劉永紅

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司, 蘭州　730000)

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沙漠鐵路軌道結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)優(yōu)化研究

劉永紅

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司, 蘭州730000)

摘要：針對沙漠地區(qū)有砟軌道結(jié)構(gòu)存在的沙害問題嚴(yán)重現(xiàn)象,對典型沙害成因進(jìn)行研究分析；根據(jù)典型沙害成因提出一種適用于沙漠地區(qū)鐵路的改進(jìn)型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式,并對新型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析；既有沙漠鐵路積沙嚴(yán)重的主要原因是有砟道床表面粗糙度過大導(dǎo)致沙粒的沉積；采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式的線路,在保證列車運行安全的前提下,其走向宜與當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向垂直；基于利用自然風(fēng)排沙及經(jīng)濟(jì)方面的綜合考慮,相鄰軌枕、道床板組成的U形槽的寬高比宜為2。

關(guān)鍵詞：沙漠鐵路；軌道沙害；軌道結(jié)構(gòu)選型；軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

我國沙漠主要分布在西北部地區(qū)，這些地區(qū)蘊藏著大量的煤、石油、鐵礦等礦產(chǎn)資源[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，這些礦產(chǎn)資源必須通過鐵路運往全國各地，鐵路線路不可避免地需要通向甚至是穿越沙漠。在強風(fēng)作用下，沙粒處于持續(xù)不斷地運動、堆積狀態(tài)，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部沙害嚴(yán)重，對列車的正常安全運行產(chǎn)生巨大威脅[2-4]。

對沙漠地區(qū)線路，目前我國通常采用普通有砟軌道，輔以植被、石被及防沙明洞等防沙、治沙措施[5-7]，但往往代價很高且效果不夠理想。為減少沙粒的流動、堆積對沙漠鐵路的影響，降低防沙、治沙成本，本文基于軌道沙害的成因分析，對沙漠鐵路軌道結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，為減弱沙漠鐵路沙害提供了一種有效、易行的新途徑。

1軌道沙害主要類型及影響

沙漠鐵路采用普通有砟軌道，軌道沙害嚴(yán)重，常見病害有風(fēng)蝕軌道、軌道積沙[8]，如圖1、圖2所示。

圖1　風(fēng)蝕軌道

圖2　軌道積沙

現(xiàn)場調(diào)研表明，軌道積沙是最普遍、危害最嚴(yán)重的軌道沙害，因此，主要研究軌道積沙病害對軌道結(jié)構(gòu)及運營維護(hù)的影響。

根據(jù)積沙狀況及危害程度，將軌道沙害分為3級，如表1所示。據(jù)統(tǒng)計，目前我國已投入運營的沙漠鐵路中，軌道沙害等級為一級的地段高達(dá)1 500 km。

表1　軌道沙害分級

運營經(jīng)驗表明，一級沙害嚴(yán)重程度與軌道積沙的厚度和長度有關(guān)，積沙厚度超過軌面20 cm、長度超過2 m為臨界值，超出此范圍極易造成列車脫軌事故。

通常情況下，道床積沙后，松散、細(xì)小的沙粒隨著列車通過時產(chǎn)生的振動，透過道砟空隙向下滲落，逐漸聚積在道床底部，填充在道砟縫隙中，將軌枕及鋼軌抬高，產(chǎn)生拱道現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，拱道一般可使軌道抬高幾毫米，嚴(yán)重時可達(dá)數(shù)十毫米，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)幾何形位嚴(yán)重超限，也易造成脫軌、車鉤折斷等事故。軌道積沙后，還將降低道床彈性，增加養(yǎng)護(hù)維修工作量。

目前，對軌道沙害主要采取人工清理，如圖3所示，往往需耗費大量的人力、物力、財力。以臨策鐵路為例，2010年開通至2012年，已經(jīng)累計投入防沙、治沙資金1.2億元，而治理效果卻不明顯。

圖3　人工清理積沙

2軌道積沙成因分析

我國沙漠的礦物成分90%以上為石英、長石等輕礦物質(zhì)，以0.05～0.25 mm的細(xì)沙為主，平均含量占79.61%，最高含量達(dá)97.73%；粒徑為0.25～0.5 mm的中砂，平均占11.68%；粒徑小于0.05 mm的細(xì)沙，平均占7.65%；粒徑大于0.5 mm的粗砂，平均只有0.98%[9]。沙粒流動的直接影響因素是風(fēng)，中科院蘭州沙漠所在新疆莎車觀測得到的沙粒粒徑與起動風(fēng)速值見表2。

表2　沙粒粒徑與起動風(fēng)速值

注：表中沙粒起動風(fēng)速為離地面2 m高處風(fēng)速。

由表2可知，小粒徑沙粒在風(fēng)力達(dá)到三級時即開始流動，即使較大的沙粒，風(fēng)力達(dá)到四級時也會開始流動。我國境內(nèi)的沙漠受西北、東北季風(fēng)影響，風(fēng)力強大、風(fēng)沙頻繁，風(fēng)季平均風(fēng)力達(dá)5～6級，且我國沙漠中0.10～0.25 mm的小沙粒居多，沙粒的流動很頻繁。根據(jù)拜格諾[10]的研究成果，在風(fēng)力的作用下，沙粒在空中“躍移運動”，與地面碰撞后將水平速度轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系乃俣?，呈拋物線狀向前躍移。有砟軌道碎石道床道砟砟面呈不規(guī)則的角度傾斜，躍移的沙粒與道砟碰撞后，一部分反彈出去，一部分留在道砟縫隙中。留在道砟縫隙中的沙粒，在列車的持續(xù)振動下，填滿道砟縫隙，最終在道床頂部形成松散的沙堆。在大風(fēng)繼續(xù)作用下，外來沙粒撞擊道床表面松散的沙堆，形成一個小小的洞穴，同時將其他的沙粒撞飛到空中，由于撞擊本身已經(jīng)消耗了一部分能量，被撞飛的沙粒飛的很低，多數(shù)最終仍落在道床上，形成更大的沙堆。

表面粗糙的砟面為軌道沙害創(chuàng)造了有利的內(nèi)在條件，風(fēng)速為軌道沙害形成的外部條件。故風(fēng)速和道床表面粗糙度是決定軌道沙害嚴(yán)重程度的最主要原因。根據(jù)波朗特的研究成果，給定高度的風(fēng)速(v)與粗糙度之間的關(guān)系可用下式表示

式中，V*為摩阻流速，與流體在界面上產(chǎn)生的剪應(yīng)力及其密度有關(guān)；z為距地表高度；k為粗糙度常數(shù)。

為便于觀察給定高度風(fēng)速與粗糙度的關(guān)系，假定V*=1，分別計算距地表50、100 mm高處，粗糙度0.1～50 mm時的風(fēng)速，結(jié)果如圖4所示。

圖4　風(fēng)速隨粗糙度的變化規(guī)律

由圖4可知，風(fēng)速與高度與粗糙度比值的對數(shù)呈正比，即研究對象的表面越光滑，其上部的風(fēng)速越大，沙粒也越容易流動。有砟道床的粗糙度約為沙粒粗糙度的200～500倍，因此落在有砟道床上的沙粒不易流動，并逐步形成軌道積沙病害。

3軌道選型及參數(shù)優(yōu)化研究

由軌道積沙成因分析可知，道床表面粗糙度常數(shù)越大，越容易出現(xiàn)積沙。無砟軌道表面光滑，其道床的粗糙度遠(yuǎn)小于有砟道床，軌道積沙的可能性也遠(yuǎn)小于有砟道床。因此，推薦沙漠鐵路采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式。

對沙漠有砟軌道，由于有砟道床粗糙度大于沙粒表面粗糙度，大風(fēng)會導(dǎo)致積沙病害的出現(xiàn)；但對于無砟軌道，通過控制施工質(zhì)量，可使道床表面粗糙度小于沙粒表面的粗糙度，大風(fēng)會使沙粒運動到道床上，但也會起到排沙作用，使道床積沙無法形成規(guī)模。

沙漠鐵路線路通?？烧J(rèn)為受垂直(或平行)于線路方向的自然風(fēng)影響、列車風(fēng)的影響及列車風(fēng)與自然風(fēng)相互疊加的影響，幾種情況風(fēng)的作用效果分別如圖5～圖7及表3所示。

圖5　自然風(fēng)垂直于線路

圖6　自然風(fēng)平行于線路

圖7　列車風(fēng)

自然風(fēng)列車風(fēng)相對關(guān)系矢量圖→→同向→←→反向→↑→垂直↗↗→同向斜交↗↙→反向斜交↘

由圖5～圖7及表3可知：線路與主風(fēng)向垂直時，排沙效果較好；線路與主風(fēng)向平行時，軌枕上表面沙粒被吹落至通道中，受風(fēng)力大小的影響，只有部分沙粒沿預(yù)設(shè)通道向兩側(cè)排出，排沙效果略差。目前我國沙漠地區(qū)有砟軌道鐵路選線通常會盡可能與當(dāng)?shù)仫L(fēng)向平行，但對于無砟軌道結(jié)構(gòu)線路，建議在滿足列車運行安全的情況下，線路走向與當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向盡量垂直。

有砟軌道在搗固、清篩、補充道砟后，鋼軌與道砟之間空間過小，沙粒在此填充、密實，完全堵塞鋼軌和道砟之間的縫隙，使鋼軌成為一道擋沙墻，沙粒淤積在整個軌道上(圖1)；對于鋼軌與道砟間空間較大的地段，迎風(fēng)側(cè)完全沒有積沙，另一側(cè)積沙嚴(yán)重(圖2)。因此，對無砟軌道結(jié)構(gòu)，可以通過增大鋼軌底部至道床板的距離來降低沙粒在道床上堆積的概率。

為研究鋼軌底部至道床板的合理距離，采用流體力學(xué)中關(guān)于矩形管道斷面流量的計算方法

式中，a為矩形斷面寬；b為矩形斷面高；Δp為壓差；u為動力黏度；l為管道長度。

假定a=1，a/b的值為1～10，其余項均為常數(shù)1，計算Q值，繪制矩形斷面流量圖，如圖8所示。

圖8　流量隨寬高比的變化規(guī)律

一般情況下，由軌枕、軌底及道床板圍成的矩形通道截面尺寸為0.4 m×0.1 m，寬高比為4，對應(yīng)的流量為0.07 m/s2；如將軌底至道床板的距離增加至0.2 m，則寬高比為2，對應(yīng)的流量為0.33 m/s2，距離增加1倍，流量增加3.71倍，增幅明顯。理論上，當(dāng)寬高比為1時，流量最大，但若將軌底至道床板的距離增加至0.4 m，考慮軌枕埋入道床板的深度，軌枕高度約0.5 m，難以維持軌枕自身的穩(wěn)定。因此，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，將通道的寬高比設(shè)為2較為合理。

據(jù)此得到適用于沙漠地區(qū)的無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計形式：采用改進(jìn)的雙塊式軌枕形式。主要改進(jìn)的措施如下：

(1)提高雙塊式軌枕的高度，確保鋼軌底面高于道床板200 mm；

(2)將對應(yīng)的軌枕塊間用素混凝土澆筑為一體，

與道床板形成U形槽，作為風(fēng)沙通道，但為避免沿線路縱向風(fēng)導(dǎo)致道床板U形槽內(nèi)積沙，聯(lián)接部分高出道床板的高度應(yīng)控制在50 mm以內(nèi)。

所設(shè)計的適用于沙漠地區(qū)的改進(jìn)型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　改進(jìn)型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計

4結(jié)論

結(jié)合目前我國沙漠鐵路現(xiàn)狀及主要沙害形態(tài)，對典型沙害成因進(jìn)行了研究分析，并根據(jù)病害成因提出了一種適用于沙漠地區(qū)鐵路的改進(jìn)型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，并對軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了分析研究，主要結(jié)論及建議如下：

(1)沙漠鐵路采用普通有砟軌道沙害嚴(yán)重，采用無砟軌道可有效緩解沙害的影響；

(2)有砟道床積沙病害嚴(yán)重主要是由有砟道床的粗糙度過大引起沙粒不易流動導(dǎo)致的；

(3)采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式的線路，在滿足列車運行安全的條件下，其走向宜與當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向盡量垂直；

(4) 基于排沙及經(jīng)濟(jì)方面的綜合考慮，相鄰軌枕、道床板組成的U形槽的寬高比宜為2。

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The Selection of Track Structure and Parameter Optimization for Desert RailwayLiu Yong-hong

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

Abstract：Aimed at the serious sand calamity on ballast track structure, the causes of typical sand calamity are analyzed. A modified track structure of double-block ballastless track is then proposed accordingly, and the structure parameters of modified double-block ballastless track are optimized. The deposit of sand caused by high surface roughness of ballast bed is blamed to be the main reason for serious sand calamity on ballast track of desert railways. The desert railway with ballastless track structure, which is likely to be perpendicular to the main wind direction of the local area, ensures, as a premise, the safety of train operation. The ratio of width to height of the U-shaped slot formed by the adjacent sleeper and roadbed slab should be 2 in consideration of sand prevention by natural wind and economic cost.

Key words：Desert railway; Sand calamity; Selection of track structure; Track structure parameter optimization

中圖分類號：U213.2+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.002

文章編號：1004-2954(2015)02-0006-03

作者簡介：劉永紅(1973—)，男，工程師，工學(xué)學(xué)士，E-mail:737827542@qq.com。

收稿日期：2014-11-10； 2014-11-21