强台风对路堤边坡和列车行车的影响研究成果

在建筑工程领域，国内外对建筑抗风研究已经非常广泛深入，在铁道工程方面，抗风研究主要集中在桥隧工程，而针对强台风作用下的路堤边坡防护和行车安全保障的研究较少。沿海地区的强台风对路堤边坡的稳定及列车的行车安全造成了极大的危害，因此开展强台风对路堤边坡和列车行车的影响研究具有重要的意义。

1.自然森林和路堤二维空间风场模拟分析

为了研究铁路沿线自然森林对路堤的防风效果，利用 FLUENT 建立无自然森林和有自然森林两种情况下的路堤风场计算模型。

（1）沿线无自然森林情况下的路堤二维空间风场模拟分析。

计算中环境温度设为 20 °C，入口风速取为 30 m/s（普通台风），模型的长和宽尺寸均取较大值，以使流场充分发展并减小风通过路堤时由于模型断面缩小对流场造成的影响。路堤模型高度取为 7 m，坡度为 1∶1.5，路基面宽度为 13.4 m。模型计算简图及计算结果见图6.1-6～图6.1-11。

图6.1-6　无自然森林情况下的计算简图（单位：m）

图6.1-7　无自然森林情况下路堤边坡的风速分布（单位：m/s）

图6.1-8　无自然森里情况下路堤边坡的风压分布（单位：Pa）

图6.1-9　无自然森林情况下路堤迎风坡面的风压分布（单位：Pa）

图6.1-10　无自然森林情况下迎风坡面路肩附近的风压分布（单位：Pa）

图6.1-11　无自然森林情况下背风坡面路肩附近的风压分布（单位：Pa）

由计算结果分析可知：风通过 7 m 高的路堤边坡时，在爬坡过程中风速逐渐增大，在迎风面路肩的位置达到最大，最大值约为47.3m/s，比平均风速提高约60%，对边坡稳定及行车都会造成很大影响，而背风面风速较小。在迎风面约2/3坡高处风压开始变为负压，在路肩附近负压达到最大值，而在背风面风速风压的数值都不大，影响较小。

（2）沿线有自然森林情况下的路堤二维空间风场模拟分析

假设路基附近树林高度为 10 m，其余参数的设置同无自然森林。模型计算简图及计算结果见图6.1-12～图6.1-14。

图6.1-12　有自然森林情况下的计算简图（单位：m）

图6.1-13　有自然森林情况下路堤边坡的风速分布（单位：m/s）

图6.1-14　有自然森林情况下路堤边坡的风压分布（单位：Pa）

由计算结果可以看出，有自然森林情况下路基边坡的风速与风压比无自然森林时降低很多。因此海南环岛高铁沿线密林众多，树木高度多在 10 m 以上，可以有效地降低台风对路堤边坡的影响。

2.自然森林、路堤和列车三维空间风场模拟分析

计算中环境温度设为 20 °C，入口风速取为 30 m/s，模型的长和宽尺寸均取较大值，以使流场充分发展并减小风通过路堤时由于模型断面缩小对流场造成的影响。路堤模型高度取为 7 m，坡度 1∶1.5，路基面宽度为 13.4 m。路堤左侧 10 m外有一宽 20 m、高15 m的沿线自然森林林带，模型取线路纵向长度为50m。计算模型对林带做了简化，共布设了5排树，高低树相间布置，尽量使林带趋于紧密，模型网格见图6.1-15。

图6.1-15　自然森林、路堤和列车三维空间模型网格

本次计算选择耦合式求解器，使用k-ω双方程模型进行湍流计算，流体设为理想不可压缩气体。迭代次数取 20。计算得到的压力等值线、速度等值线和速度矢量图如下：(www.xing528.com)

（1）压力等值线（图6.1-16～图6.1-19）。

图6.1-16　自然森林、路堤和列车三维空间风场压力等值线图（1）

图6.1-17　自然森林、路堤和列车三维空间风场压力等值线图（2）

图6.1-18　自然森林、路堤和列车三维空间风场压力等值线图（3）

图6.1-19　自然森林、路堤和列车三维空间风场压力等值线图（4）

（2）速度等值线（图6.1-20～图6.1-22）。

图6.1-20　自然森林、路堤和列车三维空间风场速度等值线图（1）

图6.1-21　自然森林、路堤和列车三维空间风场速度等值线图（2）

图6.1-22　自然森林、路堤和列车三维空间风场速度等值线图（3）

（3）速度矢量图（图6.1-23～图6.1-25）。

图6.1-23　自然森林、路堤和列车三维空间风场速度矢量图（1）

图6.1-24　自然森林、路堤和列车三维空间风场速度矢量图（2）

图6.1-25　自然森林、路堤和列车三维空间风场速度矢量图（3）

（4）结果分析：

① 由压力等值线和速度等值线图可以看出，林带背风侧和列车背风侧风压和风速都明显减小。由于树林比较高（模型中设为 15 m），风压和风速减小的效果明显，给列车提供了一个缓和区域。

② 风经过树林林带、路堤和列车等障碍物时，速度、压强和方向发生了明显变化。列车通过位置（横坐标 15 m）处风速和风压有大幅度减小。其中风速由假定的30 m/s入口风速减弱到接近常规风速的10 m/s。

③ 本模型对树林分布实行了简化，实际森林的内部结果复杂，对风反作用也极其复杂，因此实际防风效能比本模型计算的结果要好。垂直于线路方向相对风压和风速的分布见图6.1-26和图6.1-27。

图6.1-26　垂直于线路方向相对风压分布图

图6.1-27　垂直于线路方向风速分布图