浅谈路基防风工程的研究认识

聂犇

（武汉铁四院工程咨询有限公司，武汉430063）

浅谈路基防风工程的研究认识

聂犇

（武汉铁四院工程咨询有限公司，武汉430063）

新建兰新高铁是我国第一条穿越新疆大风区的高速客运铁路，防风效果是兰新高铁建设及运营安全的控制性因素。在对大风观测、实验研究及既有线挡风墙的观测基础上，结合理论分析、数值模拟计算及风洞试验的研究成果，同时结合挡风墙的设计思路，让我们对挡风墙的设计有一个明确的认识。

路基;挡风墙;高速铁路;风压

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

1 引言

全长1700km的兰新高铁有700余km位于新疆境内，主要通过五大风区，分别是安西、烟墩、百里、三十里及达坂城风区。全线有近1/3的线路位于五大风区中。

风区内人烟稀少，自然环境恶劣，是我国铁路风灾最为严重的地区。已建成的兰新铁路自运营以来，因大风导致的倾覆、脱轨事故就有30余起，造成的列车停运、轨道积沙、接触网受流不稳等问题更是十分普遍。

因此，研究及设计风区的防风工程对保证兰新高铁在大风条件下安全运营具有极为重要的作用。

2 沿线大风区特征及工程分区

2.1 大风地区的主要特点

从目前掌握的资料看，新疆境内风区特点主要为季节性强、风期长、速度大、速度变化快及风向稳定。

2.2 防风工程分区

防风工程主要分为5区，分别是大风极少区（Ⅰ区）、大风低发区（Ⅱ区）、大风一般区（Ⅲ区）、大风易发区（Ⅳ区）和大风频繁区（Ⅴ区）。

3 路基防风技术研究

3.1 路基防风工程研究的主要内容

目前，国内许多学者对风区普速铁路挡风墙的高度的最适值[1-3]及不同挡风墙的挡风效果[4]做了许多研究及观测，但是对于预留350km/h速度的兰新铁路第二双线高速铁路挡风墙的研究目前还不是很多，因此2009年11月，在搜集国内外资料的基础上，铁道第一勘察设计院（以下简称“铁一院”）与中南大学合作展开《兰新第二双线路基防风数值分析研究》，开展大风区条件下，风、车、路、挡风墙等耦合空气动力特性和列车安全运行的计算研究。

研究采用理论分析、数值模拟计算、优化设计相结合的方法开展研究。以数值模拟计算为主，对无防风设施动车组气动特性、设防风设施后动车组气动特性等进行数值计算，以此为基础进行挡风墙墙形、位置和高度的优化研究。

在路基防风数值分析研究的基础上，铁一院还与中南大学进一步合作展开《兰新第二双线路基防风技术风洞实验研究及动模型实验研究》的研究。通过风洞试验，验证、修正了模拟计算结论，同时还利用中南大学的列车空气动力特性动模型试验系统，对项目要求的不同挡风墙形式和列车单车、交会工况下，其结构与列车模型表面压力波传播规律、出口微压波变化进行测试与分析，得出列车高速运行及不同防风结构的气动力特性，为兰新第二双线路基防风工程的实施提供依据。

3.2 路基防风工程研究的初步结果

3.2.1 无防风设施条件下列车气动性能研究

列车在无防风设施条件下以不同的速度在不同高度的路基上运行时，列车受到的倾覆力矩与路基高度的变化规律基本一致，从车头到车尾所受力矩依次减小。同时列车受到的倾覆力矩随行驶速度增大而增大；对于一、二线上运行的列车所受倾覆力矩基本一致，但都随路基高度减小而减少；在运行条件相同的情况下，倾覆力矩也会随着风速的减小而减小。

3.2.2 挡风墙合理位置研究

研究初步结果表明：列车以350km/h速度运行，横向风速为60m/s时，无论是6.1m、5.7m，还是5.3m高的挡风墙，位于一、二线的列车所受倾覆力矩从头到尾依次增大；然而，对于列车所受气动力平均最小的是挡墙高度为5.7m的时候，此时，一、二线列车的气动性能相对最佳。

3.2.3 挡风墙合理高度计算研究

经过数值分析，结合列车运行标准的综合考虑，同时也要考虑挡风墙的防沙作用，为确保列车安全运行，挡风墙高度的设置主要如下：

1）路堑

路堑深度≥5m时，挡风墙高度不小于2.0m，设置在堑顶处，环境风速不超过45m/s。

2m＜路堑深度≤5m时，宜在堑顶设置高度不小于3.0m的挡风墙，环境风速不超过45m/s。

路堑深度≤2m时，宜在堑顶设置高度不小于3.5m的挡风墙，环境风速不超过45m/s。

2）路堤

路堤高度≤3m时，宜在路肩设置高度不小于4.0m高的挡风墙，环境风速不超过45m/s。

3m＜路堤高度≤5m时，宜在路肩设置高度不小于4.0m高的挡风墙，环境风速不超过45m/s。

5m＜路堤高度≤7m时，宜在路肩设置高度不小于3.5m高的挡风墙，环境风速不超过40m/s。

路堤高度≥7m时，一般采用半封闭或者封闭结构，外界风速小于50m/s。如果只有迎风侧设置挡风墙，外界风速小于35m/s。

路堤高度、环境风速直接影响路堤挡风墙的效果。对于列车气动性能，路堤高度越高，风的增速效应就会越明显，挡风墙所能防护的环境风速就越低。处于相同环境下的路堤，风速增大时，3.5m高的挡风墙防风效果要低于4.0m高的挡风墙，但墙高如果大于4m，就会在二线产生负压。墙高大于4.0m时挡风墙加高意义不大。所以，对于路堤段落，在仅考虑列车倾覆力矩时，挡风墙的高度为3.5～4m。

4 挡风墙结构设计

4.1 风荷载的确定

挡风墙所受的荷载主要为：水平风力（F）及抗力、挡风墙自身重力（G）、所受地基反力（P）。我们比较容易确定挡风墙自身重力及地基反力、水平抗力，如何确定水平风力是确定挡风墙结构的重要因素。风向和风速指标目前可由气象部门提供资料，但如何将风速转换成风力，是挡风墙设计的重点。中科院寒区旱区环境与工程研究所通过试验[5]研究，得出了风速与风力的转换公式，具体如下：

式中，F为水平风力，kN；A为受风面积，m2；ρ为空气密度，取1.247kg/m3；Cd为阻力系数，取0.62；V为风速，m/s。

地形平坦情况下，当均匀的风速遇到障碍物时，风速将重新分布（见图1）。最底部为0，顶端为无障碍物时的风速，风速随高度的变化函数为

式中，u为摩阻速度；z为挡风墙高度，mm；k为地表粗糙度，一般取地表砂砾平均直径的1/20～1/30倍，地表以圆砾土为主时取0.4mm。

图1 风速—高度关系

挡风墙的倾覆力矩：

式中，l为挡风墙长度，计算时取1m；h为挡风墙的高度（m）；f(z)为风压、风速函数。

风力作用点高度H为

挡风墙所受的力（F）为

实际上，位于高填方路肩上的挡风墙，风力作用会受沿路堤边坡而上，影响墙面下部，因此将挡风墙所受的风压看作沿墙高均匀分布。

另外，挡风墙上所受的风荷载也可以采用《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）中的风荷载公式：

式中，W为风荷载强度，Pa；W0为基本风压值，Pa，其中W0=1/ 1.6v2；k1为风载体形系数；k2为风压高度变化系数；k3为地形、地理条件系数。

4.2 反方向荷载检算

反方向荷载检算时，风速取20.7m/s。

4.3 地基反力的计算

由于悬臂式挡风墙立柱犹如一悬臂式挡墙，为防止因基底承载力不足而造成的挡风墙倾覆，对基底地基承载力也有一定的要求。

地基反力计算公式为

式中，e为地基基础的偏心距，e=M/(F+G)；G为基础及其台阶上填土的总重。

对于悬臂式挡风墙，设计时除考虑挡风墙自身的结构外，还应满足挡风墙的抗倾覆安全系数K0≥1.5，抗滑移安全系数Kc≥

1.3 的要求。

对于柱板式挡风墙，其挡风立柱锚固端长度应根据《铁路路基支挡结构设计规范》（GB 50010—2010）相关规定计算确定。

4.4 结构配筋

在确定好挡风墙结构尺寸后，根据《混凝土结构设计规范》、进行挡风墙各部位的配筋计算。

5 结语

一直以来，对高速铁路挡风墙的研究一直处于空白阶段，得益于兰新二线高速铁路的建设，铁道部专门成立专项基金对其研究。通过理论分析、数值模拟计算及风洞试验的研究成果，同时结合挡风墙的设计思路，让我们对挡风墙的设计有一个明确的认识，对高速铁路挡风墙的设计起着借鉴作用。

【1】王厚雄，高注，王蜀东.挡风墙高度的研究[J].中国铁道科学，1990,11 (1):14-22

【2】刘凤化.不同类型挡风墙对类车运行安全防护效果的影响[J].中南大学学报（自然科学版），2006,37(1):176-182.

【3】高广军，段丽丽.单线路堤上挡风墙高度研究[J].中南大学学报（自然科学版），2011,42(1):254-258.

【4】李荧.兰新线百里风区不同型式挡风墙防风效果评估[J].铁道技术监督，2011，40(1):34-37,42.

【5】铁道第一勘察设计院，西南交通大学风工程试验研究中心，中南大学高速列车研究中心，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所.兰新线百里风区防风工程试验研究阶段成果报告[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

聂犇（1984～），男，江西南昌人，工程师，从事铁路路基设计咨询与研究。