严寒地区高速铁路冰雪飞溅与防治



严寒地区高速铁路冰雪飞溅与防治

林建1，2，井国庆2，黄红梅2

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；

2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

摘要:在介绍严寒地区铁路冰雪飞溅危害基础上，利用空气动力学仿真手段分析研究铁路道床表面冰雪飞溅现象。采用不可压缩三维定常雷诺时均方程(RANS)结合k-ε双方程湍流模型分析不同砟肩高度下强列车风对道床表面的气动特性影响。研究结果表明：列车风速越大，道床表面风压越大，越易引起冰雪飞溅；相同风速下，钢轨两侧轨枕槽内监测点风压值最小为4~15 Pa，线路中心处监测点风压值约为其10倍，砟肩处监测点风压值约为其25倍，最易引起冰雪飞溅；砟肩高度每增加50 mm，风压值增幅为2%~7%。高速铁路冰雪飞溅主要通过列车、线路结构优化，站场除雪等综合治理措施来防治。

关键词：严寒地区；冰雪飞溅；空气动力学；砟肩高度；防治措施

1现状与危害

近几年,高速铁路发展迅猛，极大改善了交通与经济发展，但列车高速行驶也带来一系列问题，尤其高速铁路冰雪问题严重阻碍运营与拓展[1-3]。若采取冬季限速，夏冬季不同运营速度和时刻表，降低了轨道超高适应性和增加了运营成本。 需要注意的是，冰雪飞溅是飞砟问题外延表现形式之一。一般认为列车时速超过300 km后易发生飞砟现象，但实际上在特殊路段或天气情况下，时速250 km甚至更低情况下也会发生飞砟现象，如路桥过渡段、桥梁、隧道以及严寒冰雪线路。需要明确，飞砟问题不仅存在于有砟道床、过渡段，还存在于无砟轨道结构线路。如严寒地区冰雪线路上，由于高速列车车体携带的积雪、融冰在列车动力或温度条件改变下(如跨越不同地区、穿越隧道、车站)散落击打列车、道床，并引起有砟道床表面冰雪、道砟及无砟轨道表面冰雪飞溅，击打车体，发生连锁反应。因此列车不得不采取冬季降速措施，如我国哈大高铁、日本、北欧及瑞士等。冰雪飞溅相对于普通飞砟现象，发生几率更高、破坏形式更多样、后果更严重(由于冰雪块体初始运行速度更高、质量更大、击打道床连续反应)[3-5]。

2冰雪飞溅机理分析

严寒地区高速铁路冰雪飞溅力学机理是轨道动力学与空气动力学相互作用结果，受多方面因素影响，如图1所示。

图1　严寒地区铁路冰雪飞溅力学机理框架图Fig.1 Railway snow flying mechanism frames of cold regions

轨道动力学主要为列车运行时轮轨作用力对轨道产生的振动效应，且无砟轨道振动强于有砟轨道[6]，使道床表面冰雪产生失重状态，进一步加剧冰雪飞溅；空气动力学主要为高速列车风对道床表面产生的气动力效应[1,7]，使车体底部及周围道床表面产生强大负压风载将冰雪和道砟颗粒“吸起”并向前推进。冰雪飞溅受列车线型、时速、冰雪类型、轨道结构形式及温度变化等影响[5]。

2.1计算理论与方法

针对严寒铁路冰雪飞溅的危害机理及研究现状，本文主要针对有砟道床砟肩高度因素，采用流体力学软件FLUENT进行冰雪飞溅空气动力学数值模拟与分析。

2.2计算模型

在充分调研国外严寒地区有砟道床砟肩结构的应用经验及研究资料的基础上，针对我国现有高速铁路道床类型建立列车风-轨枕-道床一体化耦合模型[3-5,8]，如图2所示。道床模型长7.8 m，宽5.696 m，厚0.35 m。其中砟肩宽度为0.5 m，边坡坡度为1∶1.75，内设13根Ⅲ型轨枕。我国高速铁路有砟线路维修规则规定将设计时速250~300 km有砟轨道砟肩堆高由150 mm降为100 mm[8]，因此，本文砟肩模型高度设计为100，150和200 mm 3个工况。

列车风速是引起冰雪飞溅重要因素和必要条件[7]。韩国通过实车试验利用皮托管测量风速和高频摄像观测得出：当列车速度为250 km/h时，轨道边侧及线路中心上部列车风速在20~25 m/s之间，道床表面个别道砟颗粒出现移动；当列车速度达到300 km/h及以上时，线路中心处风速值接近30 m/s[7]。因此，本文模拟风速值设计为20，25和30 m/s 3个梯度。

图2　高速铁路直线路基段道床断面尺寸与实体模型Fig.2 Cross-sectional dimensions and model of HSR ballast bed

考虑模拟出现的边界效应及计算条件限制，将道床边坡坡脚线计为三维计算域竖向零点，轴对称的计算域右半部分长度(z轴向)为7.8 m，高度(y轴向)为2 m，宽度(x轴向)为2.848m，进风口面为z=7.8 m的平面，进风口方向为z轴负向，出风口面为z=0 m的平面。采用三维四面体非结构化网格形式对列车风-轨枕-砟肩模型进行划分[9-11]，如图3所示。

图3　计算域网格划分图Fig.3 Computational domain mesh

监测点设置。为研究严寒地区铁路轨道表面不同位置的空气动力学特性，沿轨道x轴正向取4个监测点，在计算过程中记录各点处的风压载响应，作为定量研究冰雪飞溅的依据。其中tip1位于道床中部轨枕槽内位置；tip2位于钢轨内侧轨枕槽内中心位置；tip3位于钢轨外侧轨枕槽内中心位置；tip4位于道床砟肩内侧接近砟肩顶部位置，如图4所示。其中监测点tip4在3种不同砟肩高度工况下坐标值为(单位：m)：肩高100 mm工况监测点坐标为(1.64,0.65,2.42)，肩高150 mm工况监测点坐标为(1.56,0.70,2.42)，肩高200 mm工况监测点坐标(1.48,0.75,2.42)。

图4　道床监测点Fig.4 Track bed monitoring sites

2.3计算结果分析

2.3.1风速矢量与切应力等值线

严寒地区铁路冰雪飞溅与道床表面风场绕流和道床表面切应力关系密切，风速矢量图预示列车风场特性，表面切应力反映了冰雪颗粒移动的力学机理[10,12]。图5所示为风速25 m/s的道床表面风速矢量图，图6所示为道床表面切应力等值线云图。

图5　道床表面风速矢量图Fig.5 Wind vector on surface of track bed

图6　道床表面切应力等值线云图Fig.6 Shear stress contour plot on surface of track bed

由图5可知：钢轨两侧轨枕槽内风速较小，产生小幅度空腔涡流，有明显的台阶流动效应[10]；砟肩和轨枕表面处风速最高。从风速流场角度来看，轨枕槽内易引起积雪旋涡，砟肩和轨枕表面处易引起积雪飞溅。

由图6可知：轨枕顶部、砟肩内边坡及砟肩顶处的切应力值较大，易引起单个道砟及积雪沿切向力方向滚动；轨枕槽内切应力值较小，有的部位甚至出现负值，这是由于空气流旋涡导致切应力方向变化，易引起雪粒子旋动；道床边坡切应力随距线路中心距离增加而减小，引起积雪飞溅的可能性较小。

2.3.2砟肩高度

严寒地区列车两侧冰雪飞溅现象严重，这与轨枕两端及砟肩积雪有关[3]。砟肩高度影响道床边坡内外侧风雪堆积。以模型砟肩高度作为参数变量，不同风速下，3种砟肩高度下监测点tip4的负风压绝对值，如表1所示。

表1　tip4监测点风压值

3种工况下风压值随砟肩高度变化曲线如图7所示。同等风速条件下，监测点tip4风压值随砟肩高度增加而增大，每一高度梯度增幅为2%~7%；同等风速条件下，风压值随着砟肩高度增加而增大。由此可推断对严寒地区铁路轨道，砟肩表面积雪厚度增加，增大冰雪及道砟飞溅可能性。需特别指出的是，高速铁路改变砟肩堆高的飞砟防治措施将直接影响有砟道床无缝线路稳定性[8]。砟肩堆高及枕心道床饱满，虽可提高无缝线路稳定性，但易导致飞砟现象发生，即道床稳定性与飞砟风险性相互矛盾，因此需进一步协同研究道床稳定性和飞砟防治措施。同时法国研究发现，降低砟肩堆高和宽度易导致道床横向阻力不足，引起道床捣固频率增加，故在满足高速铁路有砟道床整体稳定性前提下，从防止冰雪飞溅角度考虑砟肩堆高宜选100 mm，甚至通过试验研究，在满足道床纵横向阻力前提下，采取平肩形式。

图7　监测点tip4风速-风压值随砟肩高度变化曲线Fig.7 Winds-pressure value with ballast shoulder height by tip4

2.3.3整体分析

砟肩高度150 mm工况下的4个监测点随风速变化的风压监测值如表2所示。

表2　砟肩高150 mm监测点风压值

各监测点的风压-风速变化曲线如图8所示。风速越大，风压越大，砟肩处tip4与道床中部tip1风压值增加幅度大于轨枕两侧监测点增幅。风速为30 m/s时，tip4处风压值为580 Pa，即单位面积负压力值为580 N，可使冰雪和道砟小颗粒跳动飞溅；道床中部风压为230 Pa，也可引起道床表面冰雪颗粒飞溅[7]。位于钢轨左右两侧轨枕槽内监测点tip2与tip3的风压值在10~30 Pa之间，比tip1位置风压值小几十倍，最不易产生冰雪飞溅，风压值有随道床表面与轨枕表面高差增加而减小的趋势。

图8　各监测点风压-风速变化曲线Fig.8 Pressure-wind speed curve of monitoring points

在道床模型轨枕槽内取截面z=3.6 m平面，得到不同风速下道床表面截面线上风压值如图9所示。结果表明：相同风速下，道床砟肩外侧边坡上风压平均值比砟肩顶处小15%~20%，钢轨两侧轨枕槽内总体风压值最小，随着背离钢轨两侧面沿x轴向距离的逐渐增加，两侧风压值都急剧增大，且砟肩侧增加幅度大于轨道中心侧增加幅度，道床砟肩内侧边坡风压值变化幅度最大； 风速每增加5 m/s，轨道中心处风压值增加1倍，砟肩及边坡风压值增加约80%，这表明轨枕两端处风雪飞溅程度强于轨道中心处。由此可整体判断出砟肩顶部、内外边坡及钢轨表面极易引起冰雪飞溅，其次为轨道中心处，最后为钢轨两侧小范围轨枕槽内。

图9　截面线z=3.6 m上风速-风压变化曲线Fig.9 Wind speed-pressure curve of the section line z=3.6 m

3防治措施

据国内外经验，严寒地区铁路冰雪飞溅危害主要从线路结构优化、车体结构优化、站线除雪、接触网除冰4个方面防治。

3.1线路结构优化

为防止风积雪掩埋路面轨道设施，我国新疆风雪灾害严重地区，常采用优化铁路路基和路堑方法。如增高路堤高度，增大路堤边坡角度；增加路堑深度，增加边坡长度并减小上风向边坡坡度；特大风雪区段设挡雪墙和导风板[13]。

哈大高铁在全线车站、线路所、动车所设置道岔融雪装置，即在道岔钢轨下预先埋设电加热丝。车站信号楼的操纵盘在降雪天气控制道岔融雪装置，电加热丝加热使道岔表面温度升高，最高达40 ℃，保证降雪落至道岔即会融化。

国外用于钢轨、轨枕、道岔除雪的相关附加设备较多。瑞典生产的道岔防雪刷，不仅可利用列车经过时的风力带动防雪刷清扫道岔区基本轨与尖轨间隙积雪，其本身还对道岔电热除雪设备起保温作用[4]。芬兰在道岔区叉心处使用V形扰流板，对防止冰雪在叉心处大量堆积起到了良好作用[3]。瑞典使用的电加热融雪设备，可智能感知外界温度变化并自动控制加热开关，再加上站场道岔区轨枕和基本轨外侧铺设橡胶保温板配合，防治铁路道岔区钢轨表面及缝隙间积雪积冰，用电量仅为高温热水管道及加热电缆的一半，节能环保[4-5]。

3.2车体结构优化

列车车体结构优化和防护装置研发因有良好的理论基础和较强的工程实现性，对降低铁路冰雪道砟飞溅危害有重要作用[3-4,14]。如在车轮制动系统上安装电加热片化雪装置防止冰雪在轮毂与刹车片间淤积；应用轮轴橡胶刮板防护片防止轮轴上冰雪淤积；车体底部电缆外围采用弹簧圈保护装置，列车悬挂系统采用防雪褶皱塑料保护套，防止积雪在缝隙处挤压；列车车厢连接处闭式风挡设计、列车底部裙板设计、列车顶部空调换气孔装置设计和车门上移设计均对降低冰雪飞溅对车体侵蚀作用起到了较好效果。

3.3站线综合治理

站线综合防治冰雪措施主要从防冰雪和除冰雪2个方面考虑，兼以物理化学方法。除冰雪方面，挪威使用低腐蚀高热量化学除雪剂丙二醇，用于列车底盘隐蔽结构处快速除雪，且除雪剂还可萃取回收再利用，既节能又环保[4]；芬兰采用干冰爆破法除去道岔尖轨及转辙器空隙部位冰雪，其效果较传统除雪法干净快捷；日本研发的混合动力车除雪技术，借助车载除雪设备和水泵共同作用将雪迅速融化在线路两侧水沟并循环用水，可用于暴雪后轨道积雪清理，节省人力，提高效率[4-5]。

3.4接触网除冰

哈大高速铁路成功采用接触网防冰融冰技术，在不影响动车运行前提下，采用了接触导线临界融冰电流曲线等融冰雪方案并设计了接触网覆冰在线监测系统。该系统能将接触网的环境温度、湿度、风速、风向和导线温度等数据上传至覆冰在线监测系统，监测系统迅速分析出接触网的覆冰情况，便于管理人员及时采取融冰、除冰措施，保障铁路安全运行。

4结论

1)同等风速下，砟肩处所受风压值随砟肩高度增加而增大，砟肩高度每增加50 mm，风压增加约2%~7%。结合轨道结构稳定性因素考虑，砟肩堆高100 mm为适宜选择。

2)列车风速是发生冰雪和道砟飞溅主要影响因素之一。道床表面风压随列车风速增加而增大，列车风速每提高5 m/s，各监测点代表范围内风压约增加35%~50%。

3)道床横断面风压分析表明：轨枕及钢轨表面和砟肩顶部风压最大，发生冰雪飞溅几率最大。枕端槽内道床表面所受风压较小，不易引起冰雪飞溅；道床中心表面位置与轨枕顶部高差较小，风压为钢轨两侧轨枕槽内风压10~25倍。故适当降低道床中心表面道砟高度，有利于降低道床中心处冰雪飞溅发生几率。

4)严寒地区铁路冰雪飞溅防治措施，要针对线站、列车和接触网等不同设备综合考虑，借鉴国外经验的同时，结合自身气候地理特点和经济技术条件合理制定防治措施。

参考文献:

[1] 井国庆,王子杰. 基于力学平衡原理飞砟机理与防治研究[J].铁道科学与工程学报,2014,11(6):97-101.

JING Guoqing, WANG Zijie. Mechanical equilibrium analysis of ballast flight mechanism and counteracting measures[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014,11(6):97-101.

[2] 刘春明.防止列车高速运行时道碴飞散的有效措施[J].铁道建筑技术,2004(1):11-13.

LIU Chunming. Effective measure for preventing ballast projection in high train speed[J].Railway Construction Technology, 2004(1):11-13.

[3] Jacobini F B, Turumluer E, Saat R M. Identification of high-speed rail ballast flight risk factors and risk mitigation strategies[C]// 10th World Congress on Railway Research Sydney, Australia, 2013：25-28.

[4] Maxime Bettez, Nils Olsson. Winter technologies for high speed rail. master thesis[R]. KTH, 2011.

[5] Lennart Kloo w， Mattias Jenstav. High-speed train operation in winter climate[R]. KTH,2011.

[6] 雷晓燕. 轨道过渡段刚度突变对轨道振动的影响[J].中国铁道科学,2006,27(5):43-45.

LEI Xiaoyan. Track transition stiffness mutations affect on track vibration[J].China Railway Science,2006,27(5):43-45.

[7] Kwon H B, Park C S. A study on the ballast-flying phenomena by strong wind induced by high-speed train[J]. Journal of the Korean Society for Railway, 2005, 8(1):6-14.

[8] 中华人民共和国铁道部.高速铁路有砟轨道线路维修规则(试行)[M].北京:中国铁道出版社,2013.

Minicstrg of Railway of People’s Republic of China. High speed railway ballast track maintenance rule[M]. Beijing:China railway Publishing House,2013.

[9] 王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

WANG Fujun. Computational fluid dynamics analysis: Principles and Applications of CFD software[M].Beijing: Tsinghua University Publishing House,2004.

[10] Sima M Gurr A Orellano A. Validation of CFD for the flow under a train with 1:7 scale wind tunnel measurements[R]. BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics and applications, Milano, 2008.

[11] Ido A Saitou S. Nakade K ei al. Study on under-floor flow to reduce ballast flying phenomena[C]// Proceedings of World Congress on Rail Research, Seoul, 2008.

[12] 毛军,郗艳红,杨国伟.侧风风场特征对高速列车气动性能作用的研究[J].铁道学报,2011,33(4):22-30.

MAO Jun,XI Yanhong, YANG Guowei. Research of Side wind field features affecting on high-speed train aerodynamic performance[J].Journal of the China Railway Society,2011,33(4):22-30.

[13] 高卫东,刘明哲. 铁路沿线风吹雪灾害及其防治研究[J].中国铁道科学,2004,25(5):98-101.

GAO Weidong,LIU Mingzhe. Prevention and disaster research of drifting snow along Railway[J]. China Railway Science,2004,25(5):98-101.

[14] Goo J S, Shin K B，Kim J S. Evaluation of impact damage and residual compression strength after impact of glass/epoxy laminate composites for lightweight bogie frame induced by ballast-flying phenomena[J]. Journal of the Korean Society for Railway, 2012,15(2):109-115.

(编辑阳丽霞)

High-speed railway snow flying and prevention measures in cold regionsLIN Jian1，2, JING Guoqing2，HUANG Hongmei2

(1. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co. Ltd., Beijing 102600, China;

2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract：On the basis of systemically introducing the railway snow flying hazards on cold regions of the world, the railway track bed snow flying phenomenon is analyzed according to the aerodynamics simulation tools. By adopting 3-D steady incompressible Reynolds averaged equations (RANS) combined withk-εtwo-equation turbulence model, the aerodynamic characteristics of the track bed with strong wind influence is studied. The study found that: the higher train wind speed is, the greater the track bed surface pressure will appear, and the more easily snow splash will caused; Under the same wind velocity, sleepers tank monitoring points pressure on both sides of the rail is 4 Pa to 15 Pa, and the monitoring points pressure at the center of line is about 10 times than that of tank monitoring points, the ballast shoulder monitoring points pressure is about 25 times so that ballast shoulder is most likely caused snow splash; Ballast shoulder pressure vary with ballast shoulder height when ballast shoulder height increases 50 mm the pressure increases by 2% to 7%. The high-speed railway snow flying control measures are: optimization of train and track structure, mechanical snow removal, and comprehensive station integrated management measures.

Key words：cold regions railway; snow flying; aerodynamics; ballast shoulder height; prevention measure

中图分类号：U213.7+31

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)01-0028-06

通讯作者：井国庆(1979-)，男，河北廊坊人，副教授，博士，从事有砟轨道研究；E-mail：gqjing@bjtu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578051)

收稿日期：*2015-06-16