周 丹，袁先旭，楊明智，許良中，黃 莎，張 雷

（1.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410075；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621000）

0 引 言

新建蘭州至烏魯木齊第二通道（簡稱蘭新第二雙線）為客運(yùn)專線鐵路，全長1776.9km，是世界上一次建成最長的高速鐵路，也是世界首條穿越大風(fēng)區(qū)的高速鐵路。線路在甘肅和新疆境內(nèi)穿越五大風(fēng)區(qū)總長超過500km，其中舉世聞名的百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)，是世界上內(nèi)陸風(fēng)力最為強(qiáng)勁的地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)風(fēng)速高、風(fēng)期長，起風(fēng)速度快，最大瞬時風(fēng)速達(dá)64m／s，部分地區(qū)大風(fēng)還伴隨著沙礫，風(fēng)沙曾多次造成既有蘭新鐵路翻車、沙礫掩埋鐵路、擊碎車窗玻璃等事故，給鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響［1］。蘭新第二雙線計(jì)劃運(yùn)營速度高達(dá)350km／h，以如此高的速度通過大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強(qiáng)勁的風(fēng)區(qū)，這在世界鐵路歷史上是史無前例的，沒有任何可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。因此，通過防風(fēng)結(jié)構(gòu)研究解決大風(fēng)區(qū)高速鐵路防風(fēng)技術(shù)難題，對蘭新第二雙線的順利建成、建成后鐵路的運(yùn)輸安全、乃至今后西部內(nèi)陸地區(qū)的高速鐵路建設(shè)均有極為重大的意義。

防風(fēng)工程的首要任務(wù)是防止列車被大風(fēng)吹翻［2－8］。既有蘭新、南疆鐵路均曾發(fā)生過因大風(fēng)吹翻列車，造成人員傷亡的重大事故，因此既有蘭新鐵路在線路迎風(fēng)側(cè)修建擋風(fēng)墻，有效防止了列車因大風(fēng)傾覆［9－10］。但是既有蘭新線運(yùn)行普速內(nèi)燃機(jī)車，蘭新第二雙線運(yùn)行高速動車組，這就引起兩個問題：首先是動車組運(yùn)行速度遠(yuǎn)大于普通客車，相同橫風(fēng)條件下，動車組所受到的氣動升力和傾覆力矩比低速普客列車大很多，并且動車組自重較輕，抗傾覆能力相對較差，因此，擋風(fēng)墻對動車組的防護(hù)效果需要進(jìn)一步研究。其次，防風(fēng)工程的另一要務(wù)是防止受電弓和接觸網(wǎng)脫離。既有蘭新鐵路運(yùn)行的是內(nèi)燃列車，沒有接觸網(wǎng)的問題，而高速鐵路動車組運(yùn)行中如果接觸網(wǎng)在大風(fēng)中偏移太大，將使受電弓和接觸網(wǎng)脫離，突然的電力中斷將導(dǎo)致一系列問題甚至是災(zāi)難性的后果。擋風(fēng)墻能否確保大風(fēng)情況下受電弓和接觸網(wǎng)的接觸安全，是否需要采取其他措施還需進(jìn)一步研究。最后，防風(fēng)工程還必須兼顧防沙的功能，蘭新第二雙線所經(jīng)過的幾大風(fēng)區(qū)，特別是煙墩風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)，有極為特殊的次生災(zāi)害，即大風(fēng)往往伴隨著沙礫，嚴(yán)重時擊碎列車的車窗玻璃，損壞車體結(jié)構(gòu)，侵蝕和掩埋軌道，給行車安全帶來嚴(yán)重后果。2006年既有蘭新鐵路就曾發(fā)生沙礫擊碎（T70次）列車的車窗玻璃，導(dǎo)致列車傾覆，多人受傷的重大事故。因此，防風(fēng)工程還必須考慮列車高速通過時的防沙功能。

目前，最為經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用最廣的防風(fēng)結(jié)構(gòu)是擋風(fēng)墻。本文通過數(shù)值計(jì)算、結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測等研究手段，對擋風(fēng)墻后動車組的傾覆安全特性、接觸網(wǎng)的流場特性以及其防沙能力進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為蘭新二線的防風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 擋風(fēng)墻防動車組傾覆研究

1.1 試驗(yàn)風(fēng)洞和模型

風(fēng)洞試驗(yàn)在中國空氣動力研究與發(fā)展中心8m×6m風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流式、閉口、串列雙試驗(yàn)段大型低速風(fēng)洞，本次試驗(yàn)在第二試驗(yàn)段進(jìn)行。第二試驗(yàn)段截面尺寸為8m×6m，長15m，穩(wěn)定風(fēng)速范圍20～70m／s。

動車組試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，模型的比例為1∶15，本次試驗(yàn)以將在蘭新二線運(yùn)行的CRH2型高速動車組為研究對象，采用三車編組：頭車＋中間車＋尾車。試驗(yàn)需將測力天平等安置在車內(nèi)，因此，動車組車體內(nèi)部設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)；模型外部采用紅松木，內(nèi)撐角鋼焊接的骨架；每輛模型車的頂部、底部和兩側(cè)都設(shè)計(jì)成可拆卸的方式，以方便天平的安裝和調(diào)試，模型的大風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架也均可拆卸。擋風(fēng)墻離軌面的高度為2.5m。擋風(fēng)墻及高速動車組的實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。

圖1 CRH2（型）高速動車組模型（單位：m）Fig.1 CRH2High－speed train model（unit：m）

圖2 擋風(fēng)墻及高速動車組實(shí)驗(yàn)布置圖（單位：mm）Fig.2 Sketch of barrier wall and CRH2High－speed train model（unit：mm）

測力試驗(yàn)采用一組六分量盒式天平，可同時測量各模型車所受到的氣動力和力矩。為避免風(fēng)洞壁面邊界層的影響，在試驗(yàn)段內(nèi)安裝列車試驗(yàn)地板裝置，該地板由5塊獨(dú)立地板拼接而成，中間地板有一直徑7m、可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)盤，其它為固定部分。地板前、后緣加工成流線型，以減少對氣流的干擾，地板之間有傾斜的縫隙；各塊地板后緣下面，有一角度可調(diào)的斜板伸出下表面，通過該斜板可以產(chǎn)生低壓渦區(qū)，能夠被動地吸除邊界層，以降低地板邊界層的影響。

1.2 設(shè)置擋風(fēng)墻后動車組氣動特性

由于大風(fēng)環(huán)境下，升力、側(cè)向力和傾覆力矩對列車的安全有重要影響，因此，要考察擋風(fēng)墻防止列車傾覆的效果，應(yīng)分析列車所受到的升力、側(cè)向力和傾覆力矩的特性。表1列出了風(fēng)洞試驗(yàn)測得環(huán)境風(fēng)速度為50m／s，側(cè)滑角為90°時（蘭新第二雙線的線路和風(fēng)向基本垂直），動車組靜止在平地上，在無防風(fēng)設(shè)施和有2.5m高擋風(fēng)墻兩種情況下，動車組頭、中、尾各車的升力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)。從該表可以看出：無防風(fēng)設(shè)施時，動車組所受氣動力比較大，設(shè)置擋風(fēng)墻后，動車組受到的氣動力顯著減小。這是因?yàn)闆]有擋風(fēng)墻時，氣流在動車組的迎風(fēng)面滯止，迎風(fēng)面為正壓，而背風(fēng)面為渦流區(qū)，其壓力為負(fù)壓，正壓和負(fù)壓方向一致，產(chǎn)生比較大的側(cè)向力；車體頂部由于氣流的膨脹，產(chǎn)生較大負(fù)壓，導(dǎo)致較大的升力；而傾覆力矩主要由升力和側(cè)向力引起，因此傾覆力矩也比較大。設(shè)置擋風(fēng)墻后，動車組受到的氣動力顯著下降，主要是擋風(fēng)墻的存在，動車組周圍的流場發(fā)生巨大變化，在擋風(fēng)墻和動車組之間形成一渦流區(qū)，動車組的背風(fēng)面也存在一渦流區(qū)，動車組的側(cè)向力取決于這兩個渦流區(qū)的壓差，渦流區(qū)壓強(qiáng)均為負(fù)壓，兩負(fù)壓方向相反，相互抵消，側(cè)向力絕對值減小約29%，方向與無擋風(fēng)墻時方向相反；動車組頂部的負(fù)壓也大幅減小，升力變?yōu)樨?fù)升力，增強(qiáng)了抗傾覆的能力；側(cè)向力和升力的共同變化，最終導(dǎo)致傾覆力矩減小約60%。因此，擋風(fēng)墻有較好的防止列車傾覆的能力。

表1 動車組各車氣動力系數(shù)比較表Table1 Aerodynamic coefficient comparison between different cars

分析動車組所受到的力，包括在擋風(fēng)墻后氣動力、橫向振動加速度、垂向振動加速度、離心力、重力等，并進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算可以得到：環(huán)境風(fēng)速為45m／s，擋風(fēng)墻后動車組在直線上可以以350km／h的速度安全運(yùn)行。

2 擋風(fēng)墻防受電弓和接觸網(wǎng)脫離研究

擋風(fēng)墻能對動車組的傾覆進(jìn)行有效的防護(hù)，但擋風(fēng)墻是否可以確保大風(fēng)情況下受電弓和接觸網(wǎng)的接觸安全，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

接觸網(wǎng)的風(fēng)偏量是衡量受電弓和接觸網(wǎng)接觸安全的最重要指標(biāo)，要得到接觸網(wǎng)的風(fēng)偏量，必須準(zhǔn)確模擬接觸網(wǎng)的運(yùn)動。但在風(fēng)洞中準(zhǔn)確模擬和測量接觸網(wǎng)的運(yùn)動非常困難，首先接觸網(wǎng)的運(yùn)動非常復(fù)雜，包含平動、轉(zhuǎn)動、扭轉(zhuǎn)，還包含揮舞和顫振等運(yùn)動；其次，為滿足流場相似，接觸網(wǎng)必須和列車、擋風(fēng)墻采用相同的縮尺比，縮比后的接觸網(wǎng)的運(yùn)動很難反映真實(shí)接觸網(wǎng)的運(yùn)動。因此，很難通過直接測量接觸網(wǎng)的風(fēng)偏量來研究擋風(fēng)墻對接觸網(wǎng)的影響。但是，接觸網(wǎng)處的風(fēng)速決定了其運(yùn)動狀態(tài)，可以通過研究擋風(fēng)墻對接觸網(wǎng)處風(fēng)速的影響，來評估擋風(fēng)墻對接觸網(wǎng)的影響。

實(shí)驗(yàn)依然在8m×6m風(fēng)洞中進(jìn)行，擋風(fēng)墻的高度為2.5m。上、下接觸網(wǎng)離開軌道頂部距離分別為5.5m和6.9m。接觸網(wǎng)處風(fēng)速主要采用兩排七孔探針進(jìn)行測量，探針位置安裝在第二節(jié)動車組中部對稱線上方，對應(yīng)接觸網(wǎng)位置。同排探針測試結(jié)果非常一致，而受擋風(fēng)墻和動車組的影響，上、下接觸網(wǎng)處風(fēng)速有所差異。表2列出了風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測動車組靜止在平地一線和二線，沒有防風(fēng)設(shè)施和有2.5m高擋風(fēng)墻兩種情況時，不同接觸網(wǎng)位置處風(fēng)速的無量綱速度。測試表明，沿接觸網(wǎng)長度方向和垂向的風(fēng)速比較小，而對接觸網(wǎng)橫向偏移影響最大的橫向速度比較大。比較有無擋風(fēng)墻接觸網(wǎng)處風(fēng)速，可以認(rèn)為：擋風(fēng)墻對接觸網(wǎng)基本沒有起到保護(hù)作用，甚至在6.9m位置處還有加速效應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)［11］可知，進(jìn)一步增加擋風(fēng)墻的高度，可以減小接觸網(wǎng)處的風(fēng)速，但此時動車組的傾覆力矩隨之增加。鑒于擋風(fēng)墻對動車組的傾覆防護(hù)和弓／網(wǎng)的接觸防護(hù)之間的矛盾，并考慮建筑成本，2.5m左右的擋風(fēng)墻是比較合適的，盡管擋風(fēng)墻無法防護(hù)弓／網(wǎng)的接觸安全，但可以采取減小接觸網(wǎng)立柱之間的距離，增加承力索拉力等措施，加強(qiáng)接觸網(wǎng)自身的抗擺動能力，防止接觸網(wǎng)因環(huán)境風(fēng)導(dǎo)致的大幅擺動，確保大風(fēng)環(huán)境下受電弓和接觸網(wǎng)的接觸安全。

表2 接觸網(wǎng)處無量綱速度比較表Table2 Nondimentional velocity comparison in catenary section

3 擋風(fēng)墻防沙能力研究

3.1 玻璃破碎原因分析

評估擋風(fēng)墻防止沙礫擊碎列車的車窗玻璃的能力，首先應(yīng)分析列車玻璃被破壞的原因。列車玻璃在風(fēng)沙流的作用下被破壞，主要因素包括風(fēng)和沙兩個方面，風(fēng)的因素包括：車窗玻璃所承受的靜態(tài)風(fēng)壓差、動態(tài)風(fēng)壓差和長期承受壓力所引起的疲勞；沙的因素主要是不同大小沙礫以不同速度沖擊玻璃。

在沙礫沖擊玻璃試驗(yàn)中，最關(guān)鍵的技術(shù)是沙礫的大小和速度的測定。本次試驗(yàn)采用基于機(jī)器視覺的原理設(shè)計(jì)了一種空間粒子速度和粒徑實(shí)時測量和分析系統(tǒng)，通過圖像處理技術(shù)，得到空間粒子的速度和粒徑。

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明玻璃破碎的主要原因是沙礫的擊打，風(fēng)壓和疲勞對玻璃破碎的作用較小。表3為風(fēng)壓4kPa情況下，不同粒徑多顆擊碎玻璃的破碎速度［12］。從該表可以看出兩點(diǎn)：（1）粒徑小于2mm的沙礫對車窗玻璃威脅很小；（2）結(jié)合百里、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)速分布和沙區(qū)分布，對列車玻璃威脅最大的沙礫粒徑大于3mm。

表3 風(fēng)壓下多顆沙礫擊碎速度Table3 Crush speed of sands under wind pressure

3.2 含沙量隨高度變化分布規(guī)律

由于列車玻璃破碎的主要原因是沙礫擊打，那么，沙礫隨高度變化的分布直接關(guān)系到擋風(fēng)墻防止沙礫擊碎列車的車窗玻璃的能力。蘭新鐵路K1476＋875～K1477＋000，屬于溝口地形，易產(chǎn)生大風(fēng)。中鐵西北科學(xué)研究院在K1476＋800附近，擋風(fēng)墻上風(fēng)向設(shè)置集沙儀，對試驗(yàn)期間該處風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測［13］，如圖3所示。

圖3 集沙儀Fig.3 Sand collector

觀測時間為4月16日至21日，各級大風(fēng)持續(xù)時間情況見表4。表5為集沙儀顆粒分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)表。從該表可以看出，風(fēng)沙流密度、沙石粒徑隨高度增加急劇減少。對列車玻璃威脅比較大的、粒徑大于3mm的沙礫基本處于1m以下。離地高度3m以上，沙礫的粒徑只有1～2mm，沙礫量也非常小，只有0.1g。

表4 試驗(yàn)期間各級大風(fēng)持續(xù)時間概況表Table4 Wind duration time of different levels during tests

表5 集沙儀顆粒分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)表（單位：g）Table5 Sand collector particle data（unit：g）

3.3 擋風(fēng)墻防沙能力評估

如前所述，對蘭新第二雙線，大風(fēng)區(qū)除了大風(fēng)強(qiáng)勁頻繁以外，沙害也是一個需要高度重視解決的問題。擋風(fēng)墻防沙能力要從兩個方面評估，一是防止大風(fēng)卷起的沙礫擊碎玻璃，二是防止侵蝕和掩埋軌道。

從沙礫的分布規(guī)律來看，設(shè)置離軌面以上2.5m的擋風(fēng)墻后，越過擋風(fēng)墻的沙礫密度非常小，軌道上即使出現(xiàn)很少量的小沙礫，由于這些沙礫粒徑比較小，在地面會非常容易隨風(fēng)滾離線路，列車風(fēng)也可以將其吹離線路，因此，不可能造成沙礫侵蝕和掩埋軌道的情況。這樣，離軌面以上2.5m的擋風(fēng)墻，有較好的防止沙礫侵蝕和掩埋軌道的能力。

對于大風(fēng)卷起的沙礫擊碎玻璃的情況，需要綜合考慮沙礫的粒徑、密度、沙礫的速度、擋風(fēng)墻和車窗玻璃之間的流場等因素。

圖4為經(jīng)過數(shù)值求解N－S方程后得到的擋風(fēng)墻周圍流線圖［11］。如圖中所示：氣流的主流經(jīng)過擋風(fēng)墻后有所抬升，在擋風(fēng)墻和列車之間存在一個大的渦，該渦內(nèi)部的氣流速度非常低，并且渦流的氣流流經(jīng)玻璃附近時，其速度方向是順著玻璃的方向，垂直于玻璃的速度非常小。因此，綜合考慮越過3m高（離地面高度）擋風(fēng)墻沙礫的粒徑、密度以及垂直于列車玻璃的氣流速度，可以認(rèn)為，離軌面以上2.5m的擋風(fēng)墻，有較好的防止沙礫擊碎玻璃的能力。

圖4 擋風(fēng)墻周圍流線圖Fig.4 Streamline around windbreak wall

4 結(jié) 論

針對蘭新第二雙線的工程需要，以解決大風(fēng)區(qū)高速鐵路防風(fēng)技術(shù)難題為目標(biāo)，通過大量試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了2.5m擋風(fēng)墻對動車組、受電弓和接觸網(wǎng)的防護(hù)能力，防沙能力。得到如下結(jié)論：

（1）擋風(fēng)墻高度為2.5m時有相當(dāng)好的防止列車傾覆的能力。在其防護(hù)下，動車組的傾覆力矩降低了60%左右；

（2）2.5m高擋風(fēng)墻對接觸網(wǎng)的防護(hù)作用比較差，無法保證大風(fēng)環(huán)境下受電弓和接觸網(wǎng)的正常接觸。需要從輸電線路自身采取措施，確保大風(fēng)環(huán)境下受電弓和接觸網(wǎng)的接觸安全；

（3）風(fēng)沙流環(huán)境下，大風(fēng)卷起沙礫擊打玻璃是列車玻璃破碎的原因，風(fēng)壓和疲勞對列車玻璃破碎影響不大；

（4）擋風(fēng)墻高度為2.5m時具有良好的防沙功能。越過擋風(fēng)墻沙礫的粒徑比較小，數(shù)量也非常少，不會造成沙礫侵蝕和掩埋軌道的情況；擋風(fēng)墻和列車之間的渦使垂直于玻璃的氣流速度比較小，速度小和小顆粒的沙礫，不會擊碎列車的玻璃。

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