田 棟

(中鐵一院蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州 730000)

高原地區(qū)鐵路堆煤場防風網設計研究

田 棟

(中鐵一院蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州 730000)

以柴木鐵路堆煤場防風網建設為例，在深入分析國內外防風網研究成果的基礎上，研究確定適用于高原地區(qū)鐵路堆煤場的防風網設計關鍵技術參數，采用PKPM軟件進行輔助設計，對建網后的防風抑塵效果進行初步觀測和分析。認為設網方式應結合車站裝車規(guī)模的大小、投資等綜合確定。對于跨越鐵路股道處防風網的布置，應考慮鐵路限界、基礎施工條件及運營安全等因素；網高應取煤堆高度的1.5倍，當站場地形有起伏時，應分段控制網高；網體應選擇安裝便捷、后期維護少、安全性高的柔性網材；上部支撐結構應采用剛架形式，基礎采用獨立基礎，能更好地解決凍土地區(qū)地表水和地下水的排泄問題。根據監(jiān)測結果分析，建網后各站、測點位防風網抑塵效率在68.4%～91.8%，平均抑塵效率可達到80.1%。

鐵路；高原地區(qū)；堆煤場；防風網設計；抑塵效果

為堆煤場設置防風網已成為防治露天煤塵污染的重要措施。作為一種疏透多孔的障礙物，氣流通過防風網后速度得到了極大衰減，在其背面形成一個低速遮蔽區(qū)，最大程度的損失風動能，有效降低煤堆表面的風速，避免風產生的渦流，減小風的湍流度，從而減少堆煤場的煤塵污染。相關監(jiān)測表明，防風網的防塵效果可達到50%～70%，最高可達到90%[1]。

長期以來，國內外很多學者采用數值模擬、風洞試驗和實際觀測等手段對防風網布置形式、高度、網材開孔率、支撐結構形式、遮蔽效果等進行了研究，取得了大量的成果[2-5]。但目前防風網的研究和應用主要集中在港口、碼頭和煤礦開采區(qū)域，對于防風網在高原地區(qū)鐵路堆煤場的設計、應用的相關研究還未見報道。

據調查，柴木鐵路建設過程中，車站堆煤場均未設置灑水抑塵、噴灑抑塵劑等防塵抑塵措施，柴木鐵路接軌的柴達爾站堆煤場亦未設置灑水抑塵和防風網等抑塵措施，該堆煤場煤塵對周邊環(huán)境污染嚴重。該線附近區(qū)域其他堆煤場設置的防風網，由于存在如設網高度不夠，或者網體選擇不合理，或者網片脫落等問題，導致該區(qū)域煤炭揚塵污染未得到很好的解決。

1 研究區(qū)概況

柴木鐵路位于青海省東北部的剛察、祁連、天峻等縣境內，線路所在區(qū)域屬大陸性高原氣候區(qū)，具有海拔高、寒冷、空氣稀薄、氣候多變、生態(tài)環(huán)境脆弱和凍土環(huán)境敏感的特點[6]。該區(qū)域年平均氣溫-0.3 ℃，最熱月平均氣溫11.4 ℃，最冷月平均氣溫-13.3 ℃；年均大風日數(≥8級)47 d，年均風速3.4 m/s，最高風速29 m/s，主導風向N；海拔3 600～3 950 m，最大季節(jié)凍土深度350 cm。

柴木鐵路于2010年正式建成通車，隨著外力哈達、江倉、木里站堆煤場的啟用，煤炭裝卸、堆存產生的煤塵飄落到周邊的高寒草甸上，影響了植被的生長，導致草場、濕地退化，嚴重影響了車站周邊的生態(tài)環(huán)境和牧民的生產、生活，因此，在沿線3處堆煤場建設防風抑塵網尤為必要。

2 研究內容

通過對防風網關鍵技術參數的深入分析，確定適合于高寒地區(qū)鐵路堆煤場的防風網設計參數；對上部支撐結構、下部基礎進行分析，根據相關設計規(guī)范，確定適用的結構設計計算方法和參數，利用PKPM系列軟件進行上部支撐結構和下部基礎設計；根據計算結果，優(yōu)化各構件和基礎的尺寸，使之在滿足強度、穩(wěn)定、變形等要求的同時能夠節(jié)省投資，達到最佳的防風效果；并對建網后的防風抑塵效果進行初步分析。

3 防風網技術參數

防風網設計過程中主要考慮的技術參數有：設網方式、防風網高度、防風網與地面間隙、網體材料、開孔率、上部支撐結構和下部基礎等。

3.1 設網方式

防風網設網形式主要有主導上風向設置、主導下風向設置、半包圍設置、全包圍設置等4種方式，詳見圖1。相關研究表明，防風網呈“口”型全包圍設置可實現最優(yōu)的防風抑塵效果，當呈“П”型三面設網能達到工程需要時，沿全年主導風向上方向設置也能夠發(fā)揮較好的抑塵效果[7，8]。為了達到最優(yōu)的防風抑塵效果，采用“口”型全包圍或主導上風向“П”型三面設網的方式，并結合鐵路限界、預留電氣化條件和保證行車運輸安全等要求，對“口”型全包圍或主導上風向“П”型設網的方式進行改進。具體布置為：對裝車規(guī)模較大的江倉站采取“口”型全包圍設置，除了考慮在堆煤場相關位置預留車輛進出通道外，對于跨越鐵路股道處防風網的布置，考慮鐵路電氣化條件，采用網體整體斷開的方式處理。斷開處的防風網端距鐵路中心線的距離不得侵入鐵路限界，對于既有線，還應考慮防風網基礎施工條件和采取的防護措施，不得影響鐵路路基穩(wěn)定。對裝車量相對較小的外力哈達、木里站區(qū)采取主導上風向“П”型三面設網的形式設置。

圖1 防風網設網方式

3.2 防風網高度

防風網高度是決定水平庇護范圍最重要的因素，主要由煤堆高度、堆煤場范圍大小等因素決定。風洞試驗證明，當防風網高度為煤堆高度的0.6～1.1倍時，抑塵效果與網高成正比例關系；當防風網高度為煤堆高度的1.1～1.5倍時，隨網高增加抑塵效果的增加趨勢逐漸平緩；當網高為煤堆高度的1.5倍以上時，抑塵效果增加趨勢不明顯。因此，防風網高度一般在煤堆高度的1.1～1.5倍范圍內選取；防風網高度還須考慮堆煤場范圍的大小，必須使堆煤場在防風網的有效庇護范圍之內。相關研究表明，網后下風向2～5倍網高的距離內，抑塵效果可達90%以上，16倍網高距離內，抑塵效果可達80%以上，在網后25倍網高的距離內仍然有較好的抑塵效果，一直延伸到網后50倍網高距離處，仍有20%的抑塵效果[9]。

柴木鐵路堆煤場煤堆高度10 m左右，防風網高度按照煤堆高度的1.5倍設計，設網高度15 m。由于站場區(qū)域地形有起伏，為保證防風網頂端齊平，采用分段控制網高的方式。

3.3 防風網底部與地面間隙

由于地形起伏、防撞墻和機動車進出堆料場通道等原因，高度為H的防風網會與地面之間形成一個間隙G，該間隙G將影響庇護區(qū)的流場特性。研究表明，如果間隙值G在合理的范圍內，不但不會減弱防風網的庇護效果，反而會比無間隙時的庇護效果要好，一般認為G/H=0.125為最佳值[10，11]。對于本項目，采用設置防撞磚墻與G/H值綜合考慮的方法，為防止堆煤掩埋柱腳螺栓和網體，便于運營后檢修，在防風網與煤堆之間，貼網腳設置2.0 m高的防撞磚墻，防風網與防撞磚墻搭接，網體離地間隙結合防撞墻設置高度考慮，取1.5 m。

3.4 網體材料

網體材料從材質上分，主要可分為硬質材料和柔性材料兩種類型。硬質防風網體有不銹鋼、彩鋼板、鍍鋁鋅板和鋁鎂合金板等；柔性防風網體有玻璃鋼、復合材料等。

針對本項目所處位置的特殊性，主要側重從安全性能、安裝的便捷性能、后期維護、防風性能和投資等方面對兩種材料進行比較分析。例如，對一般區(qū)域而言，安裝的便捷性能并不是設計中重點應該考慮的問題，但柴木鐵路處于高寒、高海拔(3 600～4 000 m)區(qū)域，網體安裝作業(yè)、后期維護對人工要求高，因此，必須考慮網體安裝、維護的便捷性。據此，對比分析柔性和硬質網體材料在柴木防風網項目上的適用性。從表1可看出，柔性網體材料更加適用于柴木鐵路堆煤場防風網建設。

表1 柔性網材和硬質網材對比分析

3.5 開孔率

開孔率是指防風網板上透風孔隙在整個防風網板面積上所占的比例，是防風網的一個重要技術參數。一般認為，開孔率20%是臨界值，在該點上湍流強度和拖曳系數等發(fā)生顯著變化，即該點上流出的空氣恰好可以防止剪切層相互影響而形成的剪切應力。隨著開孔率的增加，防風網的通風性增加，網后的湍流強度降低，最大湍流密度的位置朝下風向移動，從而在一個足夠長的距離上，渦流小到足以使尾流區(qū)起到自身保護作用，有效地增加遮蔽面積，降低風速；開孔率大于60%則起不到明顯的庇護作用。根據國內外大量的理論分析和試驗結果表明，開孔率在30%～50%具有較好的防風效果。

有研究利用空氣動力學原理進行風洞試驗和現場實測分析比較得出[12]：當采用開孔率為40%的雙層柔性網體時，能最大程度地降低風速，可以使風速降低80%～90%，揚塵濃度分布降低85%以上，抑塵效果最佳。

4 支撐結構設計及網體安裝

4.1 上部結構設計

防風網支撐結構形式有懸臂柱、剛架以及網架結構。對于懸臂柱結構和剛架結構，在相同荷載條件下，從用鋼量分析，高5 m時二者接近，高10 m時，懸臂柱結構的用鋼量達到剛架結構的2倍，高15 m以上時，二者比值達到3倍；從結構受力分析，懸臂柱結構屬于純彎曲，材料利用不夠充分，剛架結構在設置斜撐后，呈現組合結構的受力特性，只有前柱承受一定的彎曲作用，整個結構以承受軸力為主，因此材料強度發(fā)揮充分。網架結構設計和施工工藝復雜，而防風網支護結構主要承受垂直網平面方向的風荷載，并不能發(fā)揮網架的空間受力特性優(yōu)勢，過多的腹桿也使其用鋼量并不比剛架節(jié)省。因此，一般情況下，剛架結構是一種經濟、簡便的防風網支護結構，適合廣泛應用。

柴木鐵路堆煤場所在地區(qū)50年一遇風壓(基本風壓)值為0.75 kN/m2，地面粗糙度為B類，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第一組。防風網材自重0.052 kN/m2，鋼結構質量1 600 kg/榀，網高15 m，鋼支架為平面桁架支撐式結構，間距10 m。結構計算簡圖詳見圖2。

圖3 防風網上部支撐結構PKPM-STS設計驗算圖

圖2 防風網上部支撐結構計算簡圖(單位：mm)

根據《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2012)，防風網結構的風荷載按照承重結構進行計算，即

wk=βzμsμzw0

式中，w0為基本風壓(kN/m2)，取w0=0.75 kN/m2；μz為風壓高度變化系數，根據規(guī)范GB50009—2012表7.2.1得不同高度處的μz，詳見表2。

μs為風荷載體型系數，取1.3；βz為高度z處的風振系數，根據下式計算

βz取值見表3。

表2 風壓高度變化系數μz取值

表3 高度z處的風振系數βz取值

根據上述取值，計算風荷載wk標準值見表4。

表4 風荷載wk標準值

應用PKPM-STS鋼結構設計軟件，根據統(tǒng)計出的各種荷載，完成鋼結構的模型輸入，形成計算簡圖，進行結構內力計算。如軸力、彎矩、剪力和左右風荷載節(jié)點位移等輸出結果見圖3。根據輸出的結果對截面進行優(yōu)化，結構分析和構件驗算，使之滿足強度、穩(wěn)定、變形等的要求，最終進行節(jié)點設計。需要注意的是，對構件進行截面驗算時應注意計算長度的取值，根據驗算結果對桿件截面進行調整優(yōu)化，應使截面變化與彎矩大小盡可能趨于一致[13]。

根據計算結果，風荷載作用下柱頂最大水平位移dx=29.0 mm，柱頂最大水平位移H/517<柱頂位移容許值H/400，地震荷載作用下柱頂最大水平位移dx=1.0 mm，柱頂最大水平位移H/15 000<柱頂位移容許值H/400，結構設計穩(wěn)定。

4.2 下部基礎設計

4.2.1 基礎形式

防風網地下基礎大致可分為樁基礎和重力式基礎。樁基礎由于工程量大、造價較高，一般不用于此類工程。重力式基礎又可分為獨立式重力基礎和條形重力基礎。

柴木鐵路位于高原凍土地區(qū)，項目區(qū)屬高溫不穩(wěn)定多年凍土亞區(qū)，年平均地溫高于-1.0 ℃，凍土類型主要為低含冰量凍土(多冰凍土)夾雜高含冰量凍土(富冰凍土)，個別深度段存在飽冰凍土，具有高敏感性，觸動易融化。站場區(qū)域地表水主要為季節(jié)融化層融水形成的地表徑流，以及降雨和冰雪融化期的地表漫流；地下水主要為暖季存在的凍結層上水，水位埋深隨季節(jié)變化較大，寒季土壤凍結，一般無液態(tài)地下水存在，暖季地下水水位埋深0.5～1.5 m。根據上述特殊地質條件，選擇獨立型重力基礎能更好地適應地質條件，有利于地表水和地下水的排泄、有利于控制基礎沉降。同時，獨立基礎柱還具有形式簡單、經濟節(jié)約、施工方便等優(yōu)點。

4.2.2 下部基礎設計

鋼筋混凝土獨立基礎的設計分為以下4個步驟：①由修正后的地基承載力特征值確定基礎底面積尺寸；②根據柱與基礎交接處基礎的受沖切承載力確定基礎的高度；③確定基礎變階處的高度，驗算變階處受沖切承載力；④由抗彎計算確定基礎底板的配筋。

防風網獨立基礎設計采用PKPM-JCCAD進行設計。用到的荷載有上部鋼結構自重以及風荷載，可以由PKPM-STS導入，程序可以讀取PKPM-STS中上部結構分析程序生成的柱底內力標準值，并將其作各種荷載效應組合當作基礎設計的外荷載。同時，根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2010)第4.2.1條規(guī)定，對防風網基礎需要進行基礎抗震承載力驗算。應用PKPM-JCCAD軟件，根據輸入的地質資料、荷載等，完成獨立基礎設計。

4.3 網體安裝

柔性網體雙層設置，頂端和底端綁扎在橫向設置的圓鋼上，每片網材之間互相縫合，由上至下沿水平方向每間隔1 m設置2道鋼絞線，鋼絞線與鋼架通過U形卡具固定，用2道鋼絞線將網體夾于中間，具體見圖4。從而形成支架與鋼絞線、支架與網體、網體與鋼絞線的多重固定，提高了防風網的強度和穩(wěn)定性。

圖4 網體固定及安裝

5 防風抑塵效果

為了總體評價防風網建成后的抑塵效果，對3站堆煤場防風網建網前與建網后的總懸浮顆粒物(TSP)和風速等進行了現場監(jiān)測。根據監(jiān)測結果分析，建網前堆煤場TSP濃度隨風速的增加而增大，風速小于4.5 m/s時，TSP濃度隨風速的增加不明顯，風速大于4.5 m/s后，TSP濃度隨風速的增加而迅速增大。建網后堆煤場TSP濃度相對建網前顯著降低，由于堆煤場內風速減小，TSP濃度變化隨風速的增加而變化的趨勢不明顯。通過對不同風速條件下的數據分析，計算出防風網的總體抑塵效率。各站、測點位總體抑塵效率在68.4%～ 91.8%的范圍內，平均抑塵效率為80.1%，其中距網體45 m處抑塵效果最明顯，抑塵效率超過90%，其次為15、30、60 m處抑塵效率在80%左右，60 m以遠抑塵效率逐漸降低。

6 結論與討論

6.1 結論

鐵路堆煤場設網方式應結合車站裝車規(guī)模的大小、投資等因素綜合確定。對于跨越鐵路股道處防風網的布置，應考慮鐵路電氣化及運營安全等條件，可采用網體整體斷開的方式處理。斷開處的防風網端應滿足鐵路限界要求，對于既有線施工，還必須考慮基礎施工條件并采取防護措施。為了達到最佳的抑塵效果，網高應按照煤堆高度的1.5倍設計，為保證防風網頂端齊平，采用分段控制網高的方式。

從安全性、防風性能、安裝便捷程度和后期維護等方面分析，柔性網體材料更加適用于高原地區(qū)鐵路堆煤場防風網建設。上部支撐結構采用剛架結構，能夠達到經濟、簡便且安全牢固的設計要求，風荷載按照承重結構進行計算；下部基礎選擇獨立型重力基礎能更好地適應地質條件，有利于地表水和地下水的排泄，有利于控制基礎的沉降。

根據監(jiān)測數據分析，各站、測點位總體抑塵效率在68.4%～ 91.8%，平均抑塵效率可達80.1%，其中距網體45 m 處抑塵效果最明顯，抑塵效率超過90%，其次為15、30、60 m處抑塵效率在80%左右，60 m以遠抑塵效率逐漸降低。

6.2 討論

為進一步優(yōu)化防風網設計，提高防風網使用年限，達到最優(yōu)的防風抑塵效果，在今后的研究中，應開發(fā)耐紫外線、耐低溫、溫度適應范圍廣等適合高原氣候特點、使用壽命長、具有最佳開孔率的柔性網材。

在高原地區(qū)進行防風網設計時，基本風壓選取的合理性、適用性應慎重研究，由于該區(qū)域地廣人稀，采用氣象站觀測資料或查設計規(guī)范時，如果距離項目所在區(qū)域較遠，需要對采用的風壓值進行驗證。

本文防風網抑塵效果受監(jiān)測條件、氣候條件、時間、堆煤場周邊地形等多種因素的限制，僅為初步分析結論，今后還應結合堆煤場防風網設計、實施選擇限制條件少、監(jiān)測條件便利的鐵路堆煤場防風網進一步研究。

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DesignResearchofMeshedWindbreakUsedinRailwayCoalStorageYardinPlateauRegion

TIAN Dong

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， China Railway First Survey and Design Institute Group， Lanzhou 730000， China)

This paper took the erection of the meshed windbreak used in coal storage yard of Chaidaer-Muli Railway as an example. Based on analysis of relevant research results of meshed windbreak at home and abroad， this paper determined the meshed windbreak’s key technical parameters suitable for the railway coal storage yard in plateau regions. Then， by computer-aided design via software PKPM， the preliminary observation and analysis on the efficiency of dust suppression of the meshed windbreak was carried out in this paper. Then in this paper it is suggested that: (a) The type of the meshed windbreak should be determined based on a comprehensive consideration of various factors， such as station’s loading scale， project cost; and then when the meshed windbreak crossing above railway tracks， it is necessary to take account of the railway clearance limit， the footing’s construction condition， operation safety and so on. (b) The height of the meshed windbreak should be 1.5 times the height of coal pile， and should be controlled in sections when the terrain of the coal storage yard presents an undulating pattern. (c) It is necessary for the meshed windbreak structure to use flexible material， which should be easy to erect and should be with low maintenance cost and high security performance. (d) It is preferable for the upper supporting structure to use rigid frame accompanied by island footings below， so as to solve the problem of drainage of ground surface water and underground water. (e) According to relevant monitoring and analysis results， it is estimated that the efficiency of dust suppression of the meshed windbreak at different observation points will reach up to 68.4% to 91.8%， and the average efficiency of dust suppression will be 80.1%.

railway; plateau region; coal storage yard; design of meshed windbreak; efficiency of dust suppression

2014-09-23；

：2014-10-14

田 棟(1982—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于西北農林科技大學水土保持與荒漠化防治專業(yè)，農學碩士，E-mail:tian_dong@163.com。

1004-2954(2014)06-0044-06

X513

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.06.011