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大风“墙”外吹 动车“墙”内飞

  • 发布时间:2014-10-15 01:30:41  来源:科技日报  作者:佚名  责任编辑:罗伯特

  本报记者 矫 阳

  从乌鲁木齐到哈密,自西向东,吐鲁番、鄯善等片片绿洲,点缀在一望无际的茫茫戈壁。

  烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区,使这里成为我国乃至世界上风灾最严重的地区之一。其中百里风区、三十里风区部分区段,年均大于8级大风的天气达到208天,最大时速60米/秒,相当于17级风,以致既有线列车曾在这里被大风吹翻。“资料表明,在没有防风措施的情况下,百里风区、三十里风区列车每年停运达80天左右,需限速运行约260天左右。”兰新铁路新疆公司董事长、总经理拉有玉说。

  如今,新建兰新第二双线新疆段、一条时速200公里以上、长710公里的高速铁路线,已横亘在这条古丝绸之路上,将于近期开通运营。乘火车从哈密到乌鲁木齐,将从6小时压缩至3小时。

  在大风中高速行驶的动车将怎样避风?常年处于干旱大风状况下的轨道道床板如何避免开裂?轨道上如何减少积沙?“710公里长的新疆段,有防风工程的路段就长达462公里,占线路总长的65%。这些防风工程技术的运用在我国高速铁路建设中尚属首次,规模在世界上也是最大的。”历数这些数字,拉有玉十分自豪。

  9月22日,记者远赴新疆,探访了新疆首条高铁防风工程的建设。

  挡风墙、挡风屏和“防风明洞”,防风“三大法宝”

  乘汽车从乌鲁木齐市出发,沿连(云港)霍(尔果斯)高速公路,向着哈密,一路东行。公路旁看到的这条钢铁巨龙,忽而横亘在戈壁中,忽而飞架于河流上,忽而穿梭到公路顶,忽而洞穿进天山里。

  进入风区,轨道两侧,出现一道钢筋砼、耐候钢建结构,约四米高的“挡风墙”,赫然矗立在广袤的大漠里,蔚为壮观。

  “全线345公里的路基,全是这样的‘挡风墙’。”兰新铁路新疆公司工程管理部部长马西章说。

  距乌鲁木齐东385公里,便到了百里风区著名的魔鬼城。因缺水,这里方圆几百公里是一大片无人区。在太阳的强射下,戈壁上的砾石被灼烤得似在冒烟。

  从 “十三间房”出口处,走30多公里的戈壁便道,来到兰新第二双线上的十三间房特大桥工地。“这个地方是Ⅴ级风区的核心区域,因线路是东西走向,大桥两头被天山夹峙,处于一个巨大的风口,风与桥几乎垂直。”中铁四局兰新二线指挥部党工委副书记、副经理翁赋勇描述说:“大风刮过来,越野车迎风侧的玻璃和漆,瞬间便会碎掉,异常骇人。”

  “这座特大桥的桥梁为槽形梁,并安装了由不同尺寸的H型钢柱和开孔波形钢板组成的挡风屏,十分牢固。”据马西章后来介绍,全线124座桥梁,均是采用这种方式防风。

  沿线还看见,路基两傍,有许多用小石子做成的方格,方格内间或有低密的绿植,十分齐整。“这是起固沙作用的。除了这类固定建筑形式,我们正在研制机械除沙设备,用以运营后线路除沙。”拉有玉说。

  距十三房特大桥不远,则是一座由钢筋砼拼接成的地上隧道。“这是防风明洞,长1.2公里。”顺着翁赋勇的手指,记者看到,在这座钢铁隧道严实地包裹下,轨道路基就像穿了一层厚厚的铠甲。

  钢筋混凝土挡风墙、桥梁上的挡风屏,以及“地上隧道”俨然成为兰新第二双线新疆段严防死守的三大法宝。

  “今年5月,兰新第二双线新疆段开启联调联试时,经受住12级大风考验。”拉有玉说,在防风工程的保护下,11级风下,高速列车可以200—250公里时速运行;13级风下,列车可以120公里时速运行。在百里风区,可能出现的停轮天数将减少到10天左右。

  大风观测、风洞试验、数值模拟,寻找设计参数

  钢筋混凝土挡风墙、桥梁上的挡风屏,以及“地上隧道”是怎样设计出来的?其科学依据是什么?

  “这条线防风措施的设计原则是,在经济实用的前提下,做到极端情况停轮、一般情况少停轮少限速、积沙快速清理等。” 铁道第一勘测设计院兰新二线设计总体王正邦向记者说。

  设计开始前,铁一院先后在风区新建19个观测站,结合已有气象资料,首次按一定时间内的风速、瞬时风速、频率、地形等指标,把线路所经的风区由低向高分成Ⅰ—Ⅴ区。

  充分掌握大风环境资料后,他们便开始与中南大学、西南交大、兰州交大等院校一起开展科学研究,通过数值模拟分析、风洞试验和室内外实验等手段,开展了路基、桥梁、明洞、接触网防风及大风预警技术研究,为有关设计参数的选取提供了科学依据。

  比如,他们得出了一个挡风墙合理位置,即为距迎风侧线路中心5.7米。为什么?负责路基专项设计的李鲲对记者解释说,当这一距离位置为5.7米时,动车组运行的气动力最小,气动性能相对最好。此时,接触网位置的横风风速也相对较小。

  那么,在大风下,动车组以时速250公里的高速在大桥上疾驶时,桥、风和车,这三者如何保持一个合理的耦合?

  “改变风向并损耗风能。”对记者的疑问,铁一院兰新第二双线负责桥梁设计的何涛这样回答,设开孔率,就是损耗风能;而设置挡风屏,则是改变风向,让风向上下吹。

  孔开多大,挡风屏设多高?经过各种试验、数值模拟及三维计算,最终得出一个结论,即开孔率20%,挡风屏高出桥面4米。“ 这样一种结构,让吹向列车的横风减弱,使桥、风和车保持一个合理的耦合,从而保证列车在大风下的安全运营。”何涛说。

  “防风明洞基本上是给轨道建了一座钢铁屋,这个结构防风效果最好,只是成本太高,所以只建了1.2公里作为样本。”王正邦说,通过数值模拟分析及风洞试验,得到了大风条件下防风明洞内外风压分布特征、风荷载及洞内的风速、风向场,建立了防风明洞的流体力学及结构力学模型。

  高速铁路的动力是电,取决于空中架设的电气接触网。如此,便带来另一个疑问,除了路基,空中电气接触网怎样防风?

  由于路基挡风墙的作用,把风赶到上边,加大了接触网的受风强度,使接触网防风设计更具挑战。“接触网防风就是让导线的腕臂更有力,更具耐磨性和持久性。”铁一院兰新第二双线副总体、负责接触网设计的张学武对记者说,在先期研究结果指导下,他们研制出一系列防风手段,比如,仅支柱一项,就采用了满足大风环境下稳定可靠的H型钢柱,还有许多国内首创的多项新科技等。

  涂养护剂、包薄膜、盖棉被,防混凝土开裂

  无砟轨道施工对测量要求精度是千分之六,这样严苛的精度对混凝土的密实度要求非常高。而混凝土开裂一直是困扰建设者的难题,给运营的高速铁路增加了很大维修量。

  “早穿皮袄午穿纱,围着火炉吃西瓜”是新疆独特气候的形象写照。以火焰山闻名的吐鲁番地区,早晚温差经常在20度左右,地面最高温度可达73度。温差大、干旱、多风,这样的气候条件,对混凝土质量的要求更加苛刻。

  一句话,混凝土密实度也必须防风。“兰新第二双线新疆段解决了混凝土开裂的难题。”说到这些,拉有玉无比自信。

  这个难题是何以解决的?

  为解决昼夜温差大、大风高温环境下防止混凝土开裂的技术难题,经过多次精心试验,给混凝土进行科学配方,得出一个最佳配合比。同时,采用包裹塑料薄膜、棉被进行养生。

  “曾经最壮观的场面是,近300家作业队在弧形钢防风棚内,进行5次收光抹面后,采用养护剂(膜)、土工布、塑料薄膜、棉被、篷布多层包裹固定的养护措施,解决混凝土浇筑后表面水分蒸发过快、表面易开裂问题。”看着光滑细腻的无砟轨道,中铁四局兰新二线四工区经理徐斌这样告诉记者。

  坚实的挡风墙、密实光滑的无砟轨道板和砼结构,成为兰新第二双线新疆段坚不可摧的防风长城。

  可以预想,在新疆这里乘高铁,便会有大风在“墙”外怒吼,动车在“墙”内飞驰的景致。不过,“大漠孤烟直,长河落日圆”的风光,还是可以在非风区欣赏的。

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