兰新铁路既有防风设施薄弱地段的分析及改造

1研究背景

为保证列车安全运行和提高运输能力，多年来乌鲁木齐铁路局投入了大量人力、物力，取得了多项研究成果，建立了大风监测系统，修建了防风沙工程，制定了《大风天气列车安全运行办法》，初步形成了防风安全运输体系。自20世纪80年代开始，在风区修建挡风墙，以保障大风环境下的行车安全。截至2004年初，兰新铁路“百里风区”形成了由挡风墙和路堑等组成的连续防风工程。鉴于兰新铁路特殊的地形条件，考虑工程量、造价等诸多因素，防风设施建设因地制宜、就地取材，例如土堤式和混凝土枕直插式挡风墙等。由于没有对不同形式的挡风墙防风效果进行科学试验评价，风区行车办法科学依据不足。在保障列车运行安全基础上，为实现运输效能最大化，要求不同形式防风设施的防风效果基本一致，即整段线路防风能力均衡，如果其中某一地段防风设施的防风效果薄弱，将会影响整个区段列车安全运行速度的提高，从而影响运输效率。

2008-2011年，针对新疆铁路现有常用车型，在不同形式防风设施、不同风速、不同运行速度下的运行安全性进行了研究。研究内容包括现场实车运行试验、现场地面测试、实地观测取证、实验室模拟实验、数值计算和理论分析等。通过试验和研究，找出既有防风设施的不足和薄弱点，为修订乌鲁木齐铁路局《大风天气列车安全运行办法》和对防风设施的补强改造，提供了科学依据。

2既有防风设施薄弱地段分析

通过数值计算、列车空气动力学实车试验、车辆动力学试验和挡风墙前后风速分布现场试验等，分析在既有防风设施和大风条件下的列车气动性能和速度分布，找出既有防风设施的薄弱环节，有针对性地提出改造措施。

2.1列车气动性能数值计算分析

对单层客车，双层客车、单层集装箱车、双层集装箱车、棚车、敞车等9种车型在不同路况、不同形式挡风墙、不同风速条件下的列车气动性能和稳定性进行数值计算分析。为比较挡风墙防风效果，选取风速为60m/s、2.4m高挡风墙（距轨面），对平地上（桥高选3m）单层客车的气动倾覆力矩计算结果进行分析。图1为不同形式挡风墙条件下的单层客车气动倾覆力矩随侧滑角的变化曲线，从图中可知，土堤式挡风墙的车辆倾覆力矩最大，为正值（即背离挡风墙侧倾覆），其他形式挡风墙的车辆倾覆力矩大部分为负值（即往挡风墙侧倾覆），防风效果较好，其差别不大。

2.2列车气动性能实车试验分析

2009年3-6月，在兰新线“百里风区”进行了大风环境下列车空气动力学综合试验，对单层客车、双层客车、单层集装箱车、双层集装箱车、棚车、敞车的空气动力学性能和动力学指标进行了实车运行测试，试验中瞬时最高风速达到51m/s，试验列车运行速度最高达到120km/h。根据测试结果，找出空气动力学性能和动力学指标较大值的对应线路位置。在“百里风区”有挡风墙区段，不同车型的空气动力学指标最大值出现位置见表1。根据最大值出现的里程对应现场地形观测发现，空气动力学性能指标较大值主要出现在路堑与挡风墙、不同形式挡风墙之间过渡段，以及土堤式挡风墙地段，动力学指标最大值出现位置也基本相同。

2.3挡风墙前后风速分布现场测试分析

2010年4-5月，在兰新线“百里风区”进行了挡风墙空气动力学地面试验，就对拉式和对拉式加高、混凝土板式、混凝土枕直插式、土堤式及桥式挡风墙表面压力分布和前后风速分布、桥上挡风墙振动加速度和绳索拉力进行了测试。不同挡风墙的典型高度测点风速系数测试结果见表2（风速系数CN-Wb/wq，其中W，为挡风墙后风速，Wa为挡风墙前的来流速度）。从测试结果可知，对拉式、对拉式加高、混凝土板式、混凝土枕直插式和桥式挡风墙具有较好的防风效果，挡风墙后距轨面4m以下测点的风速一般小于挡风墙前远方来流速度的40%（桥式挡风墙后的风速稍大），土堤式挡风墙后距轨面2.5m测点的风速为来流速度的80%，其防风效果较差。对挡风墙有效遮蔽范围进行测试，有效遮蔽范围与挡风墙形式和高度、地形及地貌等有关。挡风墙越高厚度越厚，路堤越高，有效遮蔽范围越大。试验区域的对拉式挡风墙有效遮蔽范围为80m，对拉式加高挡风墙为>80m，混凝土板式挡风墙为70m.土堤式挡风墙约20m。

3既有防风设施改造方案研究

通过数值模拟计算、现场试验和实地考察对比得知，空气动力学性能和动力学指标较大值主要出现在土堤式挡风墙、路堑与挡风墙之间、不同形式挡风墙之间过渡段，以及矮路堑等特殊地段。因此，需要对这些地段的流场特征进行分析和研究，设计合理的改造补强方案。具体包括：（1）对防风效果较差的土堤式挡风墙加高；（2）优化设计路堑与挡风墙、不同形式挡风墙之间的过渡段；（3）分析矮路堑地段车辆气动性能，合理设置挡风墙高度。

风区防风沙工程补强改造后应满足安全运营风速限值：2mm平均风速小于42m/s、瞬时风速小于50m/s时，列车安全运行速度客车为160km/h、货车120km/h。风速在安全运营风速限值以下时，主要车型（苫盖篷布车辆、双层集装箱车除外）在挡风墙区段运行不受限；在风区运行时，大幅降低列车车窗玻璃破损程度。

3.1土堤式挡风墙改造

列车在土堤式挡风墙后受到的横向力和倾覆力矩大于其他形式的挡风墙，主要原因是土堤式挡风墙迎风侧坡角较小，气流攀爬越过挡风墙顶部，直接作用于列车车体。因此，可适当加高土堤式挡风墙，图2为土堤式挡风墙外形优化方案。通过对土堤式挡风墙气动力优化，以及综合考虑工程造价等因素，对其改造方案如下：