摘? 要：蘭新高鐵工程設計中在風區(qū)路基地段迎風側(cè)設置有擋風墻，以減弱大風對運行動車的影響。為減少擋風墻產(chǎn)生的風流場紊亂現(xiàn)象對風監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，分析距離擋風墻區(qū)域不同空間下的風速變化規(guī)律，確定風監(jiān)測系統(tǒng)風速計距離擋風墻的距離。同時通過對國內(nèi)現(xiàn)有風速計和測風塔的設備參數(shù)比選和現(xiàn)場試驗方式，解決當?shù)丨h(huán)境下的設備適應性問題。

關鍵詞：高鐵;風區(qū);風監(jiān)測;擋風墻;距離;風速計;測風塔

中圖分類號：TP277? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0116-04

Abstract：In the design of Lanxin high speed railway project，windbreak wall is set up in the windward measurement of subgrade section in the wind area to reduce the impact of strong wind on the running motor car. In order to reduce the influence of the wind flow field disorder on the wind monitoring data，the wind speed change rule in different space from the wind retaining wall area is analyzed，and the distance between the anemometer of the wind monitoring system and the wind retaining wall is determined. At the same time，the paper compares and selects the equipment parameters of the existing anemometer and the wind tower in China，and solves the problem of equipment adaptability in the local environment.

Keywords：high speed railway;wind area;wind monitoring;windbreak wall;distance;anemometer;wind tower

0? 引? 言

高鐵災害監(jiān)測系統(tǒng)可以保證鐵路行車安全，對危及列車運行安全的自然災害等突發(fā)事件進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)監(jiān)測信息分布獲取、集中管理、綜合運用，全面掌握災害動態(tài)，提供及時準確的災害報警和預警功能，防止或減輕因災害引發(fā)的損失，避免次生災害，是高速鐵路不可缺少的重要技術保障。[1，2]

其中風監(jiān)測系統(tǒng)在高速鐵路中已得到廣泛的應用，并已有相關的設計規(guī)范。但由于蘭新高鐵地處我國大風災害最為嚴重的地區(qū)，同時工程建設中首次采取了擋風墻等多種防風措施，現(xiàn)有高鐵風監(jiān)測技術無法直接應用在工程建設中。因此需要結(jié)合沿線自然環(huán)境和既有風監(jiān)測技術和風區(qū)的防風設施等因素，解決蘭新高鐵擋風墻區(qū)段風監(jiān)測系統(tǒng)遇到的各種新問題。[3-5]

1? 路基地段風速計距擋風墻的距離

為了確保蘭新高鐵在風區(qū)大風環(huán)境中的安全運營，采用以下措施：一是在風區(qū)為保證列車運行途徑大風區(qū)段時能維持較高的運行速度，在迎風測安裝防側(cè)風屏障;二是根據(jù)沿線風速監(jiān)測報警系統(tǒng)信息，將車速降至比較合適的運行速度或者停車等，確保行車安全。其中風監(jiān)測系統(tǒng)為精準、實時監(jiān)測高鐵沿線風速風向的唯一手段，為高速鐵路提供不同等級風速報警信息，以確保行車安全。[6]

但由于在風區(qū)路基地段設有擋風墻，安裝在擋風墻后端接觸網(wǎng)桿上的風速計處于風流場紊亂區(qū)域，其監(jiān)測數(shù)據(jù)無法反映現(xiàn)場風速值，因此需要將風速計設置在擋風墻外側(cè)。因此合理確定大風監(jiān)測點距擋風墻間的距離，是保證大風監(jiān)測點真實反映鐵路沿線風場情況。

1.1? 擋風墻對大風的阻擋初步分析

基于空氣流動理論分析，擋風墻兩側(cè)風速場的風場分布屬于典型的鈍體繞流，在平順的路堤地段，氣流均為十分規(guī)律的水平流動。

當遇到路堤，由于路堤對風流的阻滯作用，氣流通過面積減小，根據(jù)單位時間流量Q=vS可知，當Q一定時，流速v與通過面積S成反比，因此在路堤上方氣流加速，且越靠近路基，加速效應越明顯;同時在路堤的背風側(cè)，由于氣流從上方流過，對下方氣流形成了一個抽空作用，導致?lián)躏L墻背風側(cè)形成漩渦，從而造成路堤背風側(cè)流場湍流現(xiàn)象十分復雜，風流特征如圖1所示。[7，8]

1.2? 路基地段擋風墻數(shù)據(jù)建模研究

根據(jù)蘭新高鐵風區(qū)路基地段典型擋風墻設計（如圖2所示），選取擋風墻高度分別為3.5 m、3.8 m、4.0 m和4.2 m進行對比分析，來流風速為30 m/s（標準高度處風速）。[9-12]

擋風墻區(qū)域風速計算區(qū)域選取主要因素為：在高度方向上，流場應當充分發(fā)展，故選取150 m;線路應當遠離入口邊界，防止干擾入口風速，故鐵路線距離入口為120 m，風屏障后考慮渦流影響，因此，選取流域總寬度為420 m;考慮其三維效應，采用在縱向拉伸一定厚度的建模方式，取厚度AE（L）為4 m。

1.3? 路基地段擋風墻數(shù)據(jù)模型風速變化情況

根據(jù)該模型經(jīng)計算得到線路附近不同位置處沿高度方向上的速度曲線圖、不同高度擋風墻下水平位置的v/v0分布圖和擋風墻前不同水平位置測點的速度結(jié)果如圖3所示。

1.4? 路基地段擋風墻前風速變化分析

通過對以上的數(shù)據(jù)分析可得路基地段擋風墻前速度變化情況：

（1）不同擋風墻高度下，在擋風墻前，風速變化規(guī)律基本相同：受到擋風墻的影響，當氣流逐漸靠近擋風墻時，速度逐漸降低，且擋風墻越高，減小得越快;當氣流到達擋風墻前時，速度降至最低，隨后氣流被迫抬升，形成加速，從而在擋風墻正上方出現(xiàn)一個極值點風速，接著受到擋風墻的遮蔽作用，氣流速度迅速減小。

（2）據(jù)擋風墻前10 m處氣流變化已趨于平穩(wěn)，無紊亂產(chǎn)生。距離擋風墻越遠、高度越高，越受擋風墻影響越小。

1.5? 路基地段風速計距擋風墻的距離

根據(jù)路基地段擋風墻前風速變化情況并結(jié)合工程設計，路基地段風速計距擋風墻的距離按照下面原則設計[13，14]：受鐵路用地界以及測風塔基礎大小限制，測風塔不能安裝到離擋風墻較遠的位置。結(jié)合現(xiàn)場路基結(jié)構(gòu)、排水溝構(gòu)成以及綜合接地設施設置情況，經(jīng)多方面分析論證，實驗認為測風塔距擋風墻15 m處時擋風墻受大風影響非常小，可滿足工程建設和大風監(jiān)測。

2? 風區(qū)風速計選擇

蘭新高鐵橫穿的風區(qū)內(nèi)存在風沙侵蝕嚴重、晝夜溫差變化大、天氣變化極端等惡劣自然環(huán)境，為確保設備在任何環(huán)境下可正確測試沿線風速、設備可靠耐用，對風速計選型提出了極為苛刻的要求。

2.1? 風速計類型

目前在風區(qū)使用風速計的行業(yè)主要為氣象、鐵路、風力發(fā)電、石油等，其選用的風速計類型主要為機械式、熱場式和超聲式。[15]

2.2? 風速計關鍵參數(shù)分析

對這三種不同原理風速計關鍵參數(shù)進行對比分析，內(nèi)容詳見表1。

根據(jù)上述關鍵參數(shù)表，超聲式風速儀風速精度高于熱場式和機械式，數(shù)據(jù)更新頻率高于機械式;其測量精度高于機械式，與熱場式基本一致。

2.3? 風速計現(xiàn)場試驗測試

由于高鐵風監(jiān)測系統(tǒng)首次在內(nèi)陸風區(qū)使用，需要在現(xiàn)場對三種不同測量原理的風速計進行試驗，試驗地點選在煙墩風區(qū)。經(jīng)過一年以上的觀察試驗，風速計對比結(jié)果如表2所示。

2.4? 風速計選擇結(jié)論

根據(jù)風速計關鍵參數(shù)比選、現(xiàn)場設備試驗和數(shù)據(jù)對比分析，在蘭新高鐵設計中采用超聲速風速計可以滿足設備可靠性、減少維護維修等要求。

3? 風區(qū)測風塔選型

按照鐵路高鐵設計規(guī)范，風速計需要安裝在接觸網(wǎng)桿上。但是蘭新高鐵迎風側(cè)設置有擋風墻，接觸網(wǎng)擋處于風墻產(chǎn)生的風流場紊亂區(qū)域，因此無法將風速計安裝在接觸網(wǎng)上，需要在距離擋風墻15米處設置測風塔安裝風速計。

3.1? 測風塔選型

蘭新高鐵風區(qū)沿線風電站、氣象觀測站等處主要使用三種不同類型的測風塔有：三角自立塔、三角拉線塔和四角自立塔。結(jié)合蘭新高鐵建設的特點對測風塔類型進行對比分析。[16]

從表3對比優(yōu)缺點分析，蘭新客工程設計中專選用三角拉線塔作為測風塔，其主要優(yōu)點如下：

（1）三角拉線塔塔型隨風荷載曲線變化設計，線條流暢，遇到罕遇風災不易倒塌，安全系數(shù)高，設計符合國家鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范和塔桅設計規(guī)程，結(jié)構(gòu)安全可靠。

（2）塔柱為正三角形，可大大節(jié)約鋼材，塔基占地面積小，可有效節(jié)約土地資源，造價低廉。

（3）選址便利，塔身自重輕，運輸和安裝便捷、建設工期短。

4? 結(jié)? 論

蘭新高鐵擋風墻區(qū)段風監(jiān)測系統(tǒng)研究過程，通過建模分析、設備選型、現(xiàn)場試驗、設備原理分析等多種手段，為高鐵首次橫穿風區(qū)解決了風監(jiān)測系統(tǒng)在設計、建設和運營中遇到的困難，同時也為類似項目建設提供了解決問題的方法和思路。蘭新高鐵自2014年全線貫通運行至今，風監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過5年的運營，該系統(tǒng)仍可實時、精準、穩(wěn)定地監(jiān)測鐵路沿線風速變化情況，為鐵路調(diào)度人員提供鐵路沿線風速數(shù)據(jù)，為大風天氣行車指揮提供可靠依據(jù)。

而蘭新高鐵在風監(jiān)測系統(tǒng)與線路防風工程的雙重保護下，將高鐵受自然災害的影響降低到最小，達到“不停輪、少限速、少養(yǎng)護、保安全”目標，在兩省一區(qū)形成一條新的大能力快速鐵路通道，共享高鐵時代發(fā)展的新機遇。

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作者簡介：董鵬樂（1984-），男，漢族，陜西扶風人，本科，工程師，研究方向：鐵路通信、信息及災害監(jiān)測系統(tǒng)。