更新时间：2022-08-25 16:54
百里风区是指兰新铁路红旗坎站-小草湖站-红台站-大步站-十三间房站-红层站-了墩站全长123公里的区间。这个区间一年有320天都在刮八级以上大风，12级的风说刮就刮。
较严重的一次事故在2006年4月9日，造成了T70次列车被困21个小时、晚点33小时到达北京，2007年2月28日1时55分，5807次列车运行至南疆铁路吐鲁番段珍珠泉至红山渠站间42公里+300米处，瞬间大风袭来，11节车厢发生侧翻。
十三间房年平均大风日数140天，在4—6月间，每月有10天以上的大风，最大风速12级以上。该地区1960—1980年8级以上大风，平均每年有40余天，多集中在4—5月。一般午后起风，至次日凌晨2—5时止，持续12—15小时的大风，占总次数81%；持续40小时以上占6%。
兰新铁路西段(安北至阿拉山口)大风频繁，风口较多，风灾事故频发，主要风口包括安西风口、烟墩风口、百里风区、三十里风口、达坂城风口和阿拉山口风口(见图1)。其中兰新铁路风沙灾害最为突出的百里风区及三十里风口更为著名。由于风口的横风影响，铁路运输安全受到极大威胁，几乎所有的铁路风灾事故都发生在上述风口地区，这些风口大多位于天山山前，铁路两侧为戈壁地形地貌，受西伯利亚寒流及天山垭口“狭管增速”效应影响，形成戈壁风沙流，风力强劲，大风频繁，风沙流结构特性完全不同于普通沙漠地区。
由于戈壁地区地表主要由砾石、粗砂覆盖物为主，下垫层物质条件与沙漠地区的地质物理环境不同，使得戈壁地区风沙流运动及力学特性不同于沙漠地区。以往对风沙流的研究多以沙漠地区的地质物理环境为基础，针对戈壁地区风沙流的研究尚处于初始阶段，对戈壁风沙流的沙粒起跃角进行力学模型分析，并从戈壁风沙流强度及能量特点研究分析风沙流结构特征。应用不均匀沙起动风速理论，讨论戈壁风蚀层与环境风力之间动态平衡的建立过程。通过对戈壁地表风沙流特性的风洞模拟试验，讨论分析戈壁地表对气流紊动的影响效应，及对风沙流的结构和风沙活动层内的风速廓线产生的影响，但多以室内试验研究为主，对强风地区挡风结构设计起到一定的指导作用，然而毕竟与野外实际情况有一定差距，不能提供直接的设计计算方法和相关参数。
兰新铁路虽然采取各种挡风墙对强风进行防护，每年仍然会因大风问题造成停运，究其原因还是对戈壁风沙流结构、携沙高度、建(构)筑物的风致压力等认识不足。在微地形地貌条件下风沙流的运动轨迹难以确定，虽然在路堤、路堑地段修筑挡风墙，但仍然难以控制线路位置处风沙流含沙量；风沙流飞扬层和部分过渡层中的沙粒还会在道床上沉积，造成风区线路道床板结十分严重，同时也可能对机车和客车车窗玻璃带来威胁。本文在对兰新铁路百里风区的风沙运动及气象条件进行现场观测的基础上，对其数据进行统计分析，进一步加深对戈壁地区风沙流结构及其特性的认识，为铁路设计和安全运营提供一些理论依据。
（1）风沙观测系统介绍
本试验所采用的观测系统是由项目组自主研发设计的，其优点在于尽可能减少空气进入集沙口的绕流影响，使得进入集沙仪的沙粒很容易沉降，解决传统集沙仪所集沙粒随风旋出的缺点。
该系统由集沙器、集沙塔、地锚、底座、避雷针及测风塔等主要部件组成，相关技术标准：主塔高10m；积沙盒每组分8个高度布设，高度分别为0、0.5、1、2、3、5、7、9m；底座和地锚的基础埋入深度1.5m；集沙器管径为20cm(见图2)。相应的风速和风向数据由乌鲁木齐铁路局设在集沙仪旁的气象观测系统提供，其观测频率为30s/次。
沙样收集频率：每年3～6月、9～11月根据风况资料平均每15天取一次沙样，其余时间每月取一次样。
（2）观测系统的地理位置
在铁路里程K1468+430～K1484+000的范围内共设3个观测站，依次为红柳、十三间房和猛进东。所设集沙仪的开口方向约为北偏西10°左右，其地理位置在E91°42.187′～N91°52.756′、E43°1.791′～N43°10.218′范围内，高程为710～728m，气压为95.6～95.8kPa。该地区地表粗糙度较大，沙砾粒径较均匀，地表植被稀少。
（3）构建力学模型
为分析方便，须引入一个新概念风沙流密度，它是指空气运动速度在大于起沙风速情况下，单位体积空气气流中所含沙子的质量，单位是kg/m3。
假定风沙观测系统上游沙源在短时间内是不发生变化的；在大于起沙风速的同一风速情况下，风沙流密度是相同的，风速越大，风沙流密度越大。基于以上假定及认识，风沙观测仪中某一高度集沙总质量Qh计算公式为
Qh=∑ρiAvhT
式中，ρi为大于起沙风速情况下某一风速所对应的风沙流密度，kg/m3；A为风沙观测系统的集沙器进沙口面积，m2；vh为某一高度风沙流密度所对应的风速，m/s；T为在取样时间内起沙风所持续的时间，s。
风沙流对挡风墙所产生的压强为净风产生的压强与风沙流中沙颗粒撞击墙体产生的压强之和。在通常计算中，只考虑第一种情况，往往忽略沙粒对墙体的撞击力。
（1）风沙流密度的垂直分布关系
风沙流是风力搬运沙物质的基本形式和运动过程，同时也是沙质地表形态形成和发展的主要动力，能够判断地表的蚀积状态，掌握风成地貌的形态发育及演变规律，在沙漠科学中占有重要地位。风沙流密度是研究风沙流运动的一个十分重要的物理量，它能较好的反映风沙两相流中沙粒的空间分布特征。
根据各观测点风沙流观测资料，分别计算出各观测点风沙流密度。图3中的三幅图分别为各观测点风沙流密度随高度的变化曲线。从中可以看出，风沙流密度随着高度的增加呈现下降的趋势。当风速在40m/s以下时，风沙流密度随高度变化曲线为斜L形，基本以3m高度作为分界点。在3m高度以下，风沙流密度随高度的增加大幅度下降，曲线斜率较大；在3m高度以上，风沙流密度随高度的增加逐步下降，曲线斜率较小。当风速超过40m/s以上，随着风速的增高，风沙流密度随高度变化曲线的分界点将会由3m变得更高。由于缺乏2年来高风速情况下风沙流的观测数据，当风速达到三十年一遇的60m/s时，很难确定风沙流密度随高度变化曲线的分界点将会变得多高。上述分析说明，在风速为40m/s以下时，兰新铁路百里风区挡风墙高度设为3m，基本能够防止风沙流中大部分沙粒在线路上沉落。
（2）风沙流密度与风速的关系
风速是决定风沙流密度的重要因素之一，风速越大，携沙量越大，相应地风沙流密度也就越大。以3m高的风沙流密度和风速相互关系为例，其变化拟合曲线见图6，从中可以看出风沙流密度ρ随着风速v的增加而增加，在风速为34m/s以下时，风沙流密度变化不大，但当风速超过34m/s后，风沙流密度随着风速的增加迅速提高，显现出非常明显的变化趋势。
各观测点3m高度处的风沙流密度与风速的拟合方程见表1，从中可以看出，指数方程可以很好的描述风沙流密度与风速的关系，相关系数R2>0.999，其通式可用ρ=y0+a×ebv(y0、a、b为常数，与高度和风速有关)来表示。
（3）临界风速
兰新线百里风区列车主要受横风影响，列车倾覆脱线的危险性较大，但当前设计和施工中考虑大风天气对列车安全运营的影响时，往往只考虑净风的影响，而忽略大风所携沙粒的影响。当风速较小时，相应的携沙量也较小，沙粒对列车的冲击力很微弱；但当风速较大时，其所携沙粒对列车的冲击力就不可小觑。为更清楚地区分风沙流两相流中，风力和沙粒对列车倾覆脱线的影响，必须要知道当风速达到多少时，沙粒对列车的冲击压力大于净风所产生的风压。把沙粒对列车的冲击压力等于净风所产生压力时的风速称为临界风速vcr。
同样以3m高度处的风沙流密度为例，各观测点净风压和沙粒冲击压随风速的变化曲线见图7。从图7中可以看出，与沙粒冲击压相比净风压随风速的变化较为平缓，它与风速平方成正比；而沙粒冲击压则显现指数增长。当风速小于临界值时，风沙流产生的作用力以净风压为主；而当其大于临界值后，则以沙粒产生的冲击压力为主。
根据各观测点的建(构)筑物风致压强随风速变化曲线分析，各观测点临界风速依次为：猛进东vcr=50m/s、红柳vcr=57m/s、十三间房vcr=53m/s；对于历史风速超过临界风速的戈壁地区，风区建(构)筑物在设计中应考虑风沙流中沙粒的影响，在抗倾覆设计中必须以净风压与沙粒撞击压之和作为设计荷载，除非有足够多的防沙工程措施。因此，当环境风速超过临界风速时，停运仍是保证列车运行安全的最有效手段。
(1)在兰新铁路百里风区段，根据2年来风速、风向资料统计，大于起沙风的风力以9、10级为主，约占总起沙风的85%左右，超过12级以上大风约占5%左右；而大风天气主要集中在每年的3月到6月之间，其中4月份是大风天气出现次数最多的月份。
(2)风沙流密度随着高度的增加呈现下降的趋势。当风速在40m/s以下时，风沙流密度随高度变化曲线为斜L形，基本以3m高度作为分界点。在3m高度以下，风沙流密度随高度的增加大幅度下降，曲线斜率较大。在3m高度以上，风沙流密度随高度的增加逐步下降，曲线斜率较小。当风速超过40m/s以上，随着风速的增高，风沙流密度随高度变化曲线的分界点将会由3m变得更高。
(3)风沙流密度ρ随着风速v的增加而增加，在风速为34m/s以下时，风沙流密度变化趋势不大，但当风速超过34m/s时，风沙流密度随着风速的增加显现明显的上升趋势。
(4)在戈壁地区建(构)筑物遭受风沙流侵袭的压力为净风压与沙粒冲击压之和。兰新铁路百里风区段各观测点临界风风速分别为：猛进东点vcr=50m/s、十三间房点vcr=53m/s、红柳点vcr=57m/s。当风速小于临界值时，以净风压为主；而当其大于临界值后，则以沙粒产生的冲击压力为主。
(5)兰新铁路百里风区列车运输安全事关重大，挡风墙工程只是防风措施之一，建议加强每年春季4～6月份期间天气预报，完善铁路运输极端天气下的行车组织管理办法，以保障列车在风速达到50m/s以上时的安全运行。
（1）挡风墙设计风速
重现期按50年，瞬时最大风速为60ms，相当于17级大风。挡风墙所受风压按风速60ms进行计算。
（2）挡风墙高度确定
根据计算机模拟试验结果，载重60t列车的临界翻车风速约为50ms，相当于22kN·m的倾覆力矩。所以，挡风墙只要将倾覆力矩减弱至22kN·m以下，就可保证列车不倾覆。
挡风墙高度越高，挡风效果越好，但在经济上未必合理可行。根据兰新线的实际情况，合理的挡风墙高度可以抵御60ms风速即可。根据不同挡风墙后倾覆力矩的数值模拟结果，2.5m挡风墙可使56ms以下风速的倾覆力矩减弱至22kN·m以下，3.0m挡风墙可以使60ms以下风速的倾覆力矩减弱至22kN·m以下，3.25m挡风墙可以使64ms以下风速的倾覆力矩减弱至22kN·m以下。柳泉村至小草湖段最大瞬时风速为60ms，故采用高3.0m的挡风墙。
（3）挡风墙结构及稳定性检算
作用于挡风墙上的力主要有：水平风力、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较容易确定，而确定水平风力是难点。气象资料对风一般只提供风向和风速指标，如何把风速转换成风力，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所通过试验，经过数据计算、分析、拟合而成风速和风力的关系为
F=AρCdV2
式中，F为水平风力(kN)；A为受风面积(m2)；ρ为空气密度，取ρ=1.247kg/m3；Cd为阻力系数，取0.62；V为风速(m/s)。
在地形平坦条件下，当均匀风速遇到阻挡物时，风速将重新分布(如图8)。最底部为0，顶端为无阻挡物时的风速。风速随高度的变化函数为
V(z)=5.57ulg(z/k)
式中，u为摩阻速度；z为墙高(mm)；k为地表粗糙度，地表粗糙度为地表砂粒平均直径的120～130倍，圆砾土为主的地表粗糙度取k=0.4mm。
（1）挡风墙结构形式
在本工程中主要采用了以下四种挡风墙形式。
1)土堤式挡风墙
土堤式挡风墙结构(如图9)：顶宽1.0m，高3.0m，边坡坡率1∶1.5，左右对称，顶部以及顶部以下3m的边坡采用干砌片石防护。
2)对拉式挡风墙
对拉式挡风墙结构(如图10)：高3m，宽1.5m，墙面板为十字形，板幅1.0m×1.0m，采用C15钢筋混凝土预制板，板厚0.15m。墙面板用钢筋拉杆对拉，左右对称结构，墙内填夯实圆砾，墙顶用混凝土预制块封顶。
3)L形挡风墙
L形挡风墙结构(如图11)：L形挡风墙立臂厚0.4m，高4.0m，埋深1.0m，底宽1.6m，厚0.5m。采用现浇方式施工。
4)透风式挡风墙
透风式挡风墙由两部分组成(见图12)：L形柱和挡风板，L形柱高4.0m，埋深1.0m，柱截面呈“工”字形，两翼宽均为0.5m，翼高0.215m，腹板宽0.5m，高为0.17m，要求现浇施工。挡风板总长3.4m，宽0.5m，板厚0.15m，中间透风孔宽为0.15m。铁路路堤两侧路肩及路肩下2.0m采用干砌片石防护，厚0.3m。
（2）挡风墙结构形式比选
根据实际工程所用造价得出上述四种挡风墙每延米造价如表2所示。
单从造价来看，透风式挡墙最低。但透风式挡风墙的设计还处于探索阶段，尚无实践经验可借鉴。透风方式也多种多样，有栅栏式、横格式、竖格式、圆格式。另外，透风孔的大小和透风率的取值及其对列车运行安全的影响，这些问题还处于初步研究阶段。本次设计的透风式挡墙采用的透风率为0.3，透风方式采用横格式。
土堤式挡风墙结构简单，抗风稳定性好，施工简便。但其占地最大，随着路堤高度的增高，帮宽填方以每米10m3递增，当路堤>3m时，其造价超过对拉式挡风墙。因此，在路堤高度<3.0m的地段设置土堤式挡风墙比较合理。
对拉式挡风墙结构比较简单，施工方便，其构件可拆除重新组合利用，便于维护。当路堤高度>3.0m时，其造价相对土堤式挡风墙较低。所以，当路堤高度>3.0m时，应设置对拉式挡风墙。
L形挡风墙露在地面以上的部分体积小，占用路肩少；其抗倾覆力臂长，结构合理；整体施工质量容易保证。如再结合其它结构形式对其结构进一步优化，或衍变成其它结构形式，其造价有可能会降低。因此，L形挡风墙还需进一步进行深入研究和优化。
上述土堤式和对拉式挡风墙，其结构左右对称，不论风向如何变化，其抗风倾覆稳定性都很好。透风式挡风墙和L形挡风墙为不对称结构，其抵御反方向风力的能力相对较弱。
当然，挡风墙的结构形式还会有很多，如桩板式、扶壁式等。如能结合风洞试验和现场风压观测，进行专项课题研究，还可优化设计出其它安全可靠、经济实用的挡风墙结构形式。
2006年4月27日北京时间14:00，兰新铁路“百里风区”刮起了大风，风力达到12级，瞬间风力达到13～14级，12级的大风持续到23:51，持续时间近10h。在此期间，共有近40趟进出新疆列车安全通过“百里风区”的大步、十三间房和红层站，所有进出新疆列车都正常运行。列车能安全通过多年来困扰亚欧大路桥新疆段列车安全的“百里风区”，主要是已建成的挡风墙对列车行驶起到了保护作用。说明挡风墙的设计是安全可靠的。