馬淑紅，馬韞娟

（1.新疆氣象服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.清華大學，北京 100084）

1 高鐵沿線距軌面4m最大瞬時風速預測模式建立

以三維坐標軸表示要素空間分布三維結(jié)構(gòu)的函數(shù)式為：

式（1）中，F(xiàn)為年最大風速；φ，λ，H，δ分別代表緯度、經(jīng)度、高度、地形影響等地理因子。以模型（1）分析高鐵沿線最大風速、大風日數(shù)空間分布。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用概率模式計算出沿線最大風速不同概率設(shè)計值［1］，它涵蓋沿線近50年來的最大風險。將沿線最大風速不同概率設(shè)計值空間分布與線路任意里程構(gòu)造物相結(jié)合，進行高速鐵路任意里程最大瞬時風速時距訂正［2］，路堤、橋高增速訂正［3，4］，地形訂正，建立沿線任意里程距軌面4m 高處100m×100m空間網(wǎng)格點上最大瞬時風速2年一遇設(shè)計值V4_2max預測模式［5］如下：

式（2）中，V4_2max為高速鐵路任意里程距軌面4m高處100m×100m空間網(wǎng)格點上最大瞬時風速2年一遇設(shè)計值；V10為沿線最大風速；K1為強風或陣風系數(shù)；K2為路堤或橋高增速訂正系數(shù)；K3為地形訂正系數(shù)。進一步推論，建立沿線防風安全風監(jiān)測點以外區(qū)間瞬時風速計算模式：

式（3）中，V4_V為沿線風監(jiān)測點以外區(qū)間瞬時風速，距軌面4m高度處100m×100m空間網(wǎng)格點上瞬時風速預測值，K0為比值系數(shù)。

2 高鐵沿線最大風速分布特征和強風區(qū)間的確定

2.1 高鐵沿線最大風速垂直分布特征

通過分析高鐵沿線100個鐵塔梯度風和7個5層梯度風監(jiān)測資料，結(jié)果表明：我國高鐵沿線最大風速垂直分布遵循冪指數(shù)規(guī)律［6］（冪指數(shù)α取值如表1所示），研究結(jié)果與建筑荷載規(guī)范取值基本一致［7］，差異在于跨海大橋、沙漠、礫漠風區(qū)α在0.08～0.10之間，但α=0.10出現(xiàn)頻率最高。建議增加0類（跨海大橋、沙漠、礫漠風區(qū)、戈壁等區(qū)間）下墊面下α系數(shù)，α取值為0.10。

表1 高鐵沿線不同下墊面特征下α取值

2.2 高鐵沿線最大瞬時風速水平分布特征

應(yīng)用模式（1）至（3）可以計算出高鐵沿線距軌面4m高處100m×100m空間網(wǎng)格點上，最大瞬時風速2年一遇設(shè)計值V4_2max。計算結(jié)果表明：我國高鐵沿線V4_2max水平分布與地形關(guān)系密切，系隨特殊風環(huán)境的不同呈現(xiàn)獨特特征，尤以20m以上高架橋、特大橋、高路堤、埡口、峽谷、狹管效應(yīng)區(qū)間瞬時風速最大，而深路塹和山谷瞬時風速最小。

2.3 特殊風環(huán)境下動車組傾覆臨界風速

選擇京津城際、京滬高速鐵路、東南沿線高速鐵路特殊風環(huán)境（特大橋、高架橋、高路堤彎道及埡口、峽谷等區(qū)間），采用近年來高鐵沿線安全防災(zāi)風監(jiān)測點WXT520超聲波6要素風向風速傳感器高密度、高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析強橫風天氣條件下動車組特殊風環(huán)境安全運營情況，結(jié)果表明：高速鐵路特殊風環(huán)境中，特大橋彎道和高路堤彎道強橫風區(qū)間動車組傾覆臨界風速均為25m/s，深路塹為40m/s，特大橋強橫風區(qū)間為30m/s。

2.4 高鐵沿線強風區(qū)間確定

應(yīng)用氣象模式和極值Ⅰ型概率模式計算出高速鐵路距軌面4m高度處1km×1km空間網(wǎng)格點上最大風速設(shè)計值，再將空間分布與沿線各里程的強風系數(shù)、路堤高和橋高增速系數(shù)、不同下墊面特征下冪指數(shù)相結(jié)合，建立距軌面4m高度處100m×100m空間網(wǎng)格點上最大瞬時風速預測模式，結(jié)合線路走向與強風主風向之間夾角和特殊風環(huán)境下傾覆臨界風速，從而確定高鐵沿線強橫風區(qū)間（如圖1所示）。

3 強風災(zāi)風險評估與區(qū)劃方法

圖1 高速鐵路強風區(qū)間的確定方法示意圖

依據(jù)高鐵沿線近800個基本氣象站50年（1961～2010年）年平均大風日數(shù)，以及2000個自動氣象站和100個防災(zāi)安全風監(jiān)測站近10年（2001～2009年）各月大風日數(shù)、日最大瞬時風速資料，強風災(zāi)風險評估與區(qū)劃采用三級區(qū)劃指標體系：第一級區(qū)劃指標為8級及以上年平均大風日數(shù)；第二級區(qū)劃指標為最大瞬時風速2年一遇設(shè)計值（以下簡稱為V4_2max）；第三級區(qū)劃指標為四季大風日數(shù)占年平均大風日數(shù)百分比。依據(jù)等概率分區(qū)原則［8］，我國高鐵沿線風災(zāi)危險分為5個大區(qū)，分別用羅馬字符Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示，其中，Ⅰ為特強重大危險區(qū)，Ⅱ為強重大危險區(qū)，Ⅲ為重大危險區(qū)，Ⅳ為中度危險區(qū)，Ⅴ為較輕危險區(qū)。我國高鐵沿線風災(zāi)以蘭新二線百里風區(qū)強橫風區(qū)間特強重大危險區(qū)危害最大，建議在高鐵特強重大危險區(qū)間設(shè)置明洞（防風隧道）。

4 強風災(zāi)防控措施

基于對我國高鐵強風災(zāi)風險評估與區(qū)劃方法的研究，我國高鐵強風災(zāi)防控措施應(yīng)由風災(zāi)信息管理系統(tǒng)與防風柵和防風隧道防護技術(shù)組成。防風柵和防風隧道防護技術(shù)是指在強風危險區(qū)間安裝防風柵、建設(shè)防風隧道的防護技術(shù)，通過風災(zāi)信息管理系統(tǒng)、防風柵和防風隧道減小作用在列車上的氣動力，防止傾覆翻車事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

5.1 綜合分析近50年歷史資料與近10年大風監(jiān)測站短期資料，結(jié)果表明：高鐵沿線大風日數(shù)的分布特征受天氣系統(tǒng)和地形影響的制約，以山口、埡口、峽谷、河谷、特大橋和高路基彎道區(qū)間強風與大風日數(shù)最多，其中蘭新二線百里風區(qū)橫風區(qū)間是我國乃至世界高鐵風災(zāi)之冠。

5.2 在分析大量詳實資料的基礎(chǔ)上，建立距軌面4m高度處100m×100m空間網(wǎng)格點上最大瞬時風速預測模式，結(jié)合線路走向與強風主風向之間夾角和特殊風環(huán)境下動車組傾覆臨界風速，從而確定高鐵沿線強風區(qū)間。這與日本鐵路強風對策相關(guān)研究結(jié)論基本一致，差異在于可以預測高鐵沿線風監(jiān)測點以外區(qū)間最大瞬時風速，使其具有空間和時間上的可比性及可操作性。

5.3 采用三級區(qū)劃指標體系和等概率分區(qū)原則，將我國高鐵風災(zāi)劃分為5個大區(qū)，Ⅰ特強重大危險區(qū)、Ⅱ強重大危險區(qū)、Ⅲ重大危險區(qū)、Ⅳ中度危險區(qū)、Ⅴ較輕危險區(qū)；并制定各危險度等級標準。以不同級別的形式來反映瞬時最大風速在線路上的規(guī)律性，提出概率風險評估方法，為高鐵動車組安全運行以及高鐵風災(zāi)防控技術(shù)措施制定提供理論支撐。

［1］馬淑紅，馬韞娟.瞬時風速對高速列車安全運行的影響及其控制［J］.鐵道工程學報，2009，（1）：11-16 .

［2］中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范［M］.北京：氣象出版社，2003.

［3］JTG/T D60-01-2004，公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］TB10002.1-2005，鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.

［5］馬志福，周曉斌，王煒，等.我國高速列車強橫風防風措施及對策研究［J］.中國科技信息，2011，（4）：212-216.

［6］馬韞娟，馬淑紅.我國高速鐵路客運專線橋梁設(shè)計風速研究［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009，37（10）：34-37.

［7］GB 50009—2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［8］馬韞娟，馬淑紅，張云惠，等.新疆高速公路強橫風區(qū)間安全行車對策研究［J］.干旱區(qū)地理，2012，35（2）：210-221.