摘要:研究目的:高速铁路沿线强风区间的确定及风险评估,关系到安全防灾监测布点的科学性和采集瞬时风速和风向数据的代表性及可靠性,为行车指挥控制系统提供较为合理的限速指令信息,或为启动应急预案提供决策依据,从而达到安全高效行车的目的研究结论:高速铁路沿线任意里程距轨面4m高处最大瞬时风速,2年一遇设计值V:max与10mim平均最大风速和30年一遇设计值V∞max其水平分布特征基本一致提出以高速铁路沿线任意里程,距轨面4m高处最大瞬时风速,2年一遇设计值v4:m缸为强风区间的确定主控因素,对于强风主风向与线路走向之间夹角以及高路堤和高架桥特大桥弯道强横风区间偏角<100区域,必须进行逐步优化利用基于最小二乘法的线性回归方程,对强风(阵风)系数进行计算后,发现方程的效果很好从而验证了高速铁路沿线强风区间安全防灾系统布点原则优化的科学性,以及采集瞬时风速和风向数据的代表性及可靠性为我国高速铁路强风区间布点方案优化和防风栅布设技术标准和规范的制定提供了科学依据

关键词:高速铁路沿线;强风区间;距轨面4.0m高度处;最大瞬时风速中图分类号:U238文献标识

我国高速铁路沿线强风区间的确定方法及风险评估.pdf

(2009C,027)作者简介:马淑红,1958年出生,女,教授

尽管我国高速铁路以桥代路的特点充分发挥了控制路基沉降节约土地降低工程造价保护环境的优势,但是也给高速铁路的防风减灾带来了挑战和研究难题为防患强风引起的高速铁路动车组倾覆翻车事故,铁道部发布了《京津城际铁路技术管理暂行办法》第170条动车组运行环境风速规定:在瞬时风速不大于15ms一时,动车组正常速度运行;瞬时风速不大于20.0ms"时,动车组限速300kmh~;瞬时风法国日本针对复杂地形风况进行流体模拟后能准确地预测13平均风速,计算13平均风速50年一遇设计值并确定强风区间但这一方法只适用于风力发电环境工程等特点的局部性领域,而对于高速铁路长距离线形领域存在无法精确掌握沿线任意里程强风事件的问题,因此不适宜高速铁路为了提高面临强风时高速铁路动车组行车的安全性,一方面执行以基本6要素气象传感器WXT520监测瞬时风速为根本的运行规则,另一方面为了保持动速不大于25.0ms一时,动车组限速200kmh~;车组高效运行的稳定性,在铁路沿线强风区间设置防瞬时风速不大于30.0ms1时,动车组限速120km风栅为达到既能确保安全性又能保持高效运行的两h~;瞬时风速大于30ms'1时,严禁动车组进入风区高速铁路动车组在强风天气下安全行车的对策是按照强风天气下,降低车速和设置防风栅降低强风强度来保证的如果以不同等级强风区间作为对象,按照一定的标准选定警戒区间,进行强风监测和防风栅设置的话,那么在强风区间内就可以确保动车组安全高效行车因此,对强风区间的确定方法进行探讨,计算出沿线任意里程最大瞬时风速的N年再现预期值(N是几年——几十年的适当期间),从而提出选定警戒的区间标准,便对动车组安全高效行车提供了科学的技术保障目前为止,国际主要先进经验有:日本通过利用一全良策,必须掌握沿线任意里程的风特征本研究提出了应用高速铁路沿线风监测技术气象学铁道工程技术数理统计与概率论相结合的方法,即沿线最大瞬时风速N年重现期设计值和强风主风向空间分布与点线结合的方法,确定沿线不同等级强风区间,以不同等级强风区间为对象,提出警戒区间标准,进行警戒区间强风的监测和防风栅设置依据该方法可以定量计算出沿线任意里程距轨面4.0m高处,最大瞬时风速N年重现期的设计值,确定不同等级强风警戒区间,当瞬时风速达到6.0ms叫时,即刻启动强风警报系统,预测高速铁路强风警戒区间任意里程瞬时风速,为行车指挥控制系统提供限速指令,或为启动应急预案提供决策依据定数量的风速计和流体模拟掌握铁路沿线的风况…该方法优点在于能确切地捕捉到监测点所发生的强风区间的风的强度,但如果强风发生在监测点以外,就存在着无法准确掌握风况的问题日本在发生倾覆翻车110.8强风区间确定方法概述强风定义:当风力达6级,瞬时风速达到≥ms1的风称为强风;当风力达8级,瞬时风速事故后,主要采取增加风速计设置防风栅对策近年达到I>17.0ms1的风称为大风横风定义:当线路 第3期马淑红程先东戈峰等:我国高速铁路沿线强风区间的确定方法及风险评估39走向与强风主风向垂直,即线路走向与强风主风向之间夹角在75一950范围内称为横风从国内外列车倾覆的经验来看,强横风条件下高速列车的最大危险不是平均风速,而是3s短时特强阵风,即瞬时风速达到倾覆}临界风速因此,本文研究的目的就是计算出高速铁路沿线任意里程,距轨面自动气象站和100个防风安全监控监测站近lO年

(2001~2009年)风向和风速资料,进行信息化和规范化旧q1整编计算出沿线V:,V;∞一全年瞬时风速≥10.8ms"的强风出现频率以及寒潮强风出现频率雷雨强风出现频率,绘制全年强风玫瑰图寒潮强风玫瑰图雷雨强风玫瑰图四季强风玫瑰图,以164.0m高度处最大瞬时风速,2年一遇设计值(以下简方位强风玫瑰图确定沿线强风主风向,定量分析沿线称为V:;)和沿线距轨面4.0m高度处最大风速,30年一遇设计值(以下简称为V,max),并与动车组限速阈值和倾覆临界风速防风栅设计风速的各个值进行风险评估,确定沿线强风的预警区间但是,仅用数值模拟的方法很难直接求出任意里程最大瞬时风速N年重现期设计值所以提出工程气象学的方法,即将高速铁路沿线最大风速强风主风向空间分布与点线结合,对沿线最大风速时距订正K.,路堤桥高增速订正K:,地形因子订正K,以此可以求得沿线任意里程距轨面4.0m高度处最大瞬时风速2年一遇设计值V:,,并与动车组倾覆临界风速进行对比分析,这种方法可以涵盖沿线近40年来强侧风和横风对动车组安全高效行车最大风险我国高速铁路沿线强风预警区间的确定方法,主要以工程气象学为依据其中气流分析采用16方位强风玫瑰图确定主风向,以强风主风向定量分析气流空间特征,强风区间确定流程如图1所示气流变化特征,如图2所示(a)北京路段全年强风玫瑰图风监测技术气流模式高速铁路洞线基本I妻蕊鍪受辱籍专嚣ll瞬时风速主风向ll毒譬燃K2l}I咩风糸致'~8翳照乎譬煮擘要I厂面万赢高速铁路里程任意路段2年一遇最大瞬时风速V(b)十三间房路段全年强风玫瑰图图2高速铁路沿线全年强风玫瑰图2.2气象模式图1高速铁路强风区间确定方法流程图所谓的气象模型就是把研究对象领域划分为经度纬度和高度的"三维地带"概念,以三维的坐标轴2高速铁路沿线任意里程最大瞬时风速的重现期设计值2.1最大风速风向资料信息化规范化整理在工程气象模型的初始条件和临界条件中,以全国738个基本气象站,近40年