沙漠铁路轨道结构选型及参数优化研究

刘永红

(兰州铁道设计院有限公司, 兰州　730000)



沙漠铁路轨道结构选型及参数优化研究

刘永红

(兰州铁道设计院有限公司, 兰州730000)

摘要：针对沙漠地区有砟轨道结构存在的沙害问题严重现象,对典型沙害成因进行研究分析；根据典型沙害成因提出一种适用于沙漠地区铁路的改进型双块式无砟轨道结构形式,并对新型双块式无砟轨道结构参数进行优化分析；既有沙漠铁路积沙严重的主要原因是有砟道床表面粗糙度过大导致沙粒的沉积；采用无砟轨道结构形式的线路,在保证列车运行安全的前提下,其走向宜与当地主风向垂直；基于利用自然风排沙及经济方面的综合考虑,相邻轨枕、道床板组成的U形槽的宽高比宜为2。

关键词：沙漠铁路；轨道沙害；轨道结构选型；轨道结构参数优化

我国沙漠主要分布在西北部地区，这些地区蕴藏着大量的煤、石油、铁矿等矿产资源[1]。随着我国经济的不断发展，这些矿产资源必须通过铁路运往全国各地，铁路线路不可避免地需要通向甚至是穿越沙漠。在强风作用下，沙粒处于持续不断地运动、堆积状态，导致轨道结构内部沙害严重，对列车的正常安全运行产生巨大威胁[2-4]。

对沙漠地区线路，目前我国通常采用普通有砟轨道，辅以植被、石被及防沙明洞等防沙、治沙措施[5-7]，但往往代价很高且效果不够理想。为减少沙粒的流动、堆积对沙漠铁路的影响，降低防沙、治沙成本，本文基于轨道沙害的成因分析，对沙漠铁路轨道结构选型及参数优化进行了研究，为减弱沙漠铁路沙害提供了一种有效、易行的新途径。

1轨道沙害主要类型及影响

沙漠铁路采用普通有砟轨道，轨道沙害严重，常见病害有风蚀轨道、轨道积沙[8]，如图1、图2所示。

图1　风蚀轨道

图2　轨道积沙

现场调研表明，轨道积沙是最普遍、危害最严重的轨道沙害，因此，主要研究轨道积沙病害对轨道结构及运营维护的影响。

根据积沙状况及危害程度，将轨道沙害分为3级，如表1所示。据统计，目前我国已投入运营的沙漠铁路中，轨道沙害等级为一级的地段高达1 500 km。

表1　轨道沙害分级

运营经验表明，一级沙害严重程度与轨道积沙的厚度和长度有关，积沙厚度超过轨面20 cm、长度超过2 m为临界值，超出此范围极易造成列车脱轨事故。

通常情况下，道床积沙后，松散、细小的沙粒随着列车通过时产生的振动，透过道砟空隙向下渗落，逐渐聚积在道床底部，填充在道砟缝隙中，将轨枕及钢轨抬高，产生拱道现象。根据现场调研情况，拱道一般可使轨道抬高几毫米，严重时可达数十毫米，导致轨道结构几何形位严重超限，也易造成脱轨、车钩折断等事故。轨道积沙后，还将降低道床弹性，增加养护维修工作量。

目前，对轨道沙害主要采取人工清理，如图3所示，往往需耗费大量的人力、物力、财力。以临策铁路为例，2010年开通至2012年，已经累计投入防沙、治沙资金1.2亿元，而治理效果却不明显。

图3　人工清理积沙

2轨道积沙成因分析

我国沙漠的矿物成分90%以上为石英、长石等轻矿物质，以0.05～0.25 mm的细沙为主，平均含量占79.61%，最高含量达97.73%；粒径为0.25～0.5 mm的中砂，平均占11.68%；粒径小于0.05 mm的细沙，平均占7.65%；粒径大于0.5 mm的粗砂，平均只有0.98%[9]。沙粒流动的直接影响因素是风，中科院兰州沙漠所在新疆莎车观测得到的沙粒粒径与起动风速值见表2。

表2　沙粒粒径与起动风速值

注：表中沙粒起动风速为离地面2 m高处风速。

由表2可知，小粒径沙粒在风力达到三级时即开始流动，即使较大的沙粒，风力达到四级时也会开始流动。我国境内的沙漠受西北、东北季风影响，风力强大、风沙频繁，风季平均风力达5～6级，且我国沙漠中0.10～0.25 mm的小沙粒居多，沙粒的流动很频繁。根据拜格诺[10]的研究成果，在风力的作用下，沙粒在空中“跃移运动”，与地面碰撞后将水平速度转变为向上的速度，呈抛物线状向前跃移。有砟轨道碎石道床道砟砟面呈不规则的角度倾斜，跃移的沙粒与道砟碰撞后，一部分反弹出去，一部分留在道砟缝隙中。留在道砟缝隙中的沙粒，在列车的持续振动下，填满道砟缝隙，最终在道床顶部形成松散的沙堆。在大风继续作用下，外来沙粒撞击道床表面松散的沙堆，形成一个小小的洞穴，同时将其他的沙粒撞飞到空中，由于撞击本身已经消耗了一部分能量，被撞飞的沙粒飞的很低，多数最终仍落在道床上，形成更大的沙堆。

表面粗糙的砟面为轨道沙害创造了有利的内在条件，风速为轨道沙害形成的外部条件。故风速和道床表面粗糙度是决定轨道沙害严重程度的最主要原因。根据波朗特的研究成果，给定高度的风速(v)与粗糙度之间的关系可用下式表示

式中，V*为摩阻流速，与流体在界面上产生的剪应力及其密度有关；z为距地表高度；k为粗糙度常数。

为便于观察给定高度风速与粗糙度的关系，假定V*=1，分别计算距地表50、100 mm高处，粗糙度0.1～50 mm时的风速，结果如图4所示。

图4　风速随粗糙度的变化规律

由图4可知，风速与高度与粗糙度比值的对数呈正比，即研究对象的表面越光滑，其上部的风速越大，沙粒也越容易流动。有砟道床的粗糙度约为沙粒粗糙度的200～500倍，因此落在有砟道床上的沙粒不易流动，并逐步形成轨道积沙病害。

3轨道选型及参数优化研究

由轨道积沙成因分析可知，道床表面粗糙度常数越大，越容易出现积沙。无砟轨道表面光滑，其道床的粗糙度远小于有砟道床，轨道积沙的可能性也远小于有砟道床。因此，推荐沙漠铁路采用无砟轨道结构形式。

对沙漠有砟轨道，由于有砟道床粗糙度大于沙粒表面粗糙度，大风会导致积沙病害的出现；但对于无砟轨道，通过控制施工质量，可使道床表面粗糙度小于沙粒表面的粗糙度，大风会使沙粒运动到道床上，但也会起到排沙作用，使道床积沙无法形成规模。

沙漠铁路线路通常可认为受垂直(或平行)于线路方向的自然风影响、列车风的影响及列车风与自然风相互叠加的影响，几种情况风的作用效果分别如图5～图7及表3所示。

图5　自然风垂直于线路

图6　自然风平行于线路

图7　列车风

自然风列车风相对关系矢量图→→同向→←→反向→↑→垂直↗↗→同向斜交↗↙→反向斜交↘

由图5～图7及表3可知：线路与主风向垂直时，排沙效果较好；线路与主风向平行时，轨枕上表面沙粒被吹落至通道中，受风力大小的影响，只有部分沙粒沿预设通道向两侧排出，排沙效果略差。目前我国沙漠地区有砟轨道铁路选线通常会尽可能与当地风向平行，但对于无砟轨道结构线路，建议在满足列车运行安全的情况下，线路走向与当地主风向尽量垂直。

有砟轨道在捣固、清筛、补充道砟后，钢轨与道砟之间空间过小，沙粒在此填充、密实，完全堵塞钢轨和道砟之间的缝隙，使钢轨成为一道挡沙墙，沙粒淤积在整个轨道上(图1)；对于钢轨与道砟间空间较大的地段，迎风侧完全没有积沙，另一侧积沙严重(图2)。因此，对无砟轨道结构，可以通过增大钢轨底部至道床板的距离来降低沙粒在道床上堆积的概率。

为研究钢轨底部至道床板的合理距离，采用流体力学中关于矩形管道断面流量的计算方法

式中，a为矩形断面宽；b为矩形断面高；Δp为压差；u为动力黏度；l为管道长度。

假定a=1，a/b的值为1～10，其余项均为常数1，计算Q值，绘制矩形断面流量图，如图8所示。

图8　流量随宽高比的变化规律

一般情况下，由轨枕、轨底及道床板围成的矩形通道截面尺寸为0.4 m×0.1 m，宽高比为4，对应的流量为0.07 m/s2；如将轨底至道床板的距离增加至0.2 m，则宽高比为2，对应的流量为0.33 m/s2，距离增加1倍，流量增加3.71倍，增幅明显。理论上，当宽高比为1时，流量最大，但若将轨底至道床板的距离增加至0.4 m，考虑轨枕埋入道床板的深度，轨枕高度约0.5 m，难以维持轨枕自身的稳定。因此，从经济的角度考虑，将通道的宽高比设为2较为合理。

据此得到适用于沙漠地区的无砟轨道结构设计形式：采用改进的双块式轨枕形式。主要改进的措施如下：

(1)提高双块式轨枕的高度，确保钢轨底面高于道床板200 mm；

(2)将对应的轨枕块间用素混凝土浇筑为一体，

与道床板形成U形槽，作为风沙通道，但为避免沿线路纵向风导致道床板U形槽内积沙，联接部分高出道床板的高度应控制在50 mm以内。

所设计的适用于沙漠地区的改进型双块式无砟轨道结构如图9所示。

图9　改进型双块式无砟轨道结构设计

4结论

结合目前我国沙漠铁路现状及主要沙害形态，对典型沙害成因进行了研究分析，并根据病害成因提出了一种适用于沙漠地区铁路的改进型双块式无砟轨道结构形式，并对轨道结构参数优化进行了分析研究，主要结论及建议如下：

(1)沙漠铁路采用普通有砟轨道沙害严重，采用无砟轨道可有效缓解沙害的影响；

(2)有砟道床积沙病害严重主要是由有砟道床的粗糙度过大引起沙粒不易流动导致的；

(3)采用无砟轨道结构形式的线路，在满足列车运行安全的条件下，其走向宜与当地主风向尽量垂直；

(4) 基于排沙及经济方面的综合考虑，相邻轨枕、道床板组成的U形槽的宽高比宜为2。

参考文献：

[1]中铁工程设计咨询集团有限公司.临策铁路流动沙丘段防沙结构研究[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2010.

[2]李顺平，蒋富强，薛春晓，石龙.青藏铁路格拉段沙害现场调查及防治研究[J].铁道工程学报，2014(5)：1-5.

[3]苗晓雯.青藏铁路格拉段风沙路基防治措施[J].铁道建筑，2008(5)：78-80.

[4]钱征字.中国沙漠铁路的风沙危害及其防治技术[J].中国铁路，2003(10)：24-26.

[5]王国联，张道金.临策铁路天鹅湖至额济纳段线路及防沙工程方案研究[J].铁道标准设计，2011(4)：1-5.

[6]张道金.临策铁路防沙明洞与风沙流相互作用效果分析[J].铁道标准设计，2013(11)：31-33.

[7]王云光.临策铁路路基沙害防治技术[J].路基工程，2008(1)：163-165.

[8]刘辉，朱生宪，杨有海.太中银铁路沙害现状调查及防治原则探讨[J].铁道标准设计，2012(10)：8-11.

[9]朱震达.中国沙漠、沙漠化、荒漠化及其治理对策[M].北京：中国环境科学出版社，1999.

[10]R.A.拜格诺.风沙和荒漠沙丘物理学[M].钱宁，林秉南，译.北京：科学出版社，1959.

The Selection of Track Structure and Parameter Optimization for Desert RailwayLiu Yong-hong

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

Abstract：Aimed at the serious sand calamity on ballast track structure, the causes of typical sand calamity are analyzed. A modified track structure of double-block ballastless track is then proposed accordingly, and the structure parameters of modified double-block ballastless track are optimized. The deposit of sand caused by high surface roughness of ballast bed is blamed to be the main reason for serious sand calamity on ballast track of desert railways. The desert railway with ballastless track structure, which is likely to be perpendicular to the main wind direction of the local area, ensures, as a premise, the safety of train operation. The ratio of width to height of the U-shaped slot formed by the adjacent sleeper and roadbed slab should be 2 in consideration of sand prevention by natural wind and economic cost.

Key words：Desert railway; Sand calamity; Selection of track structure; Track structure parameter optimization

中图分类号：U213.2+4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.002

文章编号：1004-2954(2015)02-0006-03

作者简介：刘永红(1973—)，男，工程师，工学学士，E-mail:737827542@qq.com。

收稿日期：2014-11-10； 2014-11-21