高原地区铁路堆煤场防风网设计研究

田 栋

(中铁一院兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000)

高原地区铁路堆煤场防风网设计研究

田 栋

(中铁一院兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000)

以柴木铁路堆煤场防风网建设为例，在深入分析国内外防风网研究成果的基础上，研究确定适用于高原地区铁路堆煤场的防风网设计关键技术参数，采用PKPM软件进行辅助设计，对建网后的防风抑尘效果进行初步观测和分析。认为设网方式应结合车站装车规模的大小、投资等综合确定。对于跨越铁路股道处防风网的布置，应考虑铁路限界、基础施工条件及运营安全等因素；网高应取煤堆高度的1.5倍，当站场地形有起伏时，应分段控制网高；网体应选择安装便捷、后期维护少、安全性高的柔性网材；上部支撑结构应采用刚架形式，基础采用独立基础，能更好地解决冻土地区地表水和地下水的排泄问题。根据监测结果分析，建网后各站、测点位防风网抑尘效率在68.4%～91.8%，平均抑尘效率可达到80.1%。

铁路；高原地区；堆煤场；防风网设计；抑尘效果

为堆煤场设置防风网已成为防治露天煤尘污染的重要措施。作为一种疏透多孔的障碍物，气流通过防风网后速度得到了极大衰减，在其背面形成一个低速遮蔽区，最大程度的损失风动能，有效降低煤堆表面的风速，避免风产生的涡流，减小风的湍流度，从而减少堆煤场的煤尘污染。相关监测表明，防风网的防尘效果可达到50%～70%，最高可达到90%[1]。

长期以来，国内外很多学者采用数值模拟、风洞试验和实际观测等手段对防风网布置形式、高度、网材开孔率、支撑结构形式、遮蔽效果等进行了研究，取得了大量的成果[2-5]。但目前防风网的研究和应用主要集中在港口、码头和煤矿开采区域，对于防风网在高原地区铁路堆煤场的设计、应用的相关研究还未见报道。

据调查，柴木铁路建设过程中，车站堆煤场均未设置洒水抑尘、喷洒抑尘剂等防尘抑尘措施，柴木铁路接轨的柴达尔站堆煤场亦未设置洒水抑尘和防风网等抑尘措施，该堆煤场煤尘对周边环境污染严重。该线附近区域其他堆煤场设置的防风网，由于存在如设网高度不够，或者网体选择不合理，或者网片脱落等问题，导致该区域煤炭扬尘污染未得到很好的解决。

1 研究区概况

柴木铁路位于青海省东北部的刚察、祁连、天峻等县境内，线路所在区域属大陆性高原气候区，具有海拔高、寒冷、空气稀薄、气候多变、生态环境脆弱和冻土环境敏感的特点[6]。该区域年平均气温-0.3 ℃，最热月平均气温11.4 ℃，最冷月平均气温-13.3 ℃；年均大风日数(≥8级)47 d，年均风速3.4 m/s，最高风速29 m/s，主导风向N；海拔3 600～3 950 m，最大季节冻土深度350 cm。

柴木铁路于2010年正式建成通车，随着外力哈达、江仓、木里站堆煤场的启用，煤炭装卸、堆存产生的煤尘飘落到周边的高寒草甸上，影响了植被的生长，导致草场、湿地退化，严重影响了车站周边的生态环境和牧民的生产、生活，因此，在沿线3处堆煤场建设防风抑尘网尤为必要。

2 研究内容

通过对防风网关键技术参数的深入分析，确定适合于高寒地区铁路堆煤场的防风网设计参数；对上部支撑结构、下部基础进行分析，根据相关设计规范，确定适用的结构设计计算方法和参数，利用PKPM系列软件进行上部支撑结构和下部基础设计；根据计算结果，优化各构件和基础的尺寸，使之在满足强度、稳定、变形等要求的同时能够节省投资，达到最佳的防风效果；并对建网后的防风抑尘效果进行初步分析。

3 防风网技术参数

防风网设计过程中主要考虑的技术参数有：设网方式、防风网高度、防风网与地面间隙、网体材料、开孔率、上部支撑结构和下部基础等。

3.1 设网方式

防风网设网形式主要有主导上风向设置、主导下风向设置、半包围设置、全包围设置等4种方式，详见图1。相关研究表明，防风网呈“口”型全包围设置可实现最优的防风抑尘效果，当呈“П”型三面设网能达到工程需要时，沿全年主导风向上方向设置也能够发挥较好的抑尘效果[7，8]。为了达到最优的防风抑尘效果，采用“口”型全包围或主导上风向“П”型三面设网的方式，并结合铁路限界、预留电气化条件和保证行车运输安全等要求，对“口”型全包围或主导上风向“П”型设网的方式进行改进。具体布置为：对装车规模较大的江仓站采取“口”型全包围设置，除了考虑在堆煤场相关位置预留车辆进出通道外，对于跨越铁路股道处防风网的布置，考虑铁路电气化条件，采用网体整体断开的方式处理。断开处的防风网端距铁路中心线的距离不得侵入铁路限界，对于既有线，还应考虑防风网基础施工条件和采取的防护措施，不得影响铁路路基稳定。对装车量相对较小的外力哈达、木里站区采取主导上风向“П”型三面设网的形式设置。

图1 防风网设网方式

3.2 防风网高度

防风网高度是决定水平庇护范围最重要的因素，主要由煤堆高度、堆煤场范围大小等因素决定。风洞试验证明，当防风网高度为煤堆高度的0.6～1.1倍时，抑尘效果与网高成正比例关系；当防风网高度为煤堆高度的1.1～1.5倍时，随网高增加抑尘效果的增加趋势逐渐平缓；当网高为煤堆高度的1.5倍以上时，抑尘效果增加趋势不明显。因此，防风网高度一般在煤堆高度的1.1～1.5倍范围内选取；防风网高度还须考虑堆煤场范围的大小，必须使堆煤场在防风网的有效庇护范围之内。相关研究表明，网后下风向2～5倍网高的距离内，抑尘效果可达90%以上，16倍网高距离内，抑尘效果可达80%以上，在网后25倍网高的距离内仍然有较好的抑尘效果，一直延伸到网后50倍网高距离处，仍有20%的抑尘效果[9]。

柴木铁路堆煤场煤堆高度10 m左右，防风网高度按照煤堆高度的1.5倍设计，设网高度15 m。由于站场区域地形有起伏，为保证防风网顶端齐平，采用分段控制网高的方式。

3.3 防风网底部与地面间隙

由于地形起伏、防撞墙和机动车进出堆料场通道等原因，高度为H的防风网会与地面之间形成一个间隙G，该间隙G将影响庇护区的流场特性。研究表明，如果间隙值G在合理的范围内，不但不会减弱防风网的庇护效果，反而会比无间隙时的庇护效果要好，一般认为G/H=0.125为最佳值[10，11]。对于本项目，采用设置防撞砖墙与G/H值综合考虑的方法，为防止堆煤掩埋柱脚螺栓和网体，便于运营后检修，在防风网与煤堆之间，贴网脚设置2.0 m高的防撞砖墙，防风网与防撞砖墙搭接，网体离地间隙结合防撞墙设置高度考虑，取1.5 m。

3.4 网体材料

网体材料从材质上分，主要可分为硬质材料和柔性材料两种类型。硬质防风网体有不锈钢、彩钢板、镀铝锌板和铝镁合金板等；柔性防风网体有玻璃钢、复合材料等。

针对本项目所处位置的特殊性，主要侧重从安全性能、安装的便捷性能、后期维护、防风性能和投资等方面对两种材料进行比较分析。例如，对一般区域而言，安装的便捷性能并不是设计中重点应该考虑的问题，但柴木铁路处于高寒、高海拔(3 600～4 000 m)区域，网体安装作业、后期维护对人工要求高，因此，必须考虑网体安装、维护的便捷性。据此，对比分析柔性和硬质网体材料在柴木防风网项目上的适用性。从表1可看出，柔性网体材料更加适用于柴木铁路堆煤场防风网建设。

表1 柔性网材和硬质网材对比分析

3.5 开孔率

开孔率是指防风网板上透风孔隙在整个防风网板面积上所占的比例，是防风网的一个重要技术参数。一般认为，开孔率20%是临界值，在该点上湍流强度和拖曳系数等发生显著变化，即该点上流出的空气恰好可以防止剪切层相互影响而形成的剪切应力。随着开孔率的增加，防风网的通风性增加，网后的湍流强度降低，最大湍流密度的位置朝下风向移动，从而在一个足够长的距离上，涡流小到足以使尾流区起到自身保护作用，有效地增加遮蔽面积，降低风速；开孔率大于60%则起不到明显的庇护作用。根据国内外大量的理论分析和试验结果表明，开孔率在30%～50%具有较好的防风效果。

有研究利用空气动力学原理进行风洞试验和现场实测分析比较得出[12]：当采用开孔率为40%的双层柔性网体时，能最大程度地降低风速，可以使风速降低80%～90%，扬尘浓度分布降低85%以上，抑尘效果最佳。

4 支撑结构设计及网体安装

4.1 上部结构设计

防风网支撑结构形式有悬臂柱、刚架以及网架结构。对于悬臂柱结构和刚架结构，在相同荷载条件下，从用钢量分析，高5 m时二者接近，高10 m时，悬臂柱结构的用钢量达到刚架结构的2倍，高15 m以上时，二者比值达到3倍；从结构受力分析，悬臂柱结构属于纯弯曲，材料利用不够充分，刚架结构在设置斜撑后，呈现组合结构的受力特性，只有前柱承受一定的弯曲作用，整个结构以承受轴力为主，因此材料强度发挥充分。网架结构设计和施工工艺复杂，而防风网支护结构主要承受垂直网平面方向的风荷载，并不能发挥网架的空间受力特性优势，过多的腹杆也使其用钢量并不比刚架节省。因此，一般情况下，刚架结构是一种经济、简便的防风网支护结构，适合广泛应用。

柴木铁路堆煤场所在地区50年一遇风压(基本风压)值为0.75 kN/m2，地面粗糙度为B类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组。防风网材自重0.052 kN/m2，钢结构质量1 600 kg/榀，网高15 m，钢支架为平面桁架支撑式结构，间距10 m。结构计算简图详见图2。

图3 防风网上部支撑结构PKPM-STS设计验算图

图2 防风网上部支撑结构计算简图(单位：mm)

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)，防风网结构的风荷载按照承重结构进行计算，即

wk=βzμsμzw0

式中，w0为基本风压(kN/m2)，取w0=0.75 kN/m2；μz为风压高度变化系数，根据规范GB50009—2012表7.2.1得不同高度处的μz，详见表2。

μs为风荷载体型系数，取1.3；βz为高度z处的风振系数，根据下式计算

βz取值见表3。

表2 风压高度变化系数μz取值

表3 高度z处的风振系数βz取值

根据上述取值，计算风荷载wk标准值见表4。

表4 风荷载wk标准值

应用PKPM-STS钢结构设计软件，根据统计出的各种荷载，完成钢结构的模型输入，形成计算简图，进行结构内力计算。如轴力、弯矩、剪力和左右风荷载节点位移等输出结果见图3。根据输出的结果对截面进行优化，结构分析和构件验算，使之满足强度、稳定、变形等的要求，最终进行节点设计。需要注意的是，对构件进行截面验算时应注意计算长度的取值，根据验算结果对杆件截面进行调整优化，应使截面变化与弯矩大小尽可能趋于一致[13]。

根据计算结果，风荷载作用下柱顶最大水平位移dx=29.0 mm，柱顶最大水平位移H/517<柱顶位移容许值H/400，地震荷载作用下柱顶最大水平位移dx=1.0 mm，柱顶最大水平位移H/15 000<柱顶位移容许值H/400，结构设计稳定。

4.2 下部基础设计

4.2.1 基础形式

防风网地下基础大致可分为桩基础和重力式基础。桩基础由于工程量大、造价较高，一般不用于此类工程。重力式基础又可分为独立式重力基础和条形重力基础。

柴木铁路位于高原冻土地区，项目区属高温不稳定多年冻土亚区，年平均地温高于-1.0 ℃，冻土类型主要为低含冰量冻土(多冰冻土)夹杂高含冰量冻土(富冰冻土)，个别深度段存在饱冰冻土，具有高敏感性，触动易融化。站场区域地表水主要为季节融化层融水形成的地表径流，以及降雨和冰雪融化期的地表漫流；地下水主要为暖季存在的冻结层上水，水位埋深随季节变化较大，寒季土壤冻结，一般无液态地下水存在，暖季地下水水位埋深0.5～1.5 m。根据上述特殊地质条件，选择独立型重力基础能更好地适应地质条件，有利于地表水和地下水的排泄、有利于控制基础沉降。同时，独立基础柱还具有形式简单、经济节约、施工方便等优点。

4.2.2 下部基础设计

钢筋混凝土独立基础的设计分为以下4个步骤：①由修正后的地基承载力特征值确定基础底面积尺寸；②根据柱与基础交接处基础的受冲切承载力确定基础的高度；③确定基础变阶处的高度，验算变阶处受冲切承载力；④由抗弯计算确定基础底板的配筋。

防风网独立基础设计采用PKPM-JCCAD进行设计。用到的荷载有上部钢结构自重以及风荷载，可以由PKPM-STS导入，程序可以读取PKPM-STS中上部结构分析程序生成的柱底内力标准值，并将其作各种荷载效应组合当作基础设计的外荷载。同时，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)第4.2.1条规定，对防风网基础需要进行基础抗震承载力验算。应用PKPM-JCCAD软件，根据输入的地质资料、荷载等，完成独立基础设计。

4.3 网体安装

柔性网体双层设置，顶端和底端绑扎在横向设置的圆钢上，每片网材之间互相缝合，由上至下沿水平方向每间隔1 m设置2道钢绞线，钢绞线与钢架通过U形卡具固定，用2道钢绞线将网体夹于中间，具体见图4。从而形成支架与钢绞线、支架与网体、网体与钢绞线的多重固定，提高了防风网的强度和稳定性。

图4 网体固定及安装

5 防风抑尘效果

为了总体评价防风网建成后的抑尘效果，对3站堆煤场防风网建网前与建网后的总悬浮颗粒物(TSP)和风速等进行了现场监测。根据监测结果分析，建网前堆煤场TSP浓度随风速的增加而增大，风速小于4.5 m/s时，TSP浓度随风速的增加不明显，风速大于4.5 m/s后，TSP浓度随风速的增加而迅速增大。建网后堆煤场TSP浓度相对建网前显著降低，由于堆煤场内风速减小，TSP浓度变化随风速的增加而变化的趋势不明显。通过对不同风速条件下的数据分析，计算出防风网的总体抑尘效率。各站、测点位总体抑尘效率在68.4%～ 91.8%的范围内，平均抑尘效率为80.1%，其中距网体45 m处抑尘效果最明显，抑尘效率超过90%，其次为15、30、60 m处抑尘效率在80%左右，60 m以远抑尘效率逐渐降低。

6 结论与讨论

6.1 结论

铁路堆煤场设网方式应结合车站装车规模的大小、投资等因素综合确定。对于跨越铁路股道处防风网的布置，应考虑铁路电气化及运营安全等条件，可采用网体整体断开的方式处理。断开处的防风网端应满足铁路限界要求，对于既有线施工，还必须考虑基础施工条件并采取防护措施。为了达到最佳的抑尘效果，网高应按照煤堆高度的1.5倍设计，为保证防风网顶端齐平，采用分段控制网高的方式。

从安全性、防风性能、安装便捷程度和后期维护等方面分析，柔性网体材料更加适用于高原地区铁路堆煤场防风网建设。上部支撑结构采用刚架结构，能够达到经济、简便且安全牢固的设计要求，风荷载按照承重结构进行计算；下部基础选择独立型重力基础能更好地适应地质条件，有利于地表水和地下水的排泄，有利于控制基础的沉降。

根据监测数据分析，各站、测点位总体抑尘效率在68.4%～ 91.8%，平均抑尘效率可达80.1%，其中距网体45 m 处抑尘效果最明显，抑尘效率超过90%，其次为15、30、60 m处抑尘效率在80%左右，60 m以远抑尘效率逐渐降低。

6.2 讨论

为进一步优化防风网设计，提高防风网使用年限，达到最优的防风抑尘效果，在今后的研究中，应开发耐紫外线、耐低温、温度适应范围广等适合高原气候特点、使用寿命长、具有最佳开孔率的柔性网材。

在高原地区进行防风网设计时，基本风压选取的合理性、适用性应慎重研究，由于该区域地广人稀，采用气象站观测资料或查设计规范时，如果距离项目所在区域较远，需要对采用的风压值进行验证。

本文防风网抑尘效果受监测条件、气候条件、时间、堆煤场周边地形等多种因素的限制，仅为初步分析结论，今后还应结合堆煤场防风网设计、实施选择限制条件少、监测条件便利的铁路堆煤场防风网进一步研究。

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DesignResearchofMeshedWindbreakUsedinRailwayCoalStorageYardinPlateauRegion

TIAN Dong

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， China Railway First Survey and Design Institute Group， Lanzhou 730000， China)

This paper took the erection of the meshed windbreak used in coal storage yard of Chaidaer-Muli Railway as an example. Based on analysis of relevant research results of meshed windbreak at home and abroad， this paper determined the meshed windbreak’s key technical parameters suitable for the railway coal storage yard in plateau regions. Then， by computer-aided design via software PKPM， the preliminary observation and analysis on the efficiency of dust suppression of the meshed windbreak was carried out in this paper. Then in this paper it is suggested that: (a) The type of the meshed windbreak should be determined based on a comprehensive consideration of various factors， such as station’s loading scale， project cost; and then when the meshed windbreak crossing above railway tracks， it is necessary to take account of the railway clearance limit， the footing’s construction condition， operation safety and so on. (b) The height of the meshed windbreak should be 1.5 times the height of coal pile， and should be controlled in sections when the terrain of the coal storage yard presents an undulating pattern. (c) It is necessary for the meshed windbreak structure to use flexible material， which should be easy to erect and should be with low maintenance cost and high security performance. (d) It is preferable for the upper supporting structure to use rigid frame accompanied by island footings below， so as to solve the problem of drainage of ground surface water and underground water. (e) According to relevant monitoring and analysis results， it is estimated that the efficiency of dust suppression of the meshed windbreak at different observation points will reach up to 68.4% to 91.8%， and the average efficiency of dust suppression will be 80.1%.

railway; plateau region; coal storage yard; design of meshed windbreak; efficiency of dust suppression

2014-09-23；

：2014-10-14

田 栋(1982—)，男，工程师，2007年毕业于西北农林科技大学水土保持与荒漠化防治专业，农学硕士，E-mail:tian_dong@163.com。

1004-2954(2014)06-0044-06

X513

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.06.011