淺談路基防風(fēng)工程的研究認(rèn)識(shí)

聶犇

（武漢鐵四院工程咨詢有限公司，武漢430063）

淺談路基防風(fēng)工程的研究認(rèn)識(shí)

聶犇

（武漢鐵四院工程咨詢有限公司，武漢430063）

新建蘭新高鐵是我國第一條穿越新疆大風(fēng)區(qū)的高速客運(yùn)鐵路，防風(fēng)效果是蘭新高鐵建設(shè)及運(yùn)營安全的控制性因素。在對大風(fēng)觀測、實(shí)驗(yàn)研究及既有線擋風(fēng)墻的觀測基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算及風(fēng)洞試驗(yàn)的研究成果，同時(shí)結(jié)合擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)思路，讓我們對擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)。

路基;擋風(fēng)墻;高速鐵路;風(fēng)壓

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.029

1 引言

全長1700km的蘭新高鐵有700余km位于新疆境內(nèi)，主要通過五大風(fēng)區(qū)，分別是安西、煙墩、百里、三十里及達(dá)坂城風(fēng)區(qū)。全線有近1/3的線路位于五大風(fēng)區(qū)中。

風(fēng)區(qū)內(nèi)人煙稀少，自然環(huán)境惡劣，是我國鐵路風(fēng)災(zāi)最為嚴(yán)重的地區(qū)。已建成的蘭新鐵路自運(yùn)營以來，因大風(fēng)導(dǎo)致的傾覆、脫軌事故就有30余起，造成的列車停運(yùn)、軌道積沙、接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)等問題更是十分普遍。

因此，研究及設(shè)計(jì)風(fēng)區(qū)的防風(fēng)工程對保證蘭新高鐵在大風(fēng)條件下安全運(yùn)營具有極為重要的作用。

2 沿線大風(fēng)區(qū)特征及工程分區(qū)

2.1 大風(fēng)地區(qū)的主要特點(diǎn)

從目前掌握的資料看，新疆境內(nèi)風(fēng)區(qū)特點(diǎn)主要為季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)期長、速度大、速度變化快及風(fēng)向穩(wěn)定。

2.2 防風(fēng)工程分區(qū)

防風(fēng)工程主要分為5區(qū)，分別是大風(fēng)極少區(qū)（Ⅰ區(qū)）、大風(fēng)低發(fā)區(qū)（Ⅱ區(qū)）、大風(fēng)一般區(qū)（Ⅲ區(qū)）、大風(fēng)易發(fā)區(qū)（Ⅳ區(qū)）和大風(fēng)頻繁區(qū)（Ⅴ區(qū)）。

3 路基防風(fēng)技術(shù)研究

3.1 路基防風(fēng)工程研究的主要內(nèi)容

目前，國內(nèi)許多學(xué)者對風(fēng)區(qū)普速鐵路擋風(fēng)墻的高度的最適值[1-3]及不同擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果[4]做了許多研究及觀測，但是對于預(yù)留350km/h速度的蘭新鐵路第二雙線高速鐵路擋風(fēng)墻的研究目前還不是很多，因此2009年11月，在搜集國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院（以下簡稱“鐵一院”）與中南大學(xué)合作展開《蘭新第二雙線路基防風(fēng)數(shù)值分析研究》，開展大風(fēng)區(qū)條件下，風(fēng)、車、路、擋風(fēng)墻等耦合空氣動(dòng)力特性和列車安全運(yùn)行的計(jì)算研究。

研究采用理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法開展研究。以數(shù)值模擬計(jì)算為主，對無防風(fēng)設(shè)施動(dòng)車組氣動(dòng)特性、設(shè)防風(fēng)設(shè)施后動(dòng)車組氣動(dòng)特性等進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行擋風(fēng)墻墻形、位置和高度的優(yōu)化研究。

在路基防風(fēng)數(shù)值分析研究的基礎(chǔ)上，鐵一院還與中南大學(xué)進(jìn)一步合作展開《蘭新第二雙線路基防風(fēng)技術(shù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究及動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)研究》的研究。通過風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證、修正了模擬計(jì)算結(jié)論，同時(shí)還利用中南大學(xué)的列車空氣動(dòng)力特性動(dòng)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，對項(xiàng)目要求的不同擋風(fēng)墻形式和列車單車、交會(huì)工況下，其結(jié)構(gòu)與列車模型表面壓力波傳播規(guī)律、出口微壓波變化進(jìn)行測試與分析，得出列車高速運(yùn)行及不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力特性，為蘭新第二雙線路基防風(fēng)工程的實(shí)施提供依據(jù)。

3.2 路基防風(fēng)工程研究的初步結(jié)果

3.2.1 無防風(fēng)設(shè)施條件下列車氣動(dòng)性能研究

列車在無防風(fēng)設(shè)施條件下以不同的速度在不同高度的路基上運(yùn)行時(shí)，列車受到的傾覆力矩與路基高度的變化規(guī)律基本一致，從車頭到車尾所受力矩依次減小。同時(shí)列車受到的傾覆力矩隨行駛速度增大而增大；對于一、二線上運(yùn)行的列車所受傾覆力矩基本一致，但都隨路基高度減小而減少；在運(yùn)行條件相同的情況下，傾覆力矩也會(huì)隨著風(fēng)速的減小而減小。

3.2.2 擋風(fēng)墻合理位置研究

研究初步結(jié)果表明：列車以350km/h速度運(yùn)行，橫向風(fēng)速為60m/s時(shí)，無論是6.1m、5.7m，還是5.3m高的擋風(fēng)墻，位于一、二線的列車所受傾覆力矩從頭到尾依次增大；然而，對于列車所受氣動(dòng)力平均最小的是擋墻高度為5.7m的時(shí)候，此時(shí)，一、二線列車的氣動(dòng)性能相對最佳。

3.2.3 擋風(fēng)墻合理高度計(jì)算研究

經(jīng)過數(shù)值分析，結(jié)合列車運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的綜合考慮，同時(shí)也要考慮擋風(fēng)墻的防沙作用，為確保列車安全運(yùn)行，擋風(fēng)墻高度的設(shè)置主要如下：

1）路塹

路塹深度≥5m時(shí)，擋風(fēng)墻高度不小于2.0m，設(shè)置在塹頂處，環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

2m＜路塹深度≤5m時(shí)，宜在塹頂設(shè)置高度不小于3.0m的擋風(fēng)墻，環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

路塹深度≤2m時(shí)，宜在塹頂設(shè)置高度不小于3.5m的擋風(fēng)墻，環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

2）路堤

路堤高度≤3m時(shí)，宜在路肩設(shè)置高度不小于4.0m高的擋風(fēng)墻，環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

3m＜路堤高度≤5m時(shí)，宜在路肩設(shè)置高度不小于4.0m高的擋風(fēng)墻，環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

5m＜路堤高度≤7m時(shí)，宜在路肩設(shè)置高度不小于3.5m高的擋風(fēng)墻，環(huán)境風(fēng)速不超過40m/s。

路堤高度≥7m時(shí)，一般采用半封閉或者封閉結(jié)構(gòu)，外界風(fēng)速小于50m/s。如果只有迎風(fēng)側(cè)設(shè)置擋風(fēng)墻，外界風(fēng)速小于35m/s。

路堤高度、環(huán)境風(fēng)速直接影響路堤擋風(fēng)墻的效果。對于列車氣動(dòng)性能，路堤高度越高，風(fēng)的增速效應(yīng)就會(huì)越明顯，擋風(fēng)墻所能防護(hù)的環(huán)境風(fēng)速就越低。處于相同環(huán)境下的路堤，風(fēng)速增大時(shí)，3.5m高的擋風(fēng)墻防風(fēng)效果要低于4.0m高的擋風(fēng)墻，但墻高如果大于4m，就會(huì)在二線產(chǎn)生負(fù)壓。墻高大于4.0m時(shí)擋風(fēng)墻加高意義不大。所以，對于路堤段落，在僅考慮列車傾覆力矩時(shí)，擋風(fēng)墻的高度為3.5～4m。

4 擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)荷載的確定

擋風(fēng)墻所受的荷載主要為：水平風(fēng)力（F）及抗力、擋風(fēng)墻自身重力（G）、所受地基反力（P）。我們比較容易確定擋風(fēng)墻自身重力及地基反力、水平抗力，如何確定水平風(fēng)力是確定擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)的重要因素。風(fēng)向和風(fēng)速指標(biāo)目前可由氣象部門提供資料，但如何將風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)力，是擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所通過試驗(yàn)[5]研究，得出了風(fēng)速與風(fēng)力的轉(zhuǎn)換公式，具體如下：

式中，F(xiàn)為水平風(fēng)力，kN；A為受風(fēng)面積，m2；ρ為空氣密度，取1.247kg/m3；Cd為阻力系數(shù)，取0.62；V為風(fēng)速，m/s。

地形平坦情況下，當(dāng)均勻的風(fēng)速遇到障礙物時(shí)，風(fēng)速將重新分布（見圖1）。最底部為0，頂端為無障礙物時(shí)的風(fēng)速，風(fēng)速隨高度的變化函數(shù)為

式中，u為摩阻速度；z為擋風(fēng)墻高度，mm；k為地表粗糙度，一般取地表砂礫平均直徑的1/20～1/30倍，地表以圓礫土為主時(shí)取0.4mm。

圖1 風(fēng)速—高度關(guān)系

擋風(fēng)墻的傾覆力矩：

式中，l為擋風(fēng)墻長度，計(jì)算時(shí)取1m；h為擋風(fēng)墻的高度（m）；f(z)為風(fēng)壓、風(fēng)速函數(shù)。

風(fēng)力作用點(diǎn)高度H為

擋風(fēng)墻所受的力（F）為

實(shí)際上，位于高填方路肩上的擋風(fēng)墻，風(fēng)力作用會(huì)受沿路堤邊坡而上，影響墻面下部，因此將擋風(fēng)墻所受的風(fēng)壓看作沿墻高均勻分布。

另外，擋風(fēng)墻上所受的風(fēng)荷載也可以采用《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》（TB 10002.1—2005）中的風(fēng)荷載公式：

式中，W為風(fēng)荷載強(qiáng)度，Pa；W0為基本風(fēng)壓值，Pa，其中W0=1/ 1.6v2；k1為風(fēng)載體形系數(shù)；k2為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；k3為地形、地理?xiàng)l件系數(shù)。

4.2 反方向荷載檢算

反方向荷載檢算時(shí)，風(fēng)速取20.7m/s。

4.3 地基反力的計(jì)算

由于懸臂式擋風(fēng)墻立柱猶如一懸臂式擋墻，為防止因基底承載力不足而造成的擋風(fēng)墻傾覆，對基底地基承載力也有一定的要求。

地基反力計(jì)算公式為

式中，e為地基基礎(chǔ)的偏心距，e=M/(F+G)；G為基礎(chǔ)及其臺(tái)階上填土的總重。

對于懸臂式擋風(fēng)墻，設(shè)計(jì)時(shí)除考慮擋風(fēng)墻自身的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)滿足擋風(fēng)墻的抗傾覆安全系數(shù)K0≥1.5，抗滑移安全系數(shù)Kc≥

1.3 的要求。

對于柱板式擋風(fēng)墻，其擋風(fēng)立柱錨固端長度應(yīng)根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）相關(guān)規(guī)定計(jì)算確定。

4.4 結(jié)構(gòu)配筋

在確定好擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)尺寸后，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、進(jìn)行擋風(fēng)墻各部位的配筋計(jì)算。

5 結(jié)語

一直以來，對高速鐵路擋風(fēng)墻的研究一直處于空白階段，得益于蘭新二線高速鐵路的建設(shè)，鐵道部專門成立專項(xiàng)基金對其研究。通過理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算及風(fēng)洞試驗(yàn)的研究成果，同時(shí)結(jié)合擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)思路，讓我們對擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，對高速鐵路擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)起著借鑒作用。

【1】王厚雄，高注，王蜀東.擋風(fēng)墻高度的研究[J].中國鐵道科學(xué)，1990,11 (1):14-22

【2】劉鳳化.不同類型擋風(fēng)墻對類車運(yùn)行安全防護(hù)效果的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006,37(1):176-182.

【3】高廣軍，段麗麗.單線路堤上擋風(fēng)墻高度研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011,42(1):254-258.

【4】李熒.蘭新線百里風(fēng)區(qū)不同型式擋風(fēng)墻防風(fēng)效果評估[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2011，40(1):34-37,42.

【5】鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院，西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，中南大學(xué)高速列車研究中心，中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所.蘭新線百里風(fēng)區(qū)防風(fēng)工程試驗(yàn)研究階段成果報(bào)告[R].2003.

Discussion on the Research of the Roadbed Windproof Project

NIE Ben

(Wuhan Railwaly Siyuan Engineering Consulting Co.Ltd.,Wuhan430063,China)

The new-built Lan-Xin railway is the first high-speed passenger railway through the Xinjiang gale area and the windproof effect is among the governing factors of the Lan-Xin railway construction and operation safety.This paperis based on wind observation,experimental study and observation to the existing wind-break walls,and combines with the research findings of theoretical analysis,numerical simulation calculation and wind tunnel test,including the design ideas of the wind-break walls.In this way we can have a clear understanding of thew ind-break wall design.

roadbed;wind-break walls;high-speed railway;wind pressure

U213.1+4

A

1007-9467（2016）08-0056-02

2016-07-27

聶犇（1984～），男，江西南昌人，工程師，從事鐵路路基設(shè)計(jì)咨詢與研究。