兰新高铁挡风墙区段风监测系统研究及应用

摘  要：兰新高铁工程设计中在风区路基地段迎风侧设置有挡风墙，以减弱大风对运行动车的影响。为减少挡风墙产生的风流场紊乱现象对风监测数据的影响，分析距离挡风墙区域不同空间下的风速变化规律，确定风监测系统风速计距离挡风墙的距离。同时通过对国内现有风速计和测风塔的设备参数比选和现场试验方式，解决当地环境下的设备适應性问题。

关键词：高铁;风区;风监测;挡风墙;距离;风速计;测风塔

中图分类号：TP277       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）03-0116-04

Abstract：In the design of Lanxin high speed railway project，windbreak wall is set up in the windward measurement of subgrade section in the wind area to reduce the impact of strong wind on the running motor car. In order to reduce the influence of the wind flow field disorder on the wind monitoring data，the wind speed change rule in different space from the wind retaining wall area is analyzed，and the distance between the anemometer of the wind monitoring system and the wind retaining wall is determined. At the same time，the paper compares and selects the equipment parameters of the existing anemometer and the wind tower in China，and solves the problem of equipment adaptability in the local environment.

Keywords：high speed railway;wind area;wind monitoring;windbreak wall;distance;anemometer;wind tower

0  引  言

高铁灾害监测系统可以保证铁路行车安全，对危及列车运行安全的自然灾害等突发事件进行实时监测，实现监测信息分布获取、集中管理、综合运用，全面掌握灾害动态，提供及时准确的灾害报警和预警功能，防止或减轻因灾害引发的损失，避免次生灾害，是高速铁路不可缺少的重要技术保障。[1，2]

其中风监测系统在高速铁路中已得到广泛的应用，并已有相关的设计规范。但由于兰新高铁地处我国大风灾害最为严重的地区，同时工程建设中首次采取了挡风墙等多种防风措施，现有高铁风监测技术无法直接应用在工程建设中。因此需要结合沿线自然环境和既有风监测技术和风区的防风设施等因素，解决兰新高铁挡风墙区段风监测系统遇到的各种新问题。[3-5]

1  路基地段风速计距挡风墙的距离

为了确保兰新高铁在风区大风环境中的安全运营，采用以下措施：一是在风区为保证列车运行途径大风区段时能维持较高的运行速度，在迎风测安装防侧风屏障;二是根据沿线风速监测报警系统信息，将车速降至比较合适的运行速度或者停车等，确保行车安全。其中风监测系统为精准、实时监测高铁沿线风速风向的唯一手段，为高速铁路提供不同等级风速报警信息，以确保行车安全。[6]

但由于在风区路基地段设有挡风墙，安装在挡风墙后端接触网杆上的风速计处于风流场紊乱区域，其监测数据无法反映现场风速值，因此需要将风速计设置在挡风墙外侧。因此合理确定大风监测点距挡风墙间的距离，是保证大风监测点真实反映铁路沿线风场情况。

1.1  挡风墙对大风的阻挡初步分析

基于空气流动理论分析，挡风墙两侧风速场的风场分布属于典型的钝体绕流，在平顺的路堤地段，气流均为十分规律的水平流动。

当遇到路堤，由于路堤对风流的阻滞作用，气流通过面积减小，根据单位时间流量Q=vS可知，当Q一定时，流速v与通过面积S成反比，因此在路堤上方气流加速，且越靠近路基，加速效应越明显;同时在路堤的背风侧，由于气流从上方流过，对下方气流形成了一个抽空作用，导致挡风墙背风侧形成漩涡，从而造成路堤背风侧流场湍流现象十分复杂，风流特征如图1所示。[7，8]

1.2  路基地段挡风墙数据建模研究

根据兰新高铁风区路基地段典型挡风墙设计（如图2所示），选取挡风墙高度分别为3.5 m、3.8 m、4.0 m和4.2 m进行对比分析，来流风速为30 m/s（标准高度处风速）。[9-12]

挡风墙区域风速计算区域选取主要因素为：在高度方向上，流场应当充分发展，故选取150 m;线路应当远离入口边界，防止干扰入口风速，故铁路线距离入口为120 m，风屏障后考虑涡流影响，因此，选取流域总宽度为420 m;考虑其三维效应，采用在纵向拉伸一定厚度的建模方式，取厚度AE（L）为4 m。

1.3  路基地段挡风墙数据模型风速变化情况

根据该模型经计算得到线路附近不同位置处沿高度方向上的速度曲线图、不同高度挡风墙下水平位置的v/v0分布图和挡风墙前不同水平位置测点的速度结果如图3所示。

1.4  路基地段挡风墙前风速变化分析

通过对以上的数据分析可得路基地段挡风墙前速度变化情况：

（1）不同挡风墙高度下，在挡风墙前，风速变化规律基本相同：受到挡风墙的影响，当气流逐渐靠近挡风墙时，速度逐渐降低，且挡风墙越高，减小得越快;当气流到达挡风墙前时，速度降至最低，随后气流被迫抬升，形成加速，从而在挡风墙正上方出现一个极值点风速，接着受到挡风墙的遮蔽作用，气流速度迅速减小。

（2）据挡风墙前10 m处气流变化已趋于平稳，无紊乱产生。距离挡风墙越远、高度越高，越受挡风墙影响越小。

1.5  路基地段风速计距挡风墙的距离

根据路基地段挡风墙前风速变化情况并结合工程设计，路基地段风速计距挡风墙的距离按照下面原则设计[13，14]：受铁路用地界以及测风塔基础大小限制，测风塔不能安装到离挡风墙较远的位置。结合现场路基结构、排水沟构成以及综合接地设施设置情况，经多方面分析论证，实验认为测风塔距挡风墙15 m处时挡风墙受大风影响非常小，可满足工程建设和大风监测。

2  风区风速计选择

兰新高铁横穿的风区内存在风沙侵蚀严重、昼夜温差变化大、天气变化极端等恶劣自然环境，为确保设备在任何环境下可正确测试沿线风速、设备可靠耐用，对风速计选型提出了极为苛刻的要求。

2.1  风速计类型

目前在风区使用风速计的行业主要为气象、铁路、风力发电、石油等，其选用的风速计类型主要为机械式、热场式和超声式。[15]

2.2  风速计关键参数分析

对这三种不同原理风速计关键参数进行对比分析，内容详见表1。

根据上述关键参数表，超声式风速仪风速精度高于热场式和机械式，数据更新頻率高于机械式;其测量精度高于机械式，与热场式基本一致。

2.3  风速计现场试验测试

由于高铁风监测系统首次在内陆风区使用，需要在现场对三种不同测量原理的风速计进行试验，试验地点选在烟墩风区。经过一年以上的观察试验，风速计对比结果如表2所示。

2.4  风速计选择结论

根据风速计关键参数比选、现场设备试验和数据对比分析，在兰新高铁设计中采用超声速风速计可以满足设备可靠性、减少维护维修等要求。

3  风区测风塔选型

按照铁路高铁设计规范，风速计需要安装在接触网杆上。但是兰新高铁迎风侧设置有挡风墙，接触网挡处于风墙产生的风流场紊乱区域，因此无法将风速计安装在接触网上，需要在距离挡风墙15米处设置测风塔安装风速计。

3.1  测风塔选型

兰新高铁风区沿线风电站、气象观测站等处主要使用三种不同类型的测风塔有：三角自立塔、三角拉线塔和四角自立塔。结合兰新高铁建设的特点对测风塔类型进行对比分析。[16]

从表3对比优缺点分析，兰新客工程设计中专选用三角拉线塔作为测风塔，其主要优点如下：

（1）三角拉线塔塔型随风荷载曲线变化设计，线条流畅，遇到罕遇风灾不易倒塌，安全系数高，设计符合国家钢结构设计规范和塔桅设计规程，结构安全可靠。

（2）塔柱为正三角形，可大大节约钢材，塔基占地面积小，可有效节约土地资源，造价低廉。

（3）选址便利，塔身自重轻，运输和安装便捷、建设工期短。

4  结  论

兰新高铁挡风墙区段风监测系统研究过程，通过建模分析、设备选型、现场试验、设备原理分析等多种手段，为高铁首次横穿风区解决了风监测系统在设计、建设和运营中遇到的困难，同时也为类似项目建设提供了解决问题的方法和思路。兰新高铁自2014年全线贯通运行至今，风监测系统经过5年的运营，该系统仍可实时、精准、稳定地监测铁路沿线风速变化情况，为铁路调度人员提供铁路沿线风速数据，为大风天气行车指挥提供可靠依据。

而兰新高铁在风监测系统与线路防风工程的双重保护下，将高铁受自然灾害的影响降低到最小，达到“不停轮、少限速、少养护、保安全”目标，在两省一区形成一条新的大能力快速铁路通道，共享高铁时代发展的新机遇。

参考文献：

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作者简介：董鹏乐（1984-），男，汉族，陕西扶风人，本科，工程师，研究方向：铁路通信、信息及灾害监测系统。