新疆鐵路大風(fēng)區(qū)段防沙措施風(fēng)洞試驗(yàn)研究

譙澤診

（烏魯木齊鐵路局 總工程師室, 新疆 烏魯木齊 830011）

1 概述

新疆境內(nèi)的蘭新鐵路 ( 蘭州—阿拉山口 ) 和南疆鐵路 ( 吐魯番—和田 ) 2 條干線絕大部分線路地處干旱荒漠和風(fēng)沙地帶，寒潮氣候給這里帶來了特殊的大風(fēng)天氣，形成了舉世聞名的“百里風(fēng)區(qū)”和“三十里風(fēng)區(qū)”[1]。風(fēng)沙造成的鐵路線路積沙、礫石打碎列車玻璃等情況時有發(fā)生，嚴(yán)重時甚至刮翻車輛造成中斷行車、列車停輪，給鐵路運(yùn)輸帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響[2-3]。

設(shè)置擋風(fēng)墻及其他防風(fēng)設(shè)施是保證大風(fēng)區(qū)段鐵路列車安全運(yùn)行的主要措施，擋風(fēng)墻的類型主要有土堤式、對拉式、柱板式、混凝土軌枕直插式、橋梁泄風(fēng)式等[4-5]。針對擋風(fēng)墻的研究，劉鳳華[6]分別對加筋對拉式、“L”型、薄型和土堤式 4 種擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)車輛的氣動力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；楊斌等[7]采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，對擋風(fēng)墻距線路的合理位置和擋風(fēng)墻的合理高度進(jìn)行研究；鄭曉靜等[8]定量分析了單節(jié)車廂脫軌傾覆時的臨界傾覆風(fēng)速隨擋風(fēng)墻高度的變化規(guī)律，以及對路基沙粒沉積的影響；楊鑫炎等[9]通過對擋風(fēng)墻的抗風(fēng)效果模擬計(jì)算，分析了擋風(fēng)墻的抗風(fēng)性能。修建擋風(fēng)墻取得了明顯的防風(fēng)效果，但在大風(fēng)天氣下，百里風(fēng)區(qū)等強(qiáng)風(fēng)地區(qū)仍然采用了一定的限速或封閉措施[10]。

為了更好地解決新疆大風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害對鐵路線路的影響，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測和風(fēng)洞試驗(yàn)等手段，研究風(fēng)沙流的活動規(guī)律，提出適應(yīng)大風(fēng)地區(qū)沙害嚴(yán)重地段使用的新型防護(hù)措施：斜插板式擋沙墻和箱式擋沙墻。對不同風(fēng)速下新式擋沙墻周圍的流場變化情況，新式擋沙墻對風(fēng)沙流的影響情況，以及新式擋沙墻的防沙效果和積沙情況等進(jìn)行了風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，測定了斜插板式擋沙墻和箱式擋沙墻的防沙效果。

2 風(fēng)沙風(fēng)洞試驗(yàn)方法

圖1 風(fēng)洞示意圖

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蛉藶榭刂坪湍M各種試驗(yàn)環(huán)境，不易受外部環(huán)境的干擾，常用作測量流場的主要設(shè)備，同時也被推廣應(yīng)用于風(fēng)沙流的實(shí)驗(yàn)研究。專用的風(fēng)沙風(fēng)洞通常由動力段、整流段、供沙裝置、試驗(yàn)段和擴(kuò)散段 5 個部分組成，如圖 1 所示[11]，該型號風(fēng)洞可以測量 0～40 m/s 的風(fēng)速范圍。在風(fēng)洞內(nèi)有風(fēng)洞試驗(yàn)專用測試工具，包括風(fēng)速廓線畢托管和臺階式集沙儀，分別如圖 2 和圖 3 所示。畢托管是風(fēng)洞專用的測量垂直分布?xì)饬魉俣鹊膬x器，由 11 個探頭、橢球頭、橫豎總壓管和靜壓管組成，能夠測出不同垂直高度的氣流速度值。臺階式集沙儀是風(fēng)洞專用測量輸沙率的儀器，該型號集沙儀有 10 個尺寸為 2 cm × 2 cm 的入口，從地面到20 cm 高呈臺階式垂直分布，集沙儀內(nèi)置 10 個集沙筒分別連接 10 個入口。風(fēng)速未達(dá)到試驗(yàn)風(fēng)速前，集沙儀入口需要被遮擋，達(dá)到試驗(yàn)風(fēng)速時，開始計(jì)時同時挪開擋板，計(jì)時結(jié)束時再次擋上集沙儀。最后，采用高精度天平稱量不同高度的集沙量從而得出風(fēng)沙流的輸沙情況。

圖2 畢托管

圖3 臺階式集沙儀

3 防沙設(shè)施及試驗(yàn)工況

3.1 防沙設(shè)施結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

斜插板式擋沙墻與箱式擋沙墻如圖 4 所示。

圖4 擋沙墻

3.2 實(shí)驗(yàn)工況

防沙設(shè)施模型按照 1∶10 的比例制作，安裝于風(fēng)洞試驗(yàn)段的中部。風(fēng)速流場的測量位置為模型前后 0H、0.5H、1H、2H、5H、10H、15H和 20H處(H為模型高度 )。試驗(yàn)工況分為 4 種，如表 1 所示。

表1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)內(nèi)容為斜插板式擋沙墻、箱式擋沙墻各選擇 1 組，測量同一風(fēng)速條件下的輸沙率情況。通過風(fēng)洞試驗(yàn)觀測擋沙墻后集沙儀內(nèi)集沙情況，驗(yàn)證新式擋沙墻能否達(dá)到目標(biāo)擋沙效果。

4 防風(fēng)設(shè)施試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 斜插板式擋沙墻試驗(yàn)結(jié)果

不同工況下斜插板式擋沙墻后風(fēng)沙流數(shù)據(jù)如表2 所示。由表 2 可以看出，隨風(fēng)速的增加，擋沙墻后積沙量越來越多；風(fēng)速大于 10 m/s 后 ( 工況 B、C、D )，在同一風(fēng)速下，沿著高度方向擋沙墻后積沙也在逐漸增加；在風(fēng)速較低的情況 ( 工況 A：6 m/s )，積沙量沿高度方向的變化規(guī)律不明顯。

4.2 箱式擋沙墻試驗(yàn)結(jié)果

不同工況下箱式擋沙墻風(fēng)沙流數(shù)據(jù)如表 3 所示。從表 3 可以看出，與斜插板式擋沙墻試驗(yàn)結(jié)果相似，隨風(fēng)速的增加，擋沙墻后積沙量越來越多；風(fēng)速大于10 m/s后，同一風(fēng)速下，沿著高度方向積沙也有逐漸增加的趨勢。

由于風(fēng)洞模擬不可能做到與現(xiàn)場實(shí)際情況完全相同，因而風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果要與現(xiàn)場試驗(yàn)相互比較、相互補(bǔ)充，才能得出準(zhǔn)確的結(jié)論?？傮w而言，該試驗(yàn)內(nèi)容全面、數(shù)據(jù)豐富，能夠?yàn)樵u價工程防沙措施的防沙效果提供有力支撐。

表2 不同工況下斜插板式擋沙墻風(fēng)沙流數(shù)據(jù)

表3 不同工況下箱式擋沙墻風(fēng)沙流數(shù)據(jù)

4.3 2 種擋沙墻比較分析

同種工況下，斜插板式擋沙墻和箱式擋沙墻的積沙情況比較柱形圖如圖 5 所示。

圖5 同種工況下 2 種擋沙墻風(fēng)沙流數(shù)據(jù)對比圖

由圖 5 可以看出，相比斜插板式擋沙墻，風(fēng)速較小時 ( 工況 A：6 m/s )，箱式擋沙墻后超過 10 cm高度后不產(chǎn)生積沙 ( 如圖 5 a 所示 )，當(dāng)風(fēng)速超過一定范圍時 ( 工況 B：10 m/s )，箱式擋沙墻后積沙明顯增加，而且遠(yuǎn)大于斜插板式擋沙墻后積沙 ( 如圖 5 b所示 )，說明由于箱式擋沙墻兩側(cè)孔隙的作用，墻體對流場的擾動特別大，積沙效果十分明顯，前、后積沙緊貼擋沙墻，而且箱墻體內(nèi)、外積沙高度差別不大。

5 結(jié)論

（1）通過新式擋沙墻積沙試驗(yàn)可以看出，斜插板式擋沙墻和箱式擋沙墻的設(shè)置有效降低了風(fēng)能，起到一定的凈化風(fēng)沙流效果。

（2）隨著風(fēng)速的增加，擋沙墻后積沙量越來越多；風(fēng)速大于 10 m/s 后，在同一風(fēng)速下，沿著高度方向墻后積沙量也在逐漸增加。

（3）相比斜插板式擋沙墻，風(fēng)速較小時，箱式擋沙墻后不產(chǎn)生積沙，當(dāng)風(fēng)速超過一定范圍時，箱式擋沙墻后積沙明顯增加，而且遠(yuǎn)大于斜插板式擋沙墻后積沙，說明由于箱式擋沙墻兩側(cè)孔隙的作用，墻體對流場的擾動特別大，積沙效果十分明顯，前、后積沙緊貼擋沙墻，而且箱墻體內(nèi)、外積沙高度差別不大。

[1] 錢征宇. 西北地區(qū)鐵路大風(fēng)災(zāi)害及其防治對策[J]. 中國鐵路，2009(3)：1-4.

[2] 祁延錄，王懷軍. 大風(fēng)對新疆鐵路的影響及防護(hù)[J]. 西部探礦工程，2009，21(6)：161-163.

[3] 葛盛昌，周林森. 蘭新鐵路沙害成因及防治對策[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2007，29(1)：33-34.

[4] 馮連昌，劉建平. 鐵路防風(fēng)沙技術(shù)措施及技術(shù)要點(diǎn)[J]. 鐵道建筑，1987(10)：16-19.

[5] 董漢雄. 蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)[J]. 路基工程，2009(2)：95-96.

[6] 劉鳳華. 不同類型擋風(fēng)墻對列車運(yùn)行安全防護(hù)效果的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，37(1)：176-182.

[7] 楊 斌，劉堂紅，楊明智. 大風(fēng)區(qū)鐵路擋風(fēng)墻合理設(shè)置[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，8(3)：68-72.

[8] 鄭曉靜，馬高生，黃 寧. 鐵路擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果和積沙情況分析[J]. 中國沙漠，2011，31(1)：22-27.

[9] 楊鑫炎，鄭史雄. 鐵路路基擋風(fēng)墻抗風(fēng)性能分析及方案比較[J]. 四川建筑，2004，24(3)：57-59.

[10] 葛盛昌，蔣富強(qiáng). 蘭新鐵路強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙成因及擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(5)：1-4.

[11] 孫秋梅，李志忠，武勝利，等. 風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞研究進(jìn)展綜述[J]. 新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，25(3)：107-111.