基于动车组安全运行的南疆线既有防风设施优化改造研究

0 引言
大风对铁路行车安全危害极大，由侧向风引发的行车安全事故在世界各国时有发生，大风给铁路运输安全、人民生命财产安全造成严重威胁[1-5]。

南疆线前百公里风区地处吐鲁番—鱼儿沟，是进入南疆的咽喉要道，历史最大瞬时风速达64 m/s，局部地段大风天数超过200 d，对铁路运输安全带来极大影响[6-8]。

针对大风的影响，我国铁路科技工作者经过多年的研究摸索，提出修建防风结构、车辆限速、优化车辆外形、建立大风预警系统等措施来减少大风对列车行车安全的影响[9-11]。

其中南疆线最重要的防风措施就是修建挡风墙，包括土堤式挡风墙、对拉式挡风墙、桥式防风结构等[12-14]，使南疆线普速列车行车安全得到较大提升。

随着南疆线开行动车组的需求，由于动车组与普速列车的质量、编组等存在差别，因此还需验证南疆线现有防风设施是否满足开行动车组的要求。

中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司（简称乌鲁木齐局集团公司）联合中南大学、中国铁道科学研究院集团有限公司（简称铁科院）等进行多次南疆线大风环境下动车组实车试验[15-16]。

根据前期试验结果，发现南疆线现有防风设施存在诸多防风能力不足的问题，包括无挡风墙地段、桥梁挡风结构、土堤式挡风墙、不同挡风结构过渡地段等。

为了保证动车组在南疆线的开通运营和提高大风环境下的运行安全性，需对现有防风设施进行优化补强改造。

首先分析前期试验情况，对现场防风设施进行调研，总结既有防风设施需要改造之处；然后通过数值模拟计算分析，针对不同防风设施进行优化改造，提出改造思路和针对性优化补强方案。

基于动车组安全运行的南疆线
既有防风设施优化改造研究
谯泽诊
（中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）
摘 要：为探究南疆线是否满足动车组开行要求，通过实车试验的方法，发现南疆线既有防风设施部分区段不能保证动车组安全运行，需进行优化改造；在分析试验结果的基础上，对试验中出现大值点的地段进行详细现场勘查和影像记录，分析总结需优化改造的防风设施结构形式等信息，发现南疆线既有防风设施薄弱环节处于无挡风墙地段、桥梁挡风结构、土堤式挡风墙、过渡段等位置。

通过数值模拟计算，对土堤式挡风墙、浅路堑和土堤式下坡风等提出具体改造思路和优化方案。

通过推荐施工方案、开展现场验证，以达到满足动车组安全运行的目的。

关键词：南疆线；动车组；防风设施；挡风墙；下坡风
中图分类号：U216 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2018）12-0060-08 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2018.12.060
作者简介：谯泽诊（1962—），男，提高待遇高级工程师。

1 前期现场试验概况
根据乌鲁木齐局集团公司公布的《南疆线大风环境动车组运行安全专项试验组织方案的通知》要求，共进行3次试验：
（1）2016年5月18—19日，采用CRH5G-5200进行南疆线大风环境动车组运行安全专项试验，共进行8个试验序列。

试验期间，南疆线前百公里风区最大瞬时风速53.4 m/s（K54+620红山渠东）、最大车载风速47.2 m/s（K23+398下行，2016年5月18日
18：02：27）；列车最高试验速度80 km/h。

（2）2016年10月14—15日，采用CRH5G-5200
进行南疆线大风环境动车组运行安全专项试验，共进
行16个试验序列。

试验期间，南疆线前百公里风区最
大瞬时风速53.8 m/s（K20+940三个泉特大桥）、最
大车载风速52.3 m/s（K21+400），列车最高试验速度
90 km/h。

（3）2016年11月17—18日，采用CRH5G-5200、
5214动车组开展南疆线大风环境重联动车组运行安全
专项试验，共进行12个试验序列（含重联动车组适应
性运行）。

试验期间，南疆线前百公里风区最大瞬时
风速46.7 m/s（K20+940三个泉特大桥）、最大车载风
速47.4 m/s（K23+240）；列车最高试验速度155 km/h。

根据3次试验结果，选取每一趟、每一节车的动
力学倾覆系数最大值点对应的地面风速和车速分布进
行分析。

其中，地面风速为列车通过时附近地面测风
点前后5 s的最大风速，绘制出风速与列车速度分布
见图1。

图1中动力学倾覆系数根据气动力和加速度
测试结果，结合动力学模型计算得到，倾覆系数分为
小于0.6、0.6~0.7、0.7~0.8、大于0.8四个区间，考
虑到列车运行中的偶然因素，在进行运行速度限值分
析时，倾覆系数不超过标准限值0.8。

结合初步数值
分析结果，得到基本限速值如下：风速W≥36 m/s，动车组停止运行；33 m/s≤W＜36 m/s，动车组限速40 km/h；30 m/s≤W＜33 m/s，动车组限速60 km/h；25 m/s≤W＜30 m/s，动车组限速80 km/h；20 m/s≤W＜25 m/s，动车组限速120 km/h；W＜20 m/s，动车组按160 km/h运行。

现场试验大值点主要出现在下行线K20—K27区段和上行线K20—K27、K73—K76区段，以及不同防风墙结构过渡段，建议对大值点出现的地段和大桥区段的挡风墙结构进行进一步优化研究。

试验结果表明，南疆铁路部分区段既有防风设施防风能力薄弱，在现有防风设施条件下开通运营动车组列车存在诸多安全隐患，亟待补强。

2 现有防风设施现场调研
乌鲁木齐局集团公司、中南大学、铁科院于2017年8月14—20日对南疆线防风设施进行现场勘察。

主要采用摄录影像和现场勘察方式，对南疆线前百里风区线路两侧进行全程录像，并对典型地段进行实地勘察，现场勘察地段达38处，重点对挡风墙迎风侧地形地貌进行现场考察，明确防风效果薄弱原因。

获取了系列现场的图片和数据，并对现有防风设施薄弱地段进行统计分析，为后续挡风墙改造设计、补强提供详实资料。

具体内容包括：挡风墙全程录像，典型过渡地段现场考察，挡风墙形式及过渡段类型统计、整理、分类等。

依据现场考察结果，南疆线现有防风设施薄弱环节主要包括：高路堤无挡风墙地段、桥梁挡风结构（含过渡处）、土堤式挡风墙、不同挡风墙过渡段等。

南疆线前百里风区K0—K9+755为无挡风墙区段，其中K5+582为实车试验中大值点出现位置，对该处进行现场考察（见图2），该地段迎风侧无特殊地形，但部分地段路堤高达6 m，因此建议对高路堤地段加设挡风墙。

另外，对11处桥梁挡风结构及桥头桥尾过渡处进行现场考察，发现桥梁挡风结构主要存在以下问题：图1 试验列车倾覆系数大值点对应速度与地面风速分布
列
车
速
度
/
（
k
m
·
h
-
1
）
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
风速/（m·s-1）
倾覆系数
小于0.6
0.6~0.7
0.7~0.8
大于0.8
（1）桥梁挡风结构过矮。

由于峡谷等地形的存在，桥梁挡风结构处风速普遍较大，桥梁挡风结构与过渡处挡风墙高度差较大（见图3），有效挡风高度不足，防风效果较差。

需对危险路段桥梁挡风结构进行加高。

（2）桥梁挡风结构过渡处存在缺口。

部分桥梁挡风结构路段的桥头及桥尾均存在不同程度缺口（见图4），沿线路方向的风可通过缺口进入线路，严重影响列车通过时的安全性能。

需对桥梁挡风结构过渡处缺口进行补齐。

根据实车试验结果，土堤式挡风墙防风效果较差，多趟试验大值点均出现在土堤式挡风墙路段，本次共对13处土堤式挡风墙进行现场考察，主要存在以下问题：
（1）迎风侧较矮。

部分土堤式挡风墙迎风侧土堤较矮（见图5），气流可沿土堤式挡风墙迎风侧越过顶部进入线路，防风效果较差。

建议对该路段土堤式挡
风墙进行适当加高。

图2 K5+582
附近高路堤地段
图3 K92+180
桥梁与对拉式挡风墙过渡处
图
4 桥梁挡风结构与其他形式挡风墙过渡处缺口
图5 K78+400土堤式挡风墙迎风侧
（2）迎风侧存在山梁。

部分土堤式挡风墙迎风侧存在山梁（见图6），山梁与土堤式挡风墙顶部平齐，甚至高于土堤式挡风墙顶部，气流可沿山梁直接进入线路，防风效果较差。

建议对土堤式挡风墙进行适当加高。

（3）下坡风。

土堤式下坡风路段为土堤式挡风墙中最危险路段之一，由于挡风墙迎风侧存在较大且连续向下倾斜的山坡（见图7），气流经过斜坡直接进入线路，严重影响行车安全。

建议对该类地段土堤式挡风墙增加较大高度。

不同防风结构过渡处也是实车试验中大值点出现较多的位置，共对10处过渡处（不含桥头与桥尾过渡处）进行现场勘测，发现主要存在以下问题：
（1）过渡处挡风墙防风效果不足。

南疆线挡风墙类型多种多样，其中对拉式挡风墙防风效果较好，土堤式挡风墙防风效果较差，且多个过渡区域位于风速较大处，过渡处土堤式挡风墙防风效果不足（见图8）。

建议对土堤式挡风墙进行加高。

（2）过渡处缺口。

部分过渡处存在缺口，气流可直接从缺口进入线路，缺口处无防风效果（见图9），
建议对缺口进行补齐。

图6 K63+907
附近土堤式挡风墙迎风侧
图7 土堤式挡风墙迎风侧下坡风地形图
8 土堤挡风墙与对拉式挡风墙过渡处
图9 K52+537对拉土堤过渡处缺口
南疆线防风薄弱环节除上述类型外，还涉及对拉式挡风墙、路堑、车站混凝土板式挡风墙等不同形式挡风墙。

其中，对拉式挡风墙、混凝土板式挡风墙及深路堑防风效果较好，浅路堑防风效果较差（见图10）。

建议对浅路堑进行加高，对路堑缺口进行补齐。

3 现有防风设施改造思路
针对上述现有防风设施防风能力不足的问题，通过流场计算及动力学分析，得到不同挡风墙改造方案。

就土堤式挡风墙、浅路堑和土堤式下坡风的优化改造方案进行介绍。

3.1 土堤式挡风墙
根据迎风侧高度的不同，土堤式挡风墙采用不同的加高方案。

土堤式挡风墙迎风侧高度为3.5 m 和1.5 m 时，挡风墙顶部加高高度为0.5 m；迎风侧高度为0时，加高高度为1.0 m（见图11）。

迎风侧高度不同时，挡风墙加高曲线见图12。

综合考虑土堤式挡风墙气动力优化结果及降低工程造价等因素，对土堤式挡风墙改造方案建议如下：迎风侧高度H ≤1.5 m 时，建议加高1.0 m；迎风侧高度H ＞1.5 m 时，建议加高0.5 m。

3.2 浅路堑
通过数值模拟计算[17]发现，对于边坡为1︰1.5的路堑，临界深度为12 m。

因此，深度小于12 m 的浅路堑需进行改造。

不同深度浅路堑挡风墙加高方案见图13，加高位置为距路堑边缘3.5 m。

路堑深3 m 时，挡风墙加高高度为1.0 m；路堑深6 m 时，挡风墙加高高度为0.5 m。

路堑深度不同时的挡风墙加高曲线见图14。

边坡为1︰1.5的路堑改造方案为：路堑深度H ≤5 m，建议
增设1.0 m 高挡风墙；路堑深度H ＞5 m，建议增设0.5 m 高挡风墙。

另外，对于边坡坡度较陡的路堑，如边坡为1︰0.364的路堑（见图15），计算发现其临界深度为5 m，低于5 m 的路堑需进行改造。

边坡1︰0.364路堑深3 m 时，挡风墙加高高度为1.0 m（见图16）。

综合考虑，边坡为1︰0.364的路堑改造方案为：路堑深度H ≤5 m，建议增设1 m 高挡风墙；路堑深度H ＞5 m，不需改造。

3.3 土堤式下坡风
现场考察发现，下坡风坡度主要有10°和20°两
种类型。

图10 K26+610附近路堑缺口
图11 土堤式挡风墙加高示意图
图12 不同迎风侧高度下土堤式挡风墙加高高度
3.5
0.5
11.95
1.5
0.5
11.95
1.0
11.95
单位：m
加高高度/m
1.21.00.80.60.40.20
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
迎风侧高度/m
3.3.1 10°下坡风
土堤式挡风墙迎风侧为10°时各种情况下的加墙方案见图17。

当下坡在挡风墙顶部时，建议新建挡风墙高度为2.00 m；下坡在挡风墙中部时（迎风侧有效高度1.5 m），建议采用在原挡风墙上加高1.00 m 的挡风墙；下坡在挡风墙底部时（迎风侧有效高度3.5 m），采用在原挡风墙上加高0.75 m 的挡风墙。

综合考虑，下坡风为10°的土堤式挡风墙迎风侧改造方案需根据
挡风墙迎风侧高度的不同而确定，迎风侧高度不同时的挡风墙加高曲线见图18。

因此，综合考虑土堤式挡风墙气动力优化结果及降低工程造价等因素，对于10°下坡风土堤式挡风墙：迎风侧高度H ≤0.5 m 时，建议加高 2.00 m；
图13 浅路堑挡风墙加高示意图
图14 路堑深度不同时的挡风墙加高曲线
图15 1︰0.364路堑临界深度
图16 边坡为1︰0.364路堑深3 m 时增设挡风墙方案
图17 土堤式挡风墙迎风侧下坡风为10°时的加高方案
图18 10°下坡风土堤式挡风墙迎风侧不同高度的加高高度
1.0
3.53
1︰1.514.2
0.5
3.5
6
1︰1.518.7
单位：m
加高高度/m
1.21.00.80.60.40.20
3 6 9 12
路堑深度/m
临界深度5 m
1︰0.364
1.0
3.531︰0.364
10.79
单位：m
2.00
3.5
10°
15.95
1.00
10°
11.95
0.75
10°
11.95
单位：m
加高高度/m
2.52.01.51.00.50
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
迎风侧高度/m
0.5 m ＜H ＜1.5 m 时，建议加高1.50 m；1.5 m ≤H ＜2.5 m 时，建议加高1.00 m；H ≥2.5 m 时，建议
加高0.75 m。

3.3.2 20°下坡风
对于土堤式挡风墙迎风侧下坡风为20°，下坡在挡风墙顶部时（迎风侧有效高度为0），建议新建挡风墙高度为3.25 m；下坡在挡风墙中部时（迎风侧有效高度1.5 m），建议采用在原高度基础上加高2.25 m 的挡风墙；下坡在挡风墙底部时（迎风侧有效高度3.5 m），建议采用在原高度基础上加高1.50 m 的挡风墙（见图19）。

下坡风为20°的土堤式挡风墙迎风侧改造方案需根据挡风墙迎风侧高度不同确定，迎风侧高度不同时的挡风墙加高曲线见图20。

综合考虑土堤式挡风墙气动力优化结果及降低工程造价等因素，对于20°下坡风土堤式挡风墙：迎风侧高度H ≤0.5 m 时，建议加高3.25 m ；0.5 m ＜H ＜1.5 m 时，建议加高2.50 m；1.5 m ≤H ＜2.5 m 时，建议加高2.25 m；2.5 m ≤H ＜3.0 m 时，建议加高2.00 m；H ≥3.0 m 时，建议加高1.50 m。

4 下一步研究工作
为满足动车组安全运行要求，在对以上土堤式挡风墙、浅路堑和土堤式下坡风地形等提出优化改造方案后，下一步研究工作将围绕以下内容展开：
（1）与工程设计部门对接，现场勘测后提出施工设计方案；
（2）根据施工设计方案，完成现场施工；（3）在防风设施改造完成后，开展现场试验验证；（4）结合防风设施改造后安全运行速度限值和现场试验验证结果，确定南疆线大风环境下动车组运行安全管理办法。

5 结论
针对南疆线防风设施是否满足动车组开行的问题，在实车试验、现场勘查及数值模拟计算分析的基础上，得出以下结论：
（1）试验结果表明南疆线部分区段现有防风设施防风能力薄弱，目前的防风设施条件下开通运营动车组列车存在诸多安全隐患，现有防风设施部分地段需进行优化补强改造。

（2）结合试验结果及现场考察，发现南疆线现有防风设施薄弱环节主要包括无挡风墙地段、桥梁挡风结构（含过渡处）、土堤式挡风墙、过渡段等。

（3）通过数值模拟计算分析，得到土堤式挡风墙、浅路堑、土堤式下坡风等地形优化改造方案，施工设计阶段研究与设计单位需进一步结合，综合考虑现场实际，确定施工设计方案。

参考文献
[1] 祁延录，王怀军．大风对新疆铁路的影响及防护[J]．
西部探矿工程，2009，21(6)：161-163．
[2] CHEN Z W，LIU T H，JIANG Z H，et al. Comparative
图19 土堤挡风墙迎风侧下坡风为20°时的改造方案
图20 20°下坡风土堤式挡风墙不同迎风侧高度下的加高高度
3.25
20°
11.95
2.25
20°
11.95
1.50
20°
11.95
单位：m
加高高度/m
3.5
3.02.52.01.51.00.50
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
迎风侧高度/m
Abstract ：The purpose of this study is to verify the feasibility of running EMU on Nanjiang Railway. It is found that the existing wind break facilities on some sections cannot guarantee the safety of EMU operation after a real train test was conducted on the railway. Based on the test result analysis, we made field survey and photologging for the sections tested with maximum value points and concluded such information as wind break structure for the to-be-upgraded sections which were mainly the locations without wind break wall, or with bridge wind break structure, earth embankment wind break wall or for transitional sections. Via numerical simulation, specific upgrading and optimization plans were proposed for earth embankment wind break wall, shallow cutting and earth embankment fall wind sections. And construction plans were recommended and site validations should be conducted to fulfill the requirements of EMU operation on Nanjiang Railway.
Keywords ：Nanjiang Railway ；EMU ；wind break facility ；wind break wall ；fall wind
QIAO Zezhen
（China Railway Urumqi Group Co Ltd ，Urumqi Xinjiang 830011，China ）
analysis of the effect of different nose lengths on train aerodynamic performance under crosswind[J]．Journal of Fluids and Structures，2018，78：69-85．
[3] LIU T H，CHEN Z W，ZHOU X S，et al．A CFD analysis
of the aerodynamics of a high-speed train passing through a windbreak transition under crosswind[J]． Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics， 2018，12(1)：137-151．[4] 包云，王瑞，王彤．欧洲对高速铁路横风的研究[J]． 中国铁路，2015(3)：8-11．
[5] 王瑞，陈苒，包云．JR 东日本铁路大风监测技术研 究[J]．中国铁路，2018(7)：96-102．
[6] 周细赛，刘堂红，陈争卫，等．大风环境下单层
客车临界倾覆风速研究[J]．铁道科学与工程学报， 2016，13(2)：345-351．
[7] 李鲲．大风区高速铁路新型防风设施研究[J]．中南 大学学报：自然科学版，2012，43(2)：353-359．[8] 潘新先．大风环境下自轮运转设备运行安全分析研 究[J]．中国铁路，2015(3)：12-15．
[9] 田红旗．中国恶劣风环境下铁路安全行车研究进展[J]．
中南大学学报：自然科学版，2010，41(6)：2 435-2 443．
[10] 吴宁，寸冬冬．大风环境下动车组行车车载控制
参数研究[J]．中国铁路，2017(11)：82-87．[11] 许平．青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统研 究[D]．长沙：中南大学，2009．
[12] 葛盛昌，蒋富强．兰新铁路强风地区风沙成因及
挡风墙防风效果分析[J]．铁道工程学报，2009(5)： 1-4．
[13] 董汉雄．兰新铁路百里风区挡风墙设计[J]．路基 工程，2009(2)：95-96．
[14] 姜翠香，梁习锋．挡风墙高度和设置位置对车辆
气动性能的影响[J]．中国铁道科学，2006，27(2)： 66-70．
[15] 中国铁道科学研究院，中南大学，乌鲁木齐铁路
局．南疆铁路大风环境下动车组运行安全专项试 验阶段研究报告[R]．乌鲁木齐，2016．[16] 潘新先．南疆线大风条件下动车组运行安全性现 场试验研究[J]．中国铁路，2018(4)：1-7．[17] 中南大学，中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司．
南疆铁路大风环境下动车组运行安全专项试验（补
充研究）研究报告[R]．乌鲁木齐，2018．
责任编辑 高红义收稿日期 2018-11-01。