哈密至將軍廟鐵路大風(fēng)觀測(cè)與研究

李鎖平

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

哈密至將軍廟鐵路(簡稱哈將線)地處新疆維吾爾自治區(qū)中東部哈密市境內(nèi)，設(shè)計(jì)推薦方案為:由蘭新鐵路火石泉站右側(cè)引出，沿北天山南麓向西北方向行進(jìn)，經(jīng)七角井洼地和三道嶺煤礦，在天山山谷大風(fēng)通道內(nèi)穿行，從巴里坤山和博格達(dá)山埡口翻越天山后沿天山北麓西行，設(shè)克希郎薩站，過木壘哈薩克自治縣后折向北，至在建準(zhǔn)將鐵路將軍廟站，全長427.92 km［1］。線路途經(jīng)百里風(fēng)區(qū)和天山埡口大風(fēng)通道區(qū)，百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強(qiáng)勁，既有蘭新鐵路曾發(fā)生多起因大風(fēng)造成的列車脫軌、翻車等事故［2］。蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)年大風(fēng)日日平均風(fēng)力大于8級(jí)以上［3］，風(fēng)力強(qiáng)勁，出現(xiàn)頻率高，風(fēng)害極為嚴(yán)重［4］，哈將鐵路沿線除百里風(fēng)區(qū)的蘭新鐵路外，附近無其它在建或運(yùn)營的鐵路干線，缺乏可借鑒大風(fēng)資料，因此，在哈將線路沿線建立大風(fēng)觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行觀測(cè)分析，掌握大風(fēng)的規(guī)律，為鐵路的選線、工程設(shè)計(jì)以及安全行車提供依據(jù)。

1 大風(fēng)觀測(cè)點(diǎn)的建立

線路由南至北穿越兩大盆地，中間翻越天山，嶺南段為哈密盆地，嶺北段為準(zhǔn)噶爾盆地，因此，哈將線觀測(cè)點(diǎn)將根據(jù)地形地貌及大風(fēng)形成機(jī)理分3個(gè)段落建立，同時(shí)利用既有蘭新線觀測(cè)站和線路附近氣象站資料。具體詳述如下:

1)嶺南段(DK0+000—DK147+000)。線路在既有蘭新鐵路北側(cè)與其相向而行，其中DK108+000—DK147+000段處于百里風(fēng)區(qū)，該段里程對(duì)應(yīng)的蘭新鐵路范圍有十三間房、了墩及紅柳3個(gè)既有氣象站，因此哈將線百里風(fēng)區(qū)段借鑒蘭新鐵路3個(gè)觀測(cè)站資料，不新建觀測(cè)點(diǎn)。嶺南段地形平坦開闊，大風(fēng)經(jīng)過風(fēng)區(qū)后擴(kuò)散，風(fēng)速顯著減弱，故只建一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，即1號(hào)點(diǎn)(如圖1)。

圖1 哈將鐵路沿線風(fēng)速觀測(cè)點(diǎn)布置示意

2)天山越嶺段(DK147+000—DK213+000)。線路穿行于北天山剝蝕低中山區(qū)，處天山七角井風(fēng)口區(qū)域東端，山間埡口大風(fēng)通道內(nèi)的冷空氣受空氣動(dòng)力學(xué)“狹管效應(yīng)”［5］影響，風(fēng)速增高，越過埡口后，風(fēng)速進(jìn)一步增大形成大風(fēng)［6］。該段地形復(fù)雜，且為風(fēng)口越嶺區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，故在此段建立2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)利用線路左側(cè)七角井和右側(cè)大石頭氣象站資料作為補(bǔ)充。

3)嶺北段(DK213+000—DK427+921)。線路越嶺后沿天山北麓西行，過木壘縣進(jìn)入準(zhǔn)噶爾盆地平原區(qū)。該段地形開闊，無較大氣壓梯度，可利用木壘氣象站資料，在其以北60 km處建立5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)。

2 觀測(cè)結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)速觀測(cè)

2.1.1 第一場(chǎng)系統(tǒng)天氣各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速及變化規(guī)律

既有蘭新線紅柳氣象站距離哈將線越嶺段最近，選擇紅柳氣象站與哈將線越嶺段各觀測(cè)點(diǎn)及附近氣象站大風(fēng)觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2。各觀測(cè)點(diǎn)從觀測(cè)周期零時(shí)起，各點(diǎn)風(fēng)速值隨時(shí)間均呈增大趨勢(shì)，4日16～18點(diǎn)風(fēng)速均達(dá)到最大，然后開始衰減，總體平緩下降，5日8點(diǎn)之后風(fēng)速基本平穩(wěn)，波動(dòng)較小，5日5～8點(diǎn)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)、七角井氣象站4點(diǎn)風(fēng)速值接近相等，5日13～19點(diǎn)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值接近，各測(cè)點(diǎn)極大風(fēng)速值出現(xiàn)時(shí)間多相差約2～3 h。各觀測(cè)點(diǎn)極大風(fēng)速值相差較大，蘭新線紅柳氣象站極值最大(38.2 m/s)，大石頭氣象站極值最小(16.1 m/s)，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)極大風(fēng)速值在4日16點(diǎn)出現(xiàn)，而七角井站、大石頭站在4日18點(diǎn)、紅柳站在4日20點(diǎn)出現(xiàn)。各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速衰減時(shí)間段相差較大，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速衰減時(shí)間為4日16點(diǎn)～5日20點(diǎn)，而紅柳站為4日20點(diǎn)～5日12點(diǎn)、七角井站為4日18點(diǎn)～5日22點(diǎn)，大石頭站風(fēng)速在5日0點(diǎn)～5日4點(diǎn)急速衰減。

圖2 2010年12月4～5日各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線

2.1.2 第二場(chǎng)系統(tǒng)天氣各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速及變化規(guī)律

本場(chǎng)將越嶺段之外其余各點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3。各點(diǎn)相同之處仍然為風(fēng)速值隨時(shí)間均呈增大趨勢(shì)，都經(jīng)歷了啟動(dòng)、加速、衰減3個(gè)階段，百里風(fēng)區(qū)的十三間房、了墩及紅柳站風(fēng)速曲線相似，極大風(fēng)速值出現(xiàn)在12月28日7～9點(diǎn)。線路附近的大石頭、木壘氣象站風(fēng)速曲線相似，極大風(fēng)速值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)為5～7點(diǎn)，而哈將線5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)極大風(fēng)速值出現(xiàn)在3點(diǎn)。天山嶺南、越嶺、嶺北這三個(gè)區(qū)域極大風(fēng)速值出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)相差2～3 h。各觀測(cè)點(diǎn)極大風(fēng)速值相差較大，蘭新線十三間房極值最大(34.9 m/s)，哈將線1號(hào)點(diǎn)極值最小(6.2 m/s)。1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速平穩(wěn)、波動(dòng)不大，十三間房、紅柳、了墩和七角井四個(gè)氣象站高風(fēng)速持續(xù)時(shí)間較長，在10點(diǎn)之后，風(fēng)速下降比基本相近，而大石頭、木壘氣象站和5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)高風(fēng)速持續(xù)時(shí)間較短，在14點(diǎn)之后風(fēng)速基本平穩(wěn)。

圖3 2010年12月28日各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線

2.1.3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均極值風(fēng)速分布

將哈將線2010年12月各觀測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的平均極值風(fēng)速用平滑曲線連接起來，發(fā)現(xiàn)5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速極值隨各自所處的位置呈“鐘形”分布，越嶺段2，3，4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速極值普遍較大且數(shù)值接近，隨后以此段為中心向線路起點(diǎn)和終點(diǎn)兩側(cè)呈遞減的趨勢(shì)，距離風(fēng)口越近，風(fēng)速越大，距離風(fēng)口越遠(yuǎn)，風(fēng)速越小，如圖4。

2.2 風(fēng)向觀測(cè)

圖4 各觀測(cè)點(diǎn)平均極值風(fēng)速隨位置變化曲線

鐵路風(fēng)害受線路與大風(fēng)的相對(duì)位置影響，線路走向與風(fēng)向垂直時(shí)對(duì)列車的危害最大［4］。以下根據(jù)2010年12月4～5日和12月28日兩系統(tǒng)天氣中沿線1，2，3，4，5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)及木壘氣象站的大風(fēng)風(fēng)向頻率觀測(cè)資料，繪制出風(fēng)向玫瑰圖(見圖5)，對(duì)風(fēng)向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。

圖5 各觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)向頻率玫瑰圖

由圖5可見，1，2，3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)向集中在N方向，4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)向集中在NW至WNW方向，5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)和木壘氣象站風(fēng)向主要集中在W方向。

2.3 大風(fēng)分布規(guī)律

根據(jù)2010年12月4日～5日和12月28日兩系統(tǒng)天氣中各觀測(cè)點(diǎn)大風(fēng)資料，蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)的十三間房極大風(fēng)速值最大，風(fēng)向集中在北或北偏東，風(fēng)區(qū)對(duì)應(yīng)哈將鐵路DK108+000—DK147+000段，向南隨著地形的平坦開闊風(fēng)速逐漸減弱，1號(hào)觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)速很小，該地處于哈密盆地傾斜平原區(qū)。越嶺段(DK147+000—DK213+000)的2，3，4 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)極大風(fēng)速值僅次于百里風(fēng)區(qū)，且各觀測(cè)點(diǎn)平均極值風(fēng)速較為接近，風(fēng)向先集中于北，逐漸偏西，越嶺段屬北天山剝蝕低中山區(qū)及南麓剝蝕丘陵區(qū);嶺北段5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)平均極值風(fēng)速最小，風(fēng)向集中在西，位于天山以北準(zhǔn)噶爾盆地平原區(qū)。

根據(jù)大風(fēng)形成機(jī)理，結(jié)合觀測(cè)結(jié)果與地貌推斷:冷空氣經(jīng)哈將線5號(hào)點(diǎn)南下，途經(jīng)木壘，翻越天山埡口過2，3，4號(hào)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，受“狹管效應(yīng)”影響，風(fēng)速增大;出天山大風(fēng)通道后海拔降低、地形開闊，一路加速而下，風(fēng)力繼續(xù)增大，呈“扇形”擴(kuò)散，到十三間房時(shí)達(dá)到極值;之后地形轉(zhuǎn)為平坦，大風(fēng)擴(kuò)散，風(fēng)速顯著減弱。1號(hào)、5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)分別處于風(fēng)區(qū)的兩翼邊緣，風(fēng)速最小。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)選線時(shí)線路盡量與主風(fēng)向平行，選擇風(fēng)力較小的背風(fēng)側(cè)風(fēng)影區(qū)，控制路堤與橋梁高度，繞避溝口等不利地形。嶺南段位于百里風(fēng)區(qū)，風(fēng)力強(qiáng)勁，需要采取防風(fēng)措施;越嶺段盡量以隧道或路塹形式通過，路堤段根據(jù)填方高度采取擋風(fēng)墻等防風(fēng)設(shè)施進(jìn)行防護(hù)。利用沿線大風(fēng)觀測(cè)點(diǎn)，建立大風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，為運(yùn)營安全服務(wù)。在降雪量較大，線路走向與風(fēng)向夾角＞30°的大風(fēng)地段，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)吹雪設(shè)計(jì)。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建哈密至將軍廟鐵路可行性研究報(bào)告［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

［2］曾廣勇.鐵路工程地質(zhì)實(shí)例:西北及相鄰地區(qū)分冊(cè)［M］.北京:中國鐵道出版社，2002:279-285.

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