百里風區

較嚴重的一次事故在2006年4月9日，造成了T70次列車被困21個小時、晚點33小時到達北京，2007年2月28日1時55分，5807次列車運行至南疆鐵路吐魯番段珍珠泉至紅山渠站間42公里+300米處，瞬間大風襲來，11節車廂發生側翻。

十三間房年平均大風日數140天，在4—6月間，每月有10天以上的大風，最大風速12級以上。該地區1960—1980年8級以上大風，平均每年有40余天，多集中在4—5月。一般午後起風，至次日凌晨2—5時止，持續12—15小時的大風，佔總次數81%；持續40小時以上佔6%。

蘭新鐵路西段(安北至阿拉山口)大風頻繁，風口較多，風災事故頻發，主要風口包括安西風口、煙墩風口、百里風區、三十里風口、達坂城風口和阿拉山口風口(見圖1)。其中蘭新鐵路風沙災害最為突出的百里風區及三十里風口更為著名。由於風口的橫風影響，鐵路運輸安全受到極大威脅，幾乎所有的鐵路風災事故都發生在上述風口地區，這些風口大多位於天山山前，鐵路兩側為戈壁地形地貌，受西伯利亞寒流及天山埡口“狹管增速”效應影響，形成戈壁風沙流，風力強勁，大風頻繁，風沙流結構特性完全不同於普通沙漠地區。

由於戈壁地區地表主要由礫石、粗砂覆蓋物為主，下墊層物質條件與沙漠地區的地質物理環境不同，使得戈壁地區風沙流運動及力學特性不同於沙漠地區。以往對風沙流的研究多以沙漠地區的地質物理環境為基礎，針對戈壁地區風沙流的研究尚處於初始階段，對戈壁風沙流的沙粒起躍角進行力學模型分析，並從戈壁風沙流強度及能量特點研究分析風沙流結構特徵。應用不均勻沙起動風速理論，討論戈壁風蝕層與環境風力之間動態平衡的建立過程。通過對戈壁地表風沙流特性的風洞模擬試驗，討論分析戈壁地表對氣流紊動的影響效應，及對風沙流的結構和風沙活動層內的風速廓線產生的影響，但多以室內試驗研究為主，對強風地區擋風結構設計起到一定的指導作用，然而畢竟與野外實際情況有一定差距，不能提供直接的設計計算方法和相關參數。

蘭新鐵路雖然採取各種擋風牆對強風進行防護，每年仍然會因大風問題造成停運，究其原因還是對戈壁風沙流結構、攜沙高度、建(構)築物的風致壓力等認識不足。在微地形地貌條件下風沙流的運動軌跡難以確定，雖然在路堤、路塹地段修築擋風牆，但仍然難以控制線路位置處風沙流含沙量；風沙流飛揚層和部分過渡層中的沙粒還會在道牀上沉積，造成風區線路道牀板結十分嚴重，同時也可能對機車和客車車窗玻璃帶來威脅。本文在對蘭新鐵路百里風區的風沙運動及氣象條件進行現場觀測的基礎上，對其數據進行統計分析，進一步加深對戈壁地區風沙流結構及其特性的認識，為鐵路設計和安全運營提供一些理論依據。

（1）風沙觀測系統介紹

本試驗所採用的觀測系統是由項目組自主研發設計的，其優點在於儘可能減少空氣進入集沙口的繞流影響，使得進入集沙儀的沙粒很容易沉降，解決傳統集沙儀所集沙粒隨風旋出的缺點。

該系統由集沙器、集沙塔、地錨、底座、避雷針及測風塔等主要部件組成，相關技術標準：主塔高10m；積沙盒每組分8個高度佈設，高度分別為0、0.5、1、2、3、5、7、9m；底座和地錨的基礎埋入深度1.5m；集沙器管徑為20cm(見圖2)。相應的風速和風向數據由烏魯木齊鐵路局設在集沙儀旁的氣象觀測系統提供，其觀測頻率為30s/次。

沙樣收集頻率：每年3～6月、9～11月根據風況資料平均每15天取一次沙樣，其餘時間每月取一次樣。

（2）觀測系統的地理位置

在鐵路里程K1468+430～K1484+000的範圍內共設3個觀測站，依次為紅柳、十三間房和猛進東。所設集沙儀的開口方向約為北偏西10°左右，其地理位置在E91°42.187′～N91°52.756′、E43°1.791′～N43°10.218′範圍內，高程為710～728m，氣壓為95.6～95.8kPa。該地區地表粗糙度較大，沙礫粒徑較均勻，地表植被稀少。

（3）構建力學模型

為分析方便，須引入一個新概念風沙流密度，它是指空氣運動速度在大於起沙風速情況下，單位體積空氣氣流中所含沙子的質量，單位是kg/m³。

假定風沙觀測系統上游沙源在短時間內是不發生變化的；在大於起沙風速的同一風速情況下，風沙流密度是相同的，風速越大，風沙流密度越大。基於以上假定及認識，風沙觀測儀中某一高度集沙總質量Q_h計算公式為

Q_h=∑ρ_iA_vhT

式中，ρ_i為大於起沙風速情況下某一風速所對應的風沙流密度，kg/m³；A為風沙觀測系統的集沙器進沙口面積，m2；vh為某一高度風沙流密度所對應的風速，m/s；T為在取樣時間內起沙風所持續的時間，s。

風沙流對擋風牆所產生的壓強為淨風產生的壓強與風沙流中沙顆粒撞擊牆體產生的壓強之和。在通常計算中，只考慮第一種情況，往往忽略沙粒對牆體的撞擊力。

（1）風沙流密度的垂直分佈關係

圖3(3張)

風沙流是風力搬運沙物質的基本形式和運動過程，同時也是沙質地表形態形成和發展的主要動力，能夠判斷地表的蝕積狀態，掌握風成地貌的形態發育及演變規律，在沙漠科學中佔有重要地位。風沙流密度是研究風沙流運動的一個十分重要的物理量，它能較好的反映風沙兩相流中沙粒的空間分佈特徵。

根據各觀測點風沙流觀測資料，分別計算出各觀測點風沙流密度。圖3中的三幅圖分別為各觀測點風沙流密度隨高度的變化曲線。從中可以看出，風沙流密度隨着高度的增加呈現下降的趨勢。當風速在40m/s以下時，風沙流密度隨高度變化曲線為斜L形，基本以3m高度作為分界點。在3m高度以下，風沙流密度隨高度的增加大幅度下降，曲線斜率較大；在3m高度以上，風沙流密度隨高度的增加逐步下降，曲線斜率較小。當風速超過40m/s以上，隨着風速的增高，風沙流密度隨高度變化曲線的分界點將會由3m變得更高。由於缺乏2年來高風速情況下風沙流的觀測數據，當風速達到三十年一遇的60m/s時，很難確定風沙流密度隨高度變化曲線的分界點將會變得多高。上述分析説明，在風速為40m/s以下時，蘭新鐵路百里風區擋風牆高度設為3m，基本能夠防止風沙流中大部分沙粒在線路上沉落。

（2）風沙流密度與風速的關係

風速是決定風沙流密度的重要因素之一，風速越大，攜沙量越大，相應地風沙流密度也就越大。以3m高的風沙流密度和風速相互關係為例，其變化擬合曲線見圖6，從中可以看出風沙流密度ρ隨着風速v的增加而增加，在風速為34m/s以下時，風沙流密度變化不大，但當風速超過34m/s後，風沙流密度隨着風速的增加迅速提高，顯現出非常明顯的變化趨勢。

各觀測點3m高度處的風沙流密度與風速的擬合方程見表1，從中可以看出，指數方程可以很好的描述風沙流密度與風速的關係，相關係數R²>0.999，其通式可用ρ=y₀+a×e^bv(y₀、a、b為常數，與高度和風速有關)來表示。

（3）臨界風速

蘭新線百里風區列車主要受橫風影響，列車傾覆脱線的危險性較大，但當前設計和施工中考慮大風天氣對列車安全運營的影響時，往往只考慮淨風的影響，而忽略大風所攜沙粒的影響。當風速較小時，相應的攜沙量也較小，沙粒對列車的衝擊力很微弱；但當風速較大時，其所攜沙粒對列車的衝擊力就不可小覷。為更清楚地區分風沙流兩相流中，風力和沙粒對列車傾覆脱線的影響，必須要知道當風速達到多少時，沙粒對列車的衝擊壓力大於淨風所產生的風壓。把沙粒對列車的衝擊壓力等於淨風所產生壓力時的風速稱為臨界風速v_cr。

同樣以3m高度處的風沙流密度為例，各觀測點淨風壓和沙粒衝擊壓隨風速的變化曲線見圖7。從圖7中可以看出，與沙粒衝擊壓相比淨風壓隨風速的變化較為平緩，它與風速平方成正比；而沙粒衝擊壓則顯現指數增長。當風速小於臨界值時，風沙流產生的作用力以淨風壓為主；而當其大於臨界值後，則以沙粒產生的衝擊壓力為主。

根據各觀測點的建(構)築物風致壓強隨風速變化曲線分析，各觀測點臨界風速依次為：猛進東v_cr=50m/s、紅柳v_cr=57m/s、十三間房v_cr=53m/s；對於歷史風速超過臨界風速的戈壁地區，風區建(構)築物在設計中應考慮風沙流中沙粒的影響，在抗傾覆設計中必須以淨風壓與沙粒撞擊壓之和作為設計荷載，除非有足夠多的防沙工程措施。因此，當環境風速超過臨界風速時，停運仍是保證列車運行安全的最有效手段。

(1)在蘭新鐵路百里風區段，根據2年來風速、風向資料統計，大於起沙風的風力以9、10級為主，約佔總起沙風的85%左右，超過12級以上大風約佔5%左右；而大風天氣主要集中在每年的3月到6月之間，其中4月份是大風天氣出現次數最多的月份。

(2)風沙流密度隨着高度的增加呈現下降的趨勢。當風速在40m/s以下時，風沙流密度隨高度變化曲線為斜L形，基本以3m高度作為分界點。在3m高度以下，風沙流密度隨高度的增加大幅度下降，曲線斜率較大。在3m高度以上，風沙流密度隨高度的增加逐步下降，曲線斜率較小。當風速超過40m/s以上，隨着風速的增高，風沙流密度隨高度變化曲線的分界點將會由3m變得更高。

(3)風沙流密度ρ隨着風速v的增加而增加，在風速為34m/s以下時，風沙流密度變化趨勢不大，但當風速超過34m/s時，風沙流密度隨着風速的增加顯現明顯的上升趨勢。

(4)在戈壁地區建(構)築物遭受風沙流侵襲的壓力為淨風壓與沙粒衝擊壓之和。蘭新鐵路百里風區段各觀測點臨界風風速分別為：猛進東點v_cr=50m/s、十三間房點v_cr=53m/s、紅柳點v_cr=57m/s。當風速小於臨界值時，以淨風壓為主；而當其大於臨界值後，則以沙粒產生的衝擊壓力為主。

(5)蘭新鐵路百里風區列車運輸安全事關重大，擋風牆工程只是防風措施之一，建議加強每年春季4～6月份期間天氣預報，完善鐵路運輸極端天氣下的行車組織管理辦法，以保障列車在風速達到50m/s以上時的安全運行。 ^[1] 

（1）擋風牆設計風速

重現期按50年，瞬時最大風速為60ms，相當於17級大風。擋風牆所受風壓按風速60ms進行計算。

（2）擋風牆高度確定

根據計算機模擬試驗結果，載重60t列車的臨界翻車風速約為50ms，相當於22kN·m的傾覆力矩。所以，擋風牆只要將傾覆力矩減弱至22kN·m以下，就可保證列車不傾覆。

擋風牆高度越高，擋風效果越好，但在經濟上未必合理可行。根據蘭新線的實際情況，合理的擋風牆高度可以抵禦60ms風速即可。根據不同擋風牆後傾覆力矩的數值模擬結果，2.5m擋風牆可使56ms以下風速的傾覆力矩減弱至22kN·m以下，3.0m擋風牆可以使60ms以下風速的傾覆力矩減弱至22kN·m以下，3.25m擋風牆可以使64ms以下風速的傾覆力矩減弱至22kN·m以下。柳泉村至小草湖段最大瞬時風速為60ms，故採用高3.0m的擋風牆。

（3）擋風牆結構及穩定性檢算

作用於擋風牆上的力主要有：水平風力、自重力、地基反力和地基水平抗力。自重力、地基反力和地基水平抗力比較容易確定，而確定水平風力是難點。氣象資料對風一般只提供風向和風速指標，如何把風速轉換成風力，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所通過試驗，經過數據計算、分析、擬合而成風速和風力的關係為

F=AρC_dV²

式中，F為水平風力(kN)；A為受風面積(m²)；ρ為空氣密度，取ρ=1.247kg/m³；C_d為阻力系數，取0.62；V為風速(m/s)。

在地形平坦條件下，當均勻風速遇到阻擋物時，風速將重新分佈(如圖8)。最底部為0，頂端為無阻擋物時的風速。風速隨高度的變化函數為

V(z)=5.57ulg(z/k)

式中，u為摩阻速度；z為牆高(mm)；k為地表粗糙度，地表粗糙度為地表砂粒平均直徑的120～130倍，圓礫土為主的地表粗糙度取k=0.4mm。

（1）擋風牆結構形式

在本工程中主要採用了以下四種擋風牆形式。

1)土堤式擋風牆

土堤式擋風牆結構(如圖9)：頂寬1.0m，高3.0m，邊坡坡率1∶1.5，左右對稱，頂部以及頂部以下3m的邊坡採用幹砌片石防護。

2)對拉式擋風牆

對拉式擋風牆結構(如圖10)：高3m，寬1.5m，牆面板為十字形，板幅1.0m×1.0m，採用C15鋼筋混凝土預製板，板厚0.15m。牆面板用鋼筋拉桿對拉，左右對稱結構，牆內填夯實圓礫，牆頂用混凝土預製塊封頂。

3)L形擋風牆

L形擋風牆結構(如圖11)：L形擋風牆立臂厚0.4m，高4.0m，埋深1.0m，底寬1.6m，厚0.5m。採用現澆方式施工。

4)透風式擋風牆

透風式擋風牆由兩部分組成(見圖12)：L形柱和擋風板，L形柱高4.0m，埋深1.0m，柱截面呈“工”字形，兩翼寬均為0.5m，翼高0.215m，腹板寬0.5m，高為0.17m，要求現澆施工。擋風板總長3.4m，寬0.5m，板厚0.15m，中間透風孔寬為0.15m。鐵路路堤兩側路肩及路肩下2.0m採用幹砌片石防護，厚0.3m。

（2）擋風牆結構形式比選

根據實際工程所用造價得出上述四種擋風牆每延米造價如表2所示。

單從造價來看，透風式擋牆最低。但透風式擋風牆的設計還處於探索階段，尚無實踐經驗可借鑑。透風方式也多種多樣，有柵欄式、橫格式、豎格式、圓格式。另外，透風孔的大小和透風率的取值及其對列車運行安全的影響，這些問題還處於初步研究階段。本次設計的透風式擋牆採用的透風率為0.3，透風方式採用橫格式。

土堤式擋風牆結構簡單，抗風穩定性好，施工簡便。但其佔地最大，隨着路堤高度的增高，幫寬填方以每米10m³遞增，當路堤>3m時，其造價超過對拉式擋風牆。因此，在路堤高度<3.0m的地段設置土堤式擋風牆比較合理。

對拉式擋風牆結構比較簡單，施工方便，其構件可拆除重新組合利用，便於維護。當路堤高度>3.0m時，其造價相對土堤式擋風牆較低。所以，當路堤高度>3.0m時，應設置對拉式擋風牆。

L形擋風牆露在地面以上的部分體積小，佔用路肩少；其抗傾覆力臂長，結構合理；整體施工質量容易保證。如再結合其它結構形式對其結構進一步優化，或衍變成其它結構形式，其造價有可能會降低。因此，L形擋風牆還需進一步進行深入研究和優化。

上述土堤式和對拉式擋風牆，其結構左右對稱，不論風向如何變化，其抗風傾覆穩定性都很好。透風式擋風牆和L形擋風牆為不對稱結構，其抵禦反方向風力的能力相對較弱。

當然，擋風牆的結構形式還會有很多，如樁板式、扶壁式等。如能結合風洞試驗和現場風壓觀測，進行專項課題研究，還可優化設計出其它安全可靠、經濟實用的擋風牆結構形式。

2006年4月27日北京時間14:00，蘭新鐵路“百里風區”颳起了大風，風力達到12級，瞬間風力達到13～14級，12級的大風持續到23:51，持續時間近10h。在此期間，共有近40趟進出新疆列車安全通過“百里風區”的大步、十三間房和紅層站，所有進出新疆列車都正常運行。列車能安全通過多年來困擾亞歐大路橋新疆段列車安全的“百里風區”，主要是已建成的擋風牆對列車行駛起到了保護作用。説明擋風牆的設計是安全可靠的。 ^[2]