張洪宇,孟亮,戴賢春
(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心,北京 100081;2. 中國(guó)鐵路總公司 安全監(jiān)督管理局,北京 100844)
根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,至2020年,我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)15萬(wàn)km,其中高速鐵路3萬(wàn)km,覆蓋80%以上的大城市;至2030年,基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會(huì)高速鐵路連通、地市快速通達(dá)、縣域基本覆蓋[1],屆時(shí)將形成以高速鐵路為骨架,布局合理、覆蓋廣泛、高效便捷、安全經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代鐵路網(wǎng)絡(luò)。《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》在交通運(yùn)輸業(yè)領(lǐng)域明確提出“發(fā)展安全高速的交通運(yùn)輸技術(shù),促進(jìn)交通運(yùn)輸向更加安全的方向發(fā)展”的思路[2]。隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展,路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,鐵路沿線涉及的地理環(huán)境差異更大,氣候類型眾多,因高影響天氣導(dǎo)致的鐵路安全運(yùn)行問(wèn)題將更加突出。為此,對(duì)高影響天氣所帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入分析,并提出切實(shí)可行的應(yīng)對(duì)措施,以提高高影響天氣條件下鐵路運(yùn)營(yíng)安全性。
《高速鐵路運(yùn)行高影響天氣條件等級(jí)》中對(duì)高影響天氣的定義為:對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生重大影響的天氣現(xiàn)象與事件,如對(duì)流性和地形降水造成的洪水、暴雨雪、沙塵暴,破壞性地面大風(fēng)等,也包括高溫、低溫、干旱、影響空氣質(zhì)量的氣候條件以及具有高度社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響的非極端天氣等[3]。我國(guó)地域遼闊,自然地理情況復(fù)雜,氣象災(zāi)害種類多種多樣,是世界上氣象災(zāi)害較嚴(yán)重的國(guó)家之一。鐵路高影響天氣的形成和發(fā)生與其自身及鐵路地理位置密切相關(guān)。
我國(guó)受夏季風(fēng)影響的地區(qū)占國(guó)土面積一半以上,由于季風(fēng)氣候的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致年內(nèi)降水不均,暴雨和洪災(zāi)經(jīng)常發(fā)生。我國(guó)主要干線鐵路大多集中在東部及沿海地區(qū),而這些地區(qū)又是洪澇和暴雨易發(fā)、多發(fā)地區(qū),一旦災(zāi)害發(fā)生,損失十分慘重。例如,京滬高鐵多處于河流下游的平原地區(qū),在汛期(6—9月份)沿線地區(qū)日最大降雨量均大于100 mm,鐵路橋涵及線路易遭受江河下游大范圍洪澇災(zāi)害、江河決堤、水庫(kù)潰決等威脅;海南東環(huán)高速鐵路地處熱帶季風(fēng)氣候的海南島,是同緯度世界上降雨量最多的地區(qū)之一,水汽來(lái)源充足,降水總量多,平均年降雨量約為1 640 mm;福廈、甬臺(tái)溫以及武廣等高速鐵路在淮河以南位于北亞熱帶濕潤(rùn)大區(qū),屬典型季風(fēng)氣候,這些地區(qū)受副熱帶高壓和熱氣旋影響,是暴雨洪水災(zāi)害的多發(fā)區(qū)。
我國(guó)西南地區(qū)以盆地、丘陵地形為主,四周均是高山峻嶺,大部分山地地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,表層巖體破碎,土層瘠薄,而且處于副熱帶高壓帶范圍,高原季風(fēng)、東亞季風(fēng)和西南季風(fēng)是該地區(qū)重要的水汽來(lái)源。青藏高原以東的西南地區(qū)(川、渝、黔、滇)分布著眾多河流,該地區(qū)受季風(fēng)環(huán)流和復(fù)雜地理環(huán)境的影響,常發(fā)生局部強(qiáng)降水,是我國(guó)局部區(qū)域降水差異最大、變化最復(fù)雜的地方之一[4]。每到雨季,由降水誘發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流和山洪的集群災(zāi)害極易發(fā)生。途經(jīng)上述地區(qū)的鐵路線路一旦遭遇暴雨及其引發(fā)的次生災(zāi)害,損失將會(huì)十分慘重。1981年,在罕見(jiàn)連續(xù)暴雨的作用下,寶成鐵路沿線60余處遭受泥石流災(zāi)害,其中50余座橋涵被沖毀,淤埋車站5座,灌入隧道4座,中斷行車2個(gè)多月[5]。
新疆地處我國(guó)西北,受西伯利亞、烏拉爾山南下冷空氣影響,大風(fēng)頻繁,因地形北高南低,大風(fēng)順坡而下,風(fēng)力強(qiáng)勁,強(qiáng)冷氣流經(jīng)過(guò)山口時(shí)產(chǎn)生的狹管效應(yīng)會(huì)使風(fēng)速加大[6]。新疆鐵路穿越阿拉山口、達(dá)板城(三十里風(fēng)區(qū))、七角井(百里風(fēng)區(qū))等數(shù)個(gè)世界上內(nèi)陸鐵路大風(fēng)風(fēng)速最高、風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的風(fēng)口風(fēng)區(qū),并且大部分鐵路線路都處于高原、山區(qū)等氣候復(fù)雜地區(qū)。根據(jù)《新疆通志·鐵道志》記載,自蘭新線、南疆線通車以來(lái),大風(fēng)引起列車脫線、顛覆事故30余次,吹翻列車近百輛,直接經(jīng)濟(jì)損失超千萬(wàn)。
東南沿海地區(qū)位于大陸東岸,易受來(lái)自太平洋的反氣旋影響而形成熱帶氣旋,是我國(guó)受臺(tái)風(fēng)影響最強(qiáng)、最頻繁的地區(qū)。由于其自身地理位置特點(diǎn),該地區(qū)起風(fēng)速度快,平均風(fēng)速偏大,給列車運(yùn)行安全帶來(lái)危害。
我國(guó)是世界上中低緯度山岳冰川和積雪廣泛分布的國(guó)家之一。積雪分布具有由南向北遞增和隨海拔增高而明顯增厚的總趨勢(shì)。哈佳鐵路是我國(guó)新建高寒地區(qū)最長(zhǎng)的快速鐵路,位于黑龍江省中東部,這里屬于寒溫帶與溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季在干冷西北風(fēng)控制下,干燥少雨,寒冷漫長(zhǎng)。我國(guó)第1條高原鐵路——青藏鐵路沿線氣候類型復(fù)雜多變,凍土分布廣泛,經(jīng)過(guò)海拔4 000 m以上的地段有960 km,冬季和春季多雪,由于海拔高,氣溫低,積雪常年堆積。還有新疆北部、東北和西南的一些山區(qū),冬季氣候寒冷,降雪量較大,受自然降雪和風(fēng)吹雪的影響,地面易形成較厚的積雪,給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)安全隱患[7]。
在眾多高影響天氣因素中,強(qiáng)風(fēng)、暴雨、冰雪往往爆發(fā)范圍廣、破壞強(qiáng)度大、延續(xù)時(shí)間長(zhǎng),常會(huì)伴隨多種連發(fā)性事件,對(duì)鐵路運(yùn)輸安全影響大,使鐵路運(yùn)營(yíng)秩序不易在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。因此,分析強(qiáng)風(fēng)、暴雨、冰雪給鐵路帶來(lái)的危害風(fēng)險(xiǎn),有助于識(shí)別鐵路高影響天氣風(fēng)險(xiǎn)事件,為制定鐵路運(yùn)行規(guī)范和采取預(yù)防措施提供科學(xué)依據(jù)。
強(qiáng)風(fēng)對(duì)列車運(yùn)行安全的影響主要與強(qiáng)風(fēng)特性、列車外形特征、列車速度和線路結(jié)構(gòu)物外形有關(guān)。對(duì)高速鐵路而言,列車運(yùn)行速度快、軸重輕,因此強(qiáng)風(fēng)對(duì)高速列車運(yùn)行安全的影響更不容忽視。在大風(fēng)作用下,列車周圍流場(chǎng)、表面壓力發(fā)生變化,會(huì)導(dǎo)致列車空氣動(dòng)力性能惡化,可能造成列車橫向失穩(wěn);當(dāng)列車通過(guò)曲線路段時(shí),橫向風(fēng)力、升力與離心力疊加導(dǎo)致列車傾覆的可能性大大增加;在特大橋、路堤、埡口、峽谷、山區(qū)風(fēng)口等特殊路段,瞬時(shí)風(fēng)速會(huì)增加1.23~1.70倍,如果此時(shí)瞬時(shí)風(fēng)向與鐵路線路垂直,列車脫軌和傾覆的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加[8]。此外,強(qiáng)風(fēng)對(duì)橋梁、接觸網(wǎng)、通信等鐵路地面設(shè)施也會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞,還可能吹翻吹落線路附近設(shè)施設(shè)備、樹(shù)木等,侵入軌道,與列車發(fā)生沖突,甚至?xí)T發(fā)長(zhǎng)年風(fēng)化的浮石而引起落石災(zāi)害。
降雨致災(zāi)與鐵路沿線的降雨程度、地形條件、土質(zhì)情況和排水狀況等因素密切相關(guān)。與大風(fēng)和地震具有突發(fā)性不同,降雨往往是通過(guò)積少成多、循序漸進(jìn)而形成災(zāi)害,發(fā)生頻率較高。連續(xù)降雨和突發(fā)性暴雨會(huì)導(dǎo)致路堤及地基失穩(wěn),易發(fā)生線路塌陷和路堤溜坍;會(huì)引發(fā)河流水位上升形成洪水,使橋墩因洪水的強(qiáng)力沖刷而產(chǎn)生變形傾倒、橋跨移位;造成隧道襯砌變形開(kāi)裂、掉塊和隧道積水;損毀鐵路供電系統(tǒng)設(shè)備、接觸網(wǎng)設(shè)備以及通信信號(hào)設(shè)備。對(duì)于山區(qū)鐵路,連續(xù)強(qiáng)降雨或局部地區(qū)突發(fā)性暴雨還會(huì)引發(fā)山體崩塌、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,沖毀橋梁和涵洞,掩埋線路和車站等,嚴(yán)重威脅鐵路運(yùn)輸安全[9-10]。
我國(guó)東北、新疆北部及青藏高原等嚴(yán)寒地區(qū),冬季氣候寒冷,降雪量較大,會(huì)給鐵路安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一系列特殊問(wèn)題。主要表現(xiàn)在:粘附在車輛底架上的積雪導(dǎo)致絕緣不良,造成車下設(shè)備損壞;大雪堆積在道岔尖軌處,使道岔不能密貼,發(fā)生道岔不能轉(zhuǎn)換等故障,導(dǎo)致列車無(wú)法正常運(yùn)行;道床內(nèi)厚重的積雪引起軌道電路短路;高速列車卷起的雪塊以及因車體振動(dòng)或溫度升高導(dǎo)致冰塊從車體上落下,引起道砟飛濺,威脅線路兩側(cè)的地面設(shè)備;在電氣化鐵路區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停車,架式受電弓因積雪重量加大會(huì)脫離接觸網(wǎng)而離線,造成斷電;因氣溫急劇上升或下雨而造成的積雪融化會(huì)誘發(fā)滑坡和落石災(zāi)害;線路上及其附近形成的大量積雪會(huì)埋沒(méi)線路,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引發(fā)斜坡發(fā)生雪崩;強(qiáng)風(fēng)挾帶著分散雪粒形成的風(fēng)吹雪使能見(jiàn)度極低,影響列車司機(jī)瞭望[10]。
通過(guò)資料檢索和調(diào)研,歸納梳理1982—2015年間我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,以及日本、英國(guó)和美國(guó)等國(guó)家鐵路事故調(diào)查報(bào)告記載的高影響天氣導(dǎo)致的鐵路交通事故,分析風(fēng)、雨、雪等高影響天氣對(duì)鐵路工務(wù)工程、動(dòng)車組、通信信號(hào)、牽引供電、客運(yùn)、機(jī)務(wù)等系統(tǒng)帶來(lái)的潛在安全風(fēng)險(xiǎn),并對(duì)發(fā)生原因和可能產(chǎn)生的后果進(jìn)行分析[11](見(jiàn)表1)。
表1 鐵路高影響天氣潛在安全風(fēng)險(xiǎn)
運(yùn)用新技術(shù)和新方法建立針對(duì)鐵路高影響天氣災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)防的科學(xué)體系。例如,通過(guò)研究汛期水下沖刷監(jiān)測(cè)預(yù)警新技術(shù)和新設(shè)備,開(kāi)發(fā)信號(hào)地面設(shè)備防護(hù)裝置;優(yōu)化動(dòng)車組車頂瓷瓶、絕緣子的絕緣設(shè)計(jì),研制新型防冰雪、防污閃涂料及絕緣材料等抵御自然災(zāi)害的新產(chǎn)品;開(kāi)展高速鐵路防災(zāi)監(jiān)測(cè)、設(shè)備故障預(yù)警以及風(fēng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性等技術(shù)研究,提升設(shè)備安全監(jiān)測(cè)及防災(zāi)綜合技術(shù)水平。
為應(yīng)對(duì)高影響天氣對(duì)鐵路交通運(yùn)輸設(shè)施的不利影響,在制定鐵路設(shè)計(jì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮氣候變化影響因素。對(duì)于不同地理環(huán)境和氣候條件下不同地區(qū)建設(shè)的鐵路線路,應(yīng)遵循地區(qū)差異化設(shè)計(jì)原則;對(duì)重要線路及氣候環(huán)境惡劣地區(qū),應(yīng)提高防災(zāi)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn);對(duì)跨越高等級(jí)公路、通航河流、重要電力線路以及運(yùn)行維護(hù)和事故搶修特別困難的局部地段,應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);在新建鐵路時(shí)應(yīng)考慮將防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)納入建設(shè)規(guī)劃,強(qiáng)化鐵路防御高影響天氣的能力。
由于鐵路線路的特殊性,風(fēng)、雨、雪等高影響天氣一方面會(huì)因地形地貌影響鐵路行車安全,另一方面會(huì)給鐵路橋梁、路基、接觸網(wǎng)等設(shè)備設(shè)施帶來(lái)危害。為保證鐵路行車安全,不僅要建立風(fēng)、雨、雪等災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)大隧道、長(zhǎng)大橋梁、路基、大型車站、牽引供電系統(tǒng)和通信信號(hào)等固定設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè),形成綜合的災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建鐵路全方位的安全保障體系。同時(shí)采集氣象、線路及鐵路沿線設(shè)備狀態(tài)等相關(guān)信息,運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)各類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘,為科學(xué)分析事故風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律提供依據(jù)。
做好日常及惡劣氣候條件下鐵路設(shè)備的維護(hù)和巡查,按設(shè)備維修規(guī)程定期檢查和維修,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除隱患,保證設(shè)備處于良好技術(shù)狀態(tài)。特別是在惡劣天氣多發(fā)季節(jié),要增加巡查次數(shù),有問(wèn)題隨時(shí)進(jìn)行檢修,對(duì)于重點(diǎn)地區(qū)要進(jìn)行氣象災(zāi)害的重點(diǎn)防范。例如,暴雨季節(jié),對(duì)于容易產(chǎn)生塌方的地段、橋梁及涵洞,要不間斷地巡查,加強(qiáng)防、排水設(shè)施檢查,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)通報(bào),并及時(shí)采取相應(yīng)的措施。
鐵路路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和列車運(yùn)行速度的提高,使高影響天氣給鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大。為預(yù)防和減輕突發(fā)重大氣象災(zāi)害對(duì)鐵路安全的危害,針對(duì)鐵路重大工程建設(shè)項(xiàng)目,應(yīng)將氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估納入規(guī)劃,確保在鐵路規(guī)劃編制和工程立項(xiàng)時(shí)充分考慮氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素,從源頭避免和減少高影響天氣對(duì)鐵路的不利影響。通過(guò)建立鐵路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行排查,分析研究特定地區(qū)、不同氣象災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律,以及高影響天氣對(duì)鐵路運(yùn)輸安全造成的影響和可能導(dǎo)致的一系列風(fēng)險(xiǎn)事件,采取有效對(duì)策措施防止災(zāi)害發(fā)生。
依托中國(guó)氣象局現(xiàn)有公共氣象服務(wù)資源,將氣象部門(mén)臺(tái)站與鐵路沿線自建氣象監(jiān)測(cè)臺(tái)站互聯(lián)互通,完善和優(yōu)化鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)中氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的布局,實(shí)現(xiàn)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息共享互用,提高報(bào)警和預(yù)警的準(zhǔn)確性,提升鐵路氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警水平[12]。
隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展,對(duì)保障鐵路特別是高速鐵路的運(yùn)行安全有了更高要求。為應(yīng)對(duì)高影響天氣變化對(duì)鐵路交通運(yùn)輸產(chǎn)生的不利影響,需要在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)以及維護(hù)等方面充分考慮氣候變化帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn),充分運(yùn)用鐵路各類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)資源,為分析高影響天氣災(zāi)害隱患提供有效支撐,并通過(guò)一系列有針對(duì)性的預(yù)防措施,確保鐵路安全、高效、正點(diǎn)運(yùn)營(yíng)。