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嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路冰雪飛濺與防治

林建1，2，井國慶2，黃紅梅2

(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600；

2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

摘要:在介紹嚴(yán)寒地區(qū)鐵路冰雪飛濺危害基礎(chǔ)上，利用空氣動力學(xué)仿真手段分析研究鐵路道床表面冰雪飛濺現(xiàn)象。采用不可壓縮三維定常雷諾時均方程(RANS)結(jié)合k-ε雙方程湍流模型分析不同砟肩高度下強(qiáng)列車風(fēng)對道床表面的氣動特性影響。研究結(jié)果表明：列車風(fēng)速越大，道床表面風(fēng)壓越大，越易引起冰雪飛濺；相同風(fēng)速下，鋼軌兩側(cè)軌枕槽內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)壓值最小為4~15 Pa，線路中心處監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)壓值約為其10倍，砟肩處監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)壓值約為其25倍，最易引起冰雪飛濺；砟肩高度每增加50 mm，風(fēng)壓值增幅為2%~7%。高速鐵路冰雪飛濺主要通過列車、線路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，站場除雪等綜合治理措施來防治。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒地區(qū)；冰雪飛濺；空氣動力學(xué)；砟肩高度；防治措施

1現(xiàn)狀與危害

近幾年,高速鐵路發(fā)展迅猛，極大改善了交通與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但列車高速行駛也帶來一系列問題，尤其高速鐵路冰雪問題嚴(yán)重阻礙運(yùn)營與拓展[1-3]。若采取冬季限速，夏冬季不同運(yùn)營速度和時刻表，降低了軌道超高適應(yīng)性和增加了運(yùn)營成本。 需要注意的是，冰雪飛濺是飛砟問題外延表現(xiàn)形式之一。一般認(rèn)為列車時速超過300 km后易發(fā)生飛砟現(xiàn)象，但實際上在特殊路段或天氣情況下，時速250 km甚至更低情況下也會發(fā)生飛砟現(xiàn)象，如路橋過渡段、橋梁、隧道以及嚴(yán)寒冰雪線路。需要明確，飛砟問題不僅存在于有砟道床、過渡段，還存在于無砟軌道結(jié)構(gòu)線路。如嚴(yán)寒地區(qū)冰雪線路上，由于高速列車車體攜帶的積雪、融冰在列車動力或溫度條件改變下(如跨越不同地區(qū)、穿越隧道、車站)散落擊打列車、道床，并引起有砟道床表面冰雪、道砟及無砟軌道表面冰雪飛濺，擊打車體，發(fā)生連鎖反應(yīng)。因此列車不得不采取冬季降速措施，如我國哈大高鐵、日本、北歐及瑞士等。冰雪飛濺相對于普通飛砟現(xiàn)象，發(fā)生幾率更高、破壞形式更多樣、后果更嚴(yán)重(由于冰雪塊體初始運(yùn)行速度更高、質(zhì)量更大、擊打道床連續(xù)反應(yīng))[3-5]。

2冰雪飛濺機(jī)理分析

嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路冰雪飛濺力學(xué)機(jī)理是軌道動力學(xué)與空氣動力學(xué)相互作用結(jié)果，受多方面因素影響，如圖1所示。

圖1　嚴(yán)寒地區(qū)鐵路冰雪飛濺力學(xué)機(jī)理框架圖Fig.1 Railway snow flying mechanism frames of cold regions

軌道動力學(xué)主要為列車運(yùn)行時輪軌作用力對軌道產(chǎn)生的振動效應(yīng)，且無砟軌道振動強(qiáng)于有砟軌道[6]，使道床表面冰雪產(chǎn)生失重狀態(tài)，進(jìn)一步加劇冰雪飛濺；空氣動力學(xué)主要為高速列車風(fēng)對道床表面產(chǎn)生的氣動力效應(yīng)[1,7]，使車體底部及周圍道床表面產(chǎn)生強(qiáng)大負(fù)壓風(fēng)載將冰雪和道砟顆?！拔稹辈⑾蚯巴七M(jìn)。冰雪飛濺受列車線型、時速、冰雪類型、軌道結(jié)構(gòu)形式及溫度變化等影響[5]。

2.1計算理論與方法

針對嚴(yán)寒鐵路冰雪飛濺的危害機(jī)理及研究現(xiàn)狀，本文主要針對有砟道床砟肩高度因素，采用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行冰雪飛濺空氣動力學(xué)數(shù)值模擬與分析。

2.2計算模型

在充分調(diào)研國外嚴(yán)寒地區(qū)有砟道床砟肩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用經(jīng)驗及研究資料的基礎(chǔ)上，針對我國現(xiàn)有高速鐵路道床類型建立列車風(fēng)-軌枕-道床一體化耦合模型[3-5,8]，如圖2所示。道床模型長7.8 m，寬5.696 m，厚0.35 m。其中砟肩寬度為0.5 m，邊坡坡度為1∶1.75，內(nèi)設(shè)13根Ⅲ型軌枕。我國高速鐵路有砟線路維修規(guī)則規(guī)定將設(shè)計時速250~300 km有砟軌道砟肩堆高由150 mm降為100 mm[8]，因此，本文砟肩模型高度設(shè)計為100，150和200 mm 3個工況。

列車風(fēng)速是引起冰雪飛濺重要因素和必要條件[7]。韓國通過實車試驗利用皮托管測量風(fēng)速和高頻攝像觀測得出：當(dāng)列車速度為250 km/h時，軌道邊側(cè)及線路中心上部列車風(fēng)速在20~25 m/s之間，道床表面?zhèn)€別道砟顆粒出現(xiàn)移動；當(dāng)列車速度達(dá)到300 km/h及以上時，線路中心處風(fēng)速值接近30 m/s[7]。因此，本文模擬風(fēng)速值設(shè)計為20，25和30 m/s 3個梯度。

圖2　高速鐵路直線路基段道床斷面尺寸與實體模型Fig.2 Cross-sectional dimensions and model of HSR ballast bed

考慮模擬出現(xiàn)的邊界效應(yīng)及計算條件限制，將道床邊坡坡腳線計為三維計算域豎向零點(diǎn)，軸對稱的計算域右半部分長度(z軸向)為7.8 m，高度(y軸向)為2 m，寬度(x軸向)為2.848m，進(jìn)風(fēng)口面為z=7.8 m的平面，進(jìn)風(fēng)口方向為z軸負(fù)向，出風(fēng)口面為z=0 m的平面。采用三維四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式對列車風(fēng)-軌枕-砟肩模型進(jìn)行劃分[9-11]，如圖3所示。

圖3　計算域網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Computational domain mesh

監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置。為研究嚴(yán)寒地區(qū)鐵路軌道表面不同位置的空氣動力學(xué)特性，沿軌道x軸正向取4個監(jiān)測點(diǎn)，在計算過程中記錄各點(diǎn)處的風(fēng)壓載響應(yīng)，作為定量研究冰雪飛濺的依據(jù)。其中tip1位于道床中部軌枕槽內(nèi)位置；tip2位于鋼軌內(nèi)側(cè)軌枕槽內(nèi)中心位置；tip3位于鋼軌外側(cè)軌枕槽內(nèi)中心位置；tip4位于道床砟肩內(nèi)側(cè)接近砟肩頂部位置，如圖4所示。其中監(jiān)測點(diǎn)tip4在3種不同砟肩高度工況下坐標(biāo)值為(單位：m)：肩高100 mm工況監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)為(1.64,0.65,2.42)，肩高150 mm工況監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)為(1.56,0.70,2.42)，肩高200 mm工況監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)(1.48,0.75,2.42)。

圖4　道床監(jiān)測點(diǎn)Fig.4 Track bed monitoring sites

2.3計算結(jié)果分析

2.3.1風(fēng)速矢量與切應(yīng)力等值線

嚴(yán)寒地區(qū)鐵路冰雪飛濺與道床表面風(fēng)場繞流和道床表面切應(yīng)力關(guān)系密切，風(fēng)速矢量圖預(yù)示列車風(fēng)場特性，表面切應(yīng)力反映了冰雪顆粒移動的力學(xué)機(jī)理[10,12]。圖5所示為風(fēng)速25 m/s的道床表面風(fēng)速矢量圖，圖6所示為道床表面切應(yīng)力等值線云圖。

圖5　道床表面風(fēng)速矢量圖Fig.5 Wind vector on surface of track bed

圖6　道床表面切應(yīng)力等值線云圖Fig.6 Shear stress contour plot on surface of track bed

由圖5可知：鋼軌兩側(cè)軌枕槽內(nèi)風(fēng)速較小，產(chǎn)生小幅度空腔渦流，有明顯的臺階流動效應(yīng)[10]；砟肩和軌枕表面處風(fēng)速最高。從風(fēng)速流場角度來看，軌枕槽內(nèi)易引起積雪旋渦，砟肩和軌枕表面處易引起積雪飛濺。

由圖6可知：軌枕頂部、砟肩內(nèi)邊坡及砟肩頂處的切應(yīng)力值較大，易引起單個道砟及積雪沿切向力方向滾動；軌枕槽內(nèi)切應(yīng)力值較小，有的部位甚至出現(xiàn)負(fù)值，這是由于空氣流旋渦導(dǎo)致切應(yīng)力方向變化，易引起雪粒子旋動；道床邊坡切應(yīng)力隨距線路中心距離增加而減小，引起積雪飛濺的可能性較小。

2.3.2砟肩高度

嚴(yán)寒地區(qū)列車兩側(cè)冰雪飛濺現(xiàn)象嚴(yán)重，這與軌枕兩端及砟肩積雪有關(guān)[3]。砟肩高度影響道床邊坡內(nèi)外側(cè)風(fēng)雪堆積。以模型砟肩高度作為參數(shù)變量，不同風(fēng)速下，3種砟肩高度下監(jiān)測點(diǎn)tip4的負(fù)風(fēng)壓絕對值，如表1所示。

表1　tip4監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)壓值

3種工況下風(fēng)壓值隨砟肩高度變化曲線如圖7所示。同等風(fēng)速條件下，監(jiān)測點(diǎn)tip4風(fēng)壓值隨砟肩高度增加而增大，每一高度梯度增幅為2%~7%；同等風(fēng)速條件下，風(fēng)壓值隨著砟肩高度增加而增大。由此可推斷對嚴(yán)寒地區(qū)鐵路軌道，砟肩表面積雪厚度增加，增大冰雪及道砟飛濺可能性。需特別指出的是，高速鐵路改變砟肩堆高的飛砟防治措施將直接影響有砟道床無縫線路穩(wěn)定性[8]。砟肩堆高及枕心道床飽滿，雖可提高無縫線路穩(wěn)定性，但易導(dǎo)致飛砟現(xiàn)象發(fā)生，即道床穩(wěn)定性與飛砟風(fēng)險性相互矛盾，因此需進(jìn)一步協(xié)同研究道床穩(wěn)定性和飛砟防治措施。同時法國研究發(fā)現(xiàn)，降低砟肩堆高和寬度易導(dǎo)致道床橫向阻力不足，引起道床搗固頻率增加，故在滿足高速鐵路有砟道床整體穩(wěn)定性前提下，從防止冰雪飛濺角度考慮砟肩堆高宜選100 mm，甚至通過試驗研究，在滿足道床縱橫向阻力前提下，采取平肩形式。

圖7　監(jiān)測點(diǎn)tip4風(fēng)速-風(fēng)壓值隨砟肩高度變化曲線Fig.7 Winds-pressure value with ballast shoulder height by tip4

2.3.3整體分析

砟肩高度150 mm工況下的4個監(jiān)測點(diǎn)隨風(fēng)速變化的風(fēng)壓監(jiān)測值如表2所示。

表2　砟肩高150 mm監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)壓值

各監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)壓-風(fēng)速變化曲線如圖8所示。風(fēng)速越大，風(fēng)壓越大，砟肩處tip4與道床中部tip1風(fēng)壓值增加幅度大于軌枕兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)增幅。風(fēng)速為30 m/s時，tip4處風(fēng)壓值為580 Pa，即單位面積負(fù)壓力值為580 N，可使冰雪和道砟小顆粒跳動飛濺；道床中部風(fēng)壓為230 Pa，也可引起道床表面冰雪顆粒飛濺[7]。位于鋼軌左右兩側(cè)軌枕槽內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)tip2與tip3的風(fēng)壓值在10~30 Pa之間，比tip1位置風(fēng)壓值小幾十倍，最不易產(chǎn)生冰雪飛濺，風(fēng)壓值有隨道床表面與軌枕表面高差增加而減小的趨勢。

圖8　各監(jiān)測點(diǎn)風(fēng)壓-風(fēng)速變化曲線Fig.8 Pressure-wind speed curve of monitoring points

在道床模型軌枕槽內(nèi)取截面z=3.6 m平面，得到不同風(fēng)速下道床表面截面線上風(fēng)壓值如圖9所示。結(jié)果表明：相同風(fēng)速下，道床砟肩外側(cè)邊坡上風(fēng)壓平均值比砟肩頂處小15%~20%，鋼軌兩側(cè)軌枕槽內(nèi)總體風(fēng)壓值最小，隨著背離鋼軌兩側(cè)面沿x軸向距離的逐漸增加，兩側(cè)風(fēng)壓值都急劇增大，且砟肩側(cè)增加幅度大于軌道中心側(cè)增加幅度，道床砟肩內(nèi)側(cè)邊坡風(fēng)壓值變化幅度最大； 風(fēng)速每增加5 m/s，軌道中心處風(fēng)壓值增加1倍，砟肩及邊坡風(fēng)壓值增加約80%，這表明軌枕兩端處風(fēng)雪飛濺程度強(qiáng)于軌道中心處。由此可整體判斷出砟肩頂部、內(nèi)外邊坡及鋼軌表面極易引起冰雪飛濺，其次為軌道中心處，最后為鋼軌兩側(cè)小范圍軌枕槽內(nèi)。

圖9　截面線z=3.6 m上風(fēng)速-風(fēng)壓變化曲線Fig.9 Wind speed-pressure curve of the section line z=3.6 m

3防治措施

據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，嚴(yán)寒地區(qū)鐵路冰雪飛濺危害主要從線路結(jié)構(gòu)優(yōu)化、車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、站線除雪、接觸網(wǎng)除冰4個方面防治。

3.1線路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為防止風(fēng)積雪掩埋路面軌道設(shè)施，我國新疆風(fēng)雪災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)，常采用優(yōu)化鐵路路基和路塹方法。如增高路堤高度，增大路堤邊坡角度；增加路塹深度，增加邊坡長度并減小上風(fēng)向邊坡坡度；特大風(fēng)雪區(qū)段設(shè)擋雪墻和導(dǎo)風(fēng)板[13]。

哈大高鐵在全線車站、線路所、動車所設(shè)置道岔融雪裝置，即在道岔鋼軌下預(yù)先埋設(shè)電加熱絲。車站信號樓的操縱盤在降雪天氣控制道岔融雪裝置，電加熱絲加熱使道岔表面溫度升高，最高達(dá)40 ℃，保證降雪落至道岔即會融化。

國外用于鋼軌、軌枕、道岔除雪的相關(guān)附加設(shè)備較多。瑞典生產(chǎn)的道岔防雪刷，不僅可利用列車經(jīng)過時的風(fēng)力帶動防雪刷清掃道岔區(qū)基本軌與尖軌間隙積雪，其本身還對道岔電熱除雪設(shè)備起保溫作用[4]。芬蘭在道岔區(qū)叉心處使用V形擾流板，對防止冰雪在叉心處大量堆積起到了良好作用[3]。瑞典使用的電加熱融雪設(shè)備，可智能感知外界溫度變化并自動控制加熱開關(guān)，再加上站場道岔區(qū)軌枕和基本軌外側(cè)鋪設(shè)橡膠保溫板配合，防治鐵路道岔區(qū)鋼軌表面及縫隙間積雪積冰，用電量僅為高溫?zé)崴艿兰凹訜犭娎|的一半，節(jié)能環(huán)保[4-5]。

3.2車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

列車車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和防護(hù)裝置研發(fā)因有良好的理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)的工程實現(xiàn)性，對降低鐵路冰雪道砟飛濺危害有重要作用[3-4,14]。如在車輪制動系統(tǒng)上安裝電加熱片化雪裝置防止冰雪在輪轂與剎車片間淤積；應(yīng)用輪軸橡膠刮板防護(hù)片防止輪軸上冰雪淤積；車體底部電纜外圍采用彈簧圈保護(hù)裝置，列車懸掛系統(tǒng)采用防雪褶皺塑料保護(hù)套，防止積雪在縫隙處擠壓；列車車廂連接處閉式風(fēng)擋設(shè)計、列車底部裙板設(shè)計、列車頂部空調(diào)換氣孔裝置設(shè)計和車門上移設(shè)計均對降低冰雪飛濺對車體侵蝕作用起到了較好效果。

3.3站線綜合治理

站線綜合防治冰雪措施主要從防冰雪和除冰雪2個方面考慮，兼以物理化學(xué)方法。除冰雪方面，挪威使用低腐蝕高熱量化學(xué)除雪劑丙二醇，用于列車底盤隱蔽結(jié)構(gòu)處快速除雪，且除雪劑還可萃取回收再利用，既節(jié)能又環(huán)保[4]；芬蘭采用干冰爆破法除去道岔尖軌及轉(zhuǎn)轍器空隙部位冰雪，其效果較傳統(tǒng)除雪法干凈快捷；日本研發(fā)的混合動力車除雪技術(shù)，借助車載除雪設(shè)備和水泵共同作用將雪迅速融化在線路兩側(cè)水溝并循環(huán)用水，可用于暴雪后軌道積雪清理，節(jié)省人力，提高效率[4-5]。

3.4接觸網(wǎng)除冰

哈大高速鐵路成功采用接觸網(wǎng)防冰融冰技術(shù)，在不影響動車運(yùn)行前提下，采用了接觸導(dǎo)線臨界融冰電流曲線等融冰雪方案并設(shè)計了接觸網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能將接觸網(wǎng)的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和導(dǎo)線溫度等數(shù)據(jù)上傳至覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)迅速分析出接觸網(wǎng)的覆冰情況，便于管理人員及時采取融冰、除冰措施，保障鐵路安全運(yùn)行。

4結(jié)論

1)同等風(fēng)速下，砟肩處所受風(fēng)壓值隨砟肩高度增加而增大，砟肩高度每增加50 mm，風(fēng)壓增加約2%~7%。結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素考慮，砟肩堆高100 mm為適宜選擇。

2)列車風(fēng)速是發(fā)生冰雪和道砟飛濺主要影響因素之一。道床表面風(fēng)壓隨列車風(fēng)速增加而增大，列車風(fēng)速每提高5 m/s，各監(jiān)測點(diǎn)代表范圍內(nèi)風(fēng)壓約增加35%~50%。

3)道床橫斷面風(fēng)壓分析表明：軌枕及鋼軌表面和砟肩頂部風(fēng)壓最大，發(fā)生冰雪飛濺幾率最大。枕端槽內(nèi)道床表面所受風(fēng)壓較小，不易引起冰雪飛濺；道床中心表面位置與軌枕頂部高差較小，風(fēng)壓為鋼軌兩側(cè)軌枕槽內(nèi)風(fēng)壓10~25倍。故適當(dāng)降低道床中心表面道砟高度，有利于降低道床中心處冰雪飛濺發(fā)生幾率。

4)嚴(yán)寒地區(qū)鐵路冰雪飛濺防治措施，要針對線站、列車和接觸網(wǎng)等不同設(shè)備綜合考慮，借鑒國外經(jīng)驗的同時，結(jié)合自身氣候地理特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件合理制定防治措施。

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(編輯陽麗霞)

High-speed railway snow flying and prevention measures in cold regionsLIN Jian1，2, JING Guoqing2，HUANG Hongmei2

(1. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Beijing 102600, China;

2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract：On the basis of systemically introducing the railway snow flying hazards on cold regions of the world, the railway track bed snow flying phenomenon is analyzed according to the aerodynamics simulation tools. By adopting 3-D steady incompressible Reynolds averaged equations (RANS) combined withk-εtwo-equation turbulence model, the aerodynamic characteristics of the track bed with strong wind influence is studied. The study found that: the higher train wind speed is, the greater the track bed surface pressure will appear, and the more easily snow splash will caused; Under the same wind velocity, sleepers tank monitoring points pressure on both sides of the rail is 4 Pa to 15 Pa, and the monitoring points pressure at the center of line is about 10 times than that of tank monitoring points, the ballast shoulder monitoring points pressure is about 25 times so that ballast shoulder is most likely caused snow splash; Ballast shoulder pressure vary with ballast shoulder height when ballast shoulder height increases 50 mm the pressure increases by 2% to 7%. The high-speed railway snow flying control measures are: optimization of train and track structure, mechanical snow removal, and comprehensive station integrated management measures.

Key words：cold regions railway; snow flying; aerodynamics; ballast shoulder height; prevention measure

中圖分類號：U213.7+31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0028-06

通訊作者：井國慶(1979-)，男，河北廊坊人，副教授，博士，從事有砟軌道研究；E-mail：gqjing@bjtu.edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51578051)

收稿日期：*2015-06-16