李鯤

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安 710043)

高速鐵路列車通過大風(fēng)區(qū)時，在強側(cè)風(fēng)作用下，列車空氣動力性能惡化，對高速列車運行安全造成嚴(yán)重影響，容易造成列車脫軌、傾覆等事故，并帶來人員傷亡和財產(chǎn)損失[1-2]。已經(jīng)建成通車的蘭新高鐵是世界上首條穿越大風(fēng)區(qū)的高速鐵路[3]。百里風(fēng)區(qū)實測最大風(fēng)速(瞬時)可達(dá)60 m/s，由此導(dǎo)致的問題給既有蘭新鐵路的運輸帶來了巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的社會影響[4]。蘭新高鐵建設(shè)過程中，以防風(fēng)技術(shù)研究為基礎(chǔ)，進(jìn)行科學(xué)、合理的防風(fēng)工程設(shè)計，確保這條現(xiàn)代化高速鐵路在其建設(shè)和運營中，徹底克服諸多重大風(fēng)害難題[5]。蘭新高鐵在聯(lián)調(diào)聯(lián)試及大風(fēng)專項試驗期間，大風(fēng)環(huán)境下列車高速通過大風(fēng)區(qū)地形地貌變化地段、路堤路塹過渡段時出現(xiàn)車體晃動，但動車組的安全評判指標(biāo)均在允許范圍內(nèi)。歷次試驗晃車地點印證表明，晃車主要發(fā)生在地形地貌變化地段，即不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)的過渡段位置前后[6]。主要是因為高速列車通過不同防風(fēng)工程過渡段時，防風(fēng)工程遮蔽區(qū)內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)、風(fēng)速及風(fēng)向受邊界變化影響發(fā)生突變，引發(fā)列車氣動性能產(chǎn)生急劇變化。如何增強列車在橫風(fēng)環(huán)境下的運行安全及穩(wěn)定性，國內(nèi)外眾多學(xué)者以及工程人員進(jìn)行了研究并提出了有效的應(yīng)對措施，主要包括：1) 優(yōu)化列車外形[7-8]；2)建立風(fēng)區(qū)鐵路大風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)[9-10]；3)以氣動分析為基礎(chǔ)修建或完善針對性的防風(fēng)設(shè)施[11-13]。綜合工程的可行性、可靠性、適用性等因素，并經(jīng)實踐研究證明[14]，路基(橋梁)防風(fēng)工程對于保障列車運行平穩(wěn)安全，提高運行效率效果明顯，因此有效的防風(fēng)工程修建與優(yōu)化對策仍是解決上述問題最具針對性的措施。本文以蘭新高鐵K3030～K3031段這一較為典型的復(fù)雜環(huán)境下防風(fēng)工程過渡區(qū)域為研究對象，探明不同防風(fēng)設(shè)施過渡的突變邊界引發(fā)的風(fēng)切變機制及演化規(guī)律，進(jìn)而針對復(fù)雜環(huán)境下過渡工程提出完善的、可實施的工程對策，并對工程實施后區(qū)域流場優(yōu)化情況進(jìn)行實測，進(jìn)一步驗證研究結(jié)論的可靠性。

1 過渡區(qū)域風(fēng)流場分析

K3030～K3031 段路塹-路堤-路塹交錯出現(xiàn)，屬于較為典型的復(fù)雜環(huán)境地貌過渡。該區(qū)域有2個路堤路塹過渡段，在2 個過渡段中間又有2 道山梁，因此，這4處風(fēng)流場易發(fā)生耦合突變，風(fēng)速突變大，聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間高速列車通過該段落時晃動較為嚴(yán)重。其所在地貌實景及地形模擬場景如圖1和圖2所示。

圖1 K3030～K3031防風(fēng)工程過渡段Fig.1 Transition section of windbreaks at K3030～K3031

圖2 K3030～K3031模擬地形場景Fig.2 Visualized landform at K3030～K3031

為研究過渡區(qū)域的風(fēng)場變化規(guī)律及其對列車氣動性能的影響，主要從以下幾方面進(jìn)行數(shù)值計算分析：1)1 線(靠近擋風(fēng)墻側(cè))和2 線(遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻側(cè))距離軌面2 m 和3 m 高處沿線路中心線的Y方向速度分量分布曲線；2) 距離軌面不同高度的水平面上的矢量分布圖；3) 垂直線路方向的不同橫截面處的矢量分布圖。

根據(jù)工程需要，采用“SST”k-ω的“RANS”模型來模擬鐵路沿線過渡區(qū)域周圍的空氣流場特性。計算中邊界條件滿足數(shù)學(xué)適應(yīng)性和物理可靠性對計算結(jié)果的精度十分重要：入口邊界為橫風(fēng)速度在不同風(fēng)向角度下的速度入口邊界，計算域的前部(迎風(fēng)側(cè))設(shè)置成為速度入口，并給定風(fēng)向角分別為90°，75°和105°，橫風(fēng)速度為35 m/s；出口采用壓力出口邊界條件，為保證計算域內(nèi)后部的空氣尾流充分發(fā)展，設(shè)置為壓力出口邊界，并設(shè)出口的靜壓為0；計算域中設(shè)置對稱邊界條件將鏡像計算流場，計算域的頂部設(shè)置成對稱邊界，將計算區(qū)域虛擬擴大。

1.1 沿線路距軌面不同高度處的水平線上Y 方向速度分量分布

圖3 和圖4 分別為距軌面2 m 和3 m 高度處水平線上的Y方向速度分量分布曲線，其中坐標(biāo)零點為1 號過渡段與路堤連接處，從左到右依次是1 號過渡段，2道山梁，2號過渡段處。從圖中可知，1線和2線的變化趨勢基本一致，差異主要體現(xiàn)在風(fēng)速峰值上，2 線處的風(fēng)速峰值較大。表明線路的薄弱環(huán)節(jié)主要存在于擋風(fēng)墻過渡段和2道山梁處。其中1號過渡段附近最大突變風(fēng)速達(dá)到了15.7 m/s，2道山梁處突變風(fēng)速分別達(dá)到了29.8 m/s和16.5 m/s，2號過渡段附近突變風(fēng)速為-9.5 m/s。

圖3 距軌面2 m高度處水平線上Y方向速度分量分布Fig.3 Y-component of the velocity at 2 m above the top of rail

圖4 距軌面3 m高度處的水平線上的Y方向速度分量分布Fig.4 Y-component of the velocity at 3 m above the top of rail

1.2 距離軌面不同高度處的水平面上的矢量分布

圖5 為K3030～3031 地形距離軌面高度3 m 處的整體速度矢量分布圖，圖中從左至右依次是1號過渡段，2道山梁處和2號過渡段處。

進(jìn)一步細(xì)化分析，圖6 為1 號過渡段周圍距軌面高3 m 的流場矢量圖，如圖中所示，1 號過渡段迎風(fēng)側(cè)高處來流受路塹阻擋反向向過渡段低處涌泄，這對過渡段周圍的風(fēng)場影響最大，此處正是Y方向風(fēng)速分量速度峰值出現(xiàn)的地方。圖7 為2 道山梁處距軌面高度3 m 處的流場矢量圖，也是受左右2 個過渡段和路塹共同影響風(fēng)場最為復(fù)雜的區(qū)域，圖中從左至右的氣流大致可分為5 個部分：第1 部分為1 號過渡段和山梁之間的氣流；第2 部分為第1 道山梁與擋風(fēng)墻形成的渦結(jié)構(gòu)；第3 部分為2 道山梁之間形成的峽谷風(fēng)；第4 部分為第2 道山梁與擋風(fēng)墻形成的渦結(jié)構(gòu)；第5 部分為山梁與2 號過渡段處形成的氣流來流。其中第1 部分氣流和第2 部分氣流相遇的地方產(chǎn)生氣流疊加，結(jié)合圖5氣流速度曲線圖可以得知，此處形成了一處風(fēng)速突變；第3 部分和第4 部分氣流在相遇的地方也匯聚形成又一處風(fēng)速增大的突變處，這在圖5的氣流速度曲線圖上也得以體現(xiàn)。其中第1 處和第3 處氣流的影響最大，主要是因為擋風(fēng)墻外側(cè)山梁過高，間接導(dǎo)致過渡段擋風(fēng)墻防護(hù)高度不足，并因高處來流形成類似下坡風(fēng)的效果，致使線路內(nèi)風(fēng)速突變加大。

圖5 距離軌面3 m高處水平面上的速度矢量分布Fig.5 Distribution of velocity vector at the horizontal plane 3 m above the top of rail

圖6 1號過渡段周圍距離軌面3 m高處水平面上速度矢量分布Fig.6 Distribution of velocity vector at horizontal plane 3 m above the top of rail around the No.1 transition section

圖7 2道山梁周圍距軌面3 m高處水平面速度矢量分布Fig.7 Distribution of velocity vector at horizontal plane 3 m above the top of rail around two hill ridges

1.3 垂直線路方向的不同橫斷面處的橫向平面上的矢量分布

圖8～11 分別為過渡區(qū)域不同位置Y方向分量風(fēng)速最大值位置處橫斷面上的矢量分布圖?？梢院苊黠@地看到，在有效的防風(fēng)設(shè)施段落，線路上方一定區(qū)域的氣流基本為反向流動，即速度方向為負(fù)；而在防風(fēng)設(shè)施能力不足的地方，明顯看到較大的正向速度值(圖9和圖10)。

圖8 1號過渡段處Y分量風(fēng)速最大處橫斷面矢量分布Fig.8 Velocity vector recorded at the No.1 transition section where the maximum Y-component occurred

圖9 第2道山梁處Y分量風(fēng)速最大處橫斷面矢量分布Fig.9 Velocity vector recorded at the second hill ridge where the maximum Y-component occurred

圖10 第1道山梁處Y分量風(fēng)速最大處橫斷面矢量分布Fig.10 Velocity vector recorded at the first hill ridge where the maximum Y-component occurred

2 工程優(yōu)化方案

根據(jù)以上K3030～3031 過渡區(qū)域風(fēng)流場的變化規(guī)律，結(jié)合風(fēng)速突變加大的位置及原因，以改善防風(fēng)設(shè)施的薄弱環(huán)節(jié)為目標(biāo)，從擋風(fēng)墻防護(hù)高度的加強、高路塹消減(消除下坡風(fēng))這2 個方面著手，考慮工程實施難度、經(jīng)濟合理等因素，提出了綜合工程優(yōu)化方案：即加高薄弱段擋風(fēng)墻+降低路塹挖方的工程方案。其具體設(shè)置如圖12 及圖13所示，其中擋風(fēng)墻加高的位置范圍根據(jù)流場分析得出的防風(fēng)設(shè)施能力不足范圍對應(yīng)確定。圖14 為加高擋風(fēng)墻的工程實施后的照片。

圖11 2號過渡段處Y分量風(fēng)速最大處橫斷面矢量分布Fig.11 Velocity vector recorded at the No.2 transition section where the maximum Y-component occurred

圖12 K3030～3031過渡區(qū)域加高擋風(fēng)墻方案效果圖Fig.12 Diagram of heightening the windbreak at the transition between K3030～K3031

圖13 K3030～3031過渡區(qū)域降低路塹挖方改造方案效果圖Fig.13 Diagram of excavating of the lower cutting at the transition between K3030～K3031

圖14 過渡區(qū)域加高擋風(fēng)墻工程實施圖Fig.14 Engineering implementation of heightening the windbreaks at the transition region

3 工程實施后的過渡段區(qū)域風(fēng)場實測及優(yōu)化效果分析

在工程優(yōu)化實施前后的過渡區(qū)域氣動特性對比研究中，對工程優(yōu)化實施前后的高速列車通過時的頭、中、尾車的側(cè)向力及傾覆力矩進(jìn)行了數(shù)值計算及對比分析，可以得出列車氣動性能的改善情況。就驗證性實驗而言，擋風(fēng)墻遮蔽區(qū)內(nèi)列車運行承受的橫風(fēng)其速度的優(yōu)化結(jié)果更為直觀有效[15]，且較易實現(xiàn)。為了驗證工程優(yōu)化效果，確保研究結(jié)論的可靠性，對K3030～K3031 過渡段區(qū)域開展了工程實施后的現(xiàn)場大風(fēng)的流場實測，這里重點介紹現(xiàn)場實測結(jié)果，對數(shù)值計算不再贅述。

3.1 測試布置

本次測試測風(fēng)桿共14 根。擋風(fēng)墻內(nèi)線路旁布設(shè)測風(fēng)桿9 根，編號為1 號～9 號，其中6 號，8 號和9 號每根測風(fēng)桿分別安裝3 對風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，傳感器距離軌面高度分別為2，3 和4 m；1號，2 號，3 號，4 號，5 號和7 號分別安裝1 對風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，傳感器距離軌面高度為2 m。擋風(fēng)墻外迎風(fēng)側(cè)布設(shè)測風(fēng)桿5 根，編號為10 號～14號，測風(fēng)桿每根分別安裝1 對風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，距離地面高4 m。風(fēng)場測試布點如圖15所示。

圖15 風(fēng)場測試布點示意圖Fig.15 Monitoring tap layout at the field test

3.2 測試結(jié)果及分析

選取各測點在觀測時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出各測點對應(yīng)的最大風(fēng)速、平均風(fēng)速及風(fēng)向。具體風(fēng)速風(fēng)向試驗結(jié)果如表1和表2所示。

表1 擋風(fēng)墻外各測點風(fēng)速及風(fēng)向測試結(jié)果Table 1 Test results of wind speed and direction outside the windbreaks

表2 擋風(fēng)墻內(nèi)各測點風(fēng)速及風(fēng)向測試結(jié)果(6號，8號和9號僅保留風(fēng)速最大值)Table 2 Test results of wind speed and direction inside the windbreaks(No.6,No.8 and No.9 only recorded the maximum wind speed)

實測大風(fēng)條件下?lián)躏L(fēng)墻遮蔽區(qū)內(nèi)外側(cè)的風(fēng)流場分布如圖16 所示，圖中箭頭代表方向，長度代表風(fēng)速大小。擋風(fēng)墻外遠(yuǎn)方來流13 號和14 號測點最大風(fēng)速分別為25.67 m/s和22.8 m/s，平均風(fēng)速分別為20.15 m/s 和17.64 m/s，來流風(fēng)向角主要集中在80°～90°之間。優(yōu)化工程實施后，通過對比分析可以得出：1) 靠近擋風(fēng)墻的外側(cè)附近測點10 號，11號和12號其風(fēng)速相較遠(yuǎn)方來流13號和14號測點的風(fēng)速下降40%～50%；2)線路內(nèi)各個測點風(fēng)速很小，約為13 號和14 號測點風(fēng)速的20%左右，且風(fēng)速值在5～7 m/s 的穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，突變顯著降低；3)2 號～7 號測點的風(fēng)向角呈與線路平行方向變化(最小為1°，與線路基本平行)，對比原來流風(fēng)向角主要集中在80°～90°之間，角度的變化對列車穩(wěn)定安全性是更為有利的[11]。總體而言，列車的安全平穩(wěn)性得到較大改善，工程效果明顯，后期實車運行也印證了以上結(jié)論。

圖16 擋風(fēng)墻內(nèi)外風(fēng)場分布示意圖Fig.16 Diagram of wind distribution around the windbreaks

4 結(jié)論

1) 高速列車通過大風(fēng)區(qū)復(fù)雜環(huán)境下防風(fēng)設(shè)施過渡區(qū)域時，主要是因為地形地貌及擋風(fēng)墻的銜接及變化共同導(dǎo)致遮蔽區(qū)內(nèi)流場結(jié)構(gòu)發(fā)生突變及部分環(huán)節(jié)風(fēng)速加大，體現(xiàn)為部分位置范圍的擋風(fēng)墻防護(hù)高度不足，致使列車氣動特性出現(xiàn)較為明顯的突變。

2) 結(jié)合高速列車通過復(fù)雜環(huán)境下防風(fēng)設(shè)施過渡區(qū)域的流場及氣動特性以及工程優(yōu)化可行性、經(jīng)濟性等實際情況，工程優(yōu)化提升的對策主要通過線路內(nèi)和線路外2方面進(jìn)行：線路內(nèi)主要是通過工程優(yōu)化改善防風(fēng)工程遮蔽區(qū)的局部風(fēng)場結(jié)構(gòu)，無論線路外風(fēng)場如何變化，重點在于保證線路內(nèi)列車運行區(qū)域風(fēng)場處于一個相對穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)；線路外重點則在于迎風(fēng)側(cè)切斷直接進(jìn)入線路遮蔽區(qū)的突變氣流，背風(fēng)側(cè)需避免地形因素導(dǎo)致的氣流回流(高路塹或者防風(fēng)過渡段處)和氣流泄流(路塹與對面連接處)；從而達(dá)到有效改善過渡區(qū)域內(nèi)風(fēng)流場結(jié)構(gòu)并降低風(fēng)速的目的。

3) 對于復(fù)雜環(huán)境下高速鐵路防風(fēng)設(shè)施過渡優(yōu)化，需重視不同結(jié)構(gòu)過渡邊界引發(fā)的風(fēng)突變機制及演化規(guī)律的研究，重點從改善突變流場結(jié)構(gòu)、彌補工程薄弱環(huán)節(jié)入手，結(jié)合地形地貌及工程條件因地制宜地采取工程對策。