復(fù)雜地形條件下的西部強風(fēng)特性實測分析

高　亮, 白　樺, 劉健新, 張　玥

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048; 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064;3.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

隨著國家“一帶一路”建設(shè)的實施以及國家新能源項目的開發(fā)與建設(shè),西部地區(qū)的工程建設(shè)開始大力發(fā)展,其中不乏對風(fēng)荷載敏感的大跨、高聳結(jié)構(gòu),這類結(jié)構(gòu)在設(shè)計時的風(fēng)荷載取值也越來越受到重視。例如:大型風(fēng)電工程中有關(guān)工程選址;高壓輸電線及其塔架、風(fēng)機及其塔架的抗風(fēng)措施;光伏工程中光伏板的抗風(fēng)性能等。而對風(fēng)環(huán)境影響明顯的西部地形復(fù)雜、多樣,同時對西部地區(qū)強風(fēng)的系統(tǒng)研究開展較晚,現(xiàn)有風(fēng)特性資料極少,難以滿足工程需求,故復(fù)雜地形條件下強風(fēng)特性的準(zhǔn)確描述問題亟待解決。而獲取風(fēng)參數(shù)最方便、高效率的途徑是現(xiàn)場實測。

國外實測工作開展較早,如加拿大的Davenport,早在20世紀(jì)60年代就率先提出了風(fēng)速剖面指數(shù)函數(shù)模型、地表粗糙度概念以及經(jīng)典的Davenport譜,Duchene-Marullaz[1]后來提出的紊流強度隨高度遞減的規(guī)律,陣風(fēng)因子、紊流積分尺度和風(fēng)速功率譜等參數(shù)也都是建立在大量的實測基礎(chǔ)之上的,各發(fā)達國家陸續(xù)進行了長期的風(fēng)特性實測工作,對其規(guī)范中風(fēng)參數(shù)的取值逐漸明了,為風(fēng)工程的基礎(chǔ)研究工作墊定了基礎(chǔ)。國內(nèi)風(fēng)特性實測研究開始的較晚,先期經(jīng)驗主要積累于氣象學(xué)和大氣學(xué)方向,Bao-Shi Shiau等[2]的實測對象是臺灣沿海地區(qū)的強風(fēng),全涌、宋麗莉等[3-4]的研究對象是臺風(fēng)。20世紀(jì)以來風(fēng)特性的實測研究在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中越來越多受到重視,尤其是在大跨徑橋梁風(fēng)場特性的研究中。項海帆[5]通過對昂船洲大橋橋址區(qū)風(fēng)場的現(xiàn)場實測與風(fēng)洞試驗,研究了跨海大橋的橋址區(qū)的風(fēng)場特性,陳政清[6]、李永樂[7]通過風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬研究了深切峽谷橋址區(qū)風(fēng)特性的空間分布特性,龐加斌[8]通過現(xiàn)場實測對U形山谷橋址區(qū)的脈動風(fēng)特性進行了研究,劉健新[9-10]針對喇叭口地形和新疆典型山口、山谷區(qū)進行了風(fēng)特性研究。目前,針對峽谷、山口等地區(qū)的風(fēng)場分布特性研究還很不充分,遠沒有達到指導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的定量描述,仍需開展大量細致的研究。本文選擇新疆典型強風(fēng)區(qū),以其強風(fēng)特性為研究對象,通過開展特種風(fēng)觀測研究,歸納西部峽谷山口區(qū)特殊的風(fēng)場特性。

1　現(xiàn)場實測概況

1.1　風(fēng)觀測塔的選址及儀器架設(shè)

新疆是我國內(nèi)陸強風(fēng)最為盛行的地區(qū),根據(jù)強風(fēng)分布、地形特點及風(fēng)觀測塔的建塔情況,選擇屬于大風(fēng)日數(shù)全疆之冠的阿拉山口地區(qū)、全疆第二的達坂城地區(qū)以及位于冷空氣入疆通道的額爾齊斯河河谷區(qū)域。其中,三處測站所在區(qū)域方圓20 km的地形特點為:阿拉山口—喇叭口地形、達坂城(柴窩堡)—山谷單坡地形、額爾齊斯河河谷(托洪臺)—河谷不規(guī)則地形,具體地形見圖1,從范圍更大的地形圖可見阿拉山口和柴窩堡均處于高山寬谷的谷底,地形類U形。

圖1　三個風(fēng)觀測塔所在的典型復(fù)雜地形Fig.1　Three typical complex topographies of strong wind area

為研究風(fēng)特性沿高度方向的分布特點,分別建立了100 m高的2個測風(fēng)塔和70 m高的1個測風(fēng)塔,并且從10 m高度起至70 m高度每隔20 m安裝一組風(fēng)觀測儀器,其中風(fēng)觀測儀器選用的是CAWS1000-GWS風(fēng)觀測系統(tǒng),EL15-2D風(fēng)向傳感器,EL15-1A風(fēng)速傳感器,WindMasterPro型三維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器,具體風(fēng)觀測塔及儀器架設(shè)見表1。此外在基站內(nèi)設(shè)置有保障風(fēng)觀測數(shù)據(jù)采集、記錄系統(tǒng)正常運行的無線接收裝置、不間斷工作計算機和不間斷電源等裝置。

1.2　風(fēng)觀測數(shù)據(jù)分析方法

實測數(shù)據(jù)的具體測試及分析方法見表2,三維測風(fēng)儀相比二維測風(fēng)儀所測風(fēng)參數(shù)更多,如風(fēng)攻角和豎向脈動風(fēng)參數(shù)。具體分析步驟為:①強風(fēng)數(shù)據(jù)篩選,②分析風(fēng)速、風(fēng)向角、風(fēng)攻角及風(fēng)剖面等平均風(fēng)參數(shù),③選擇持續(xù)時間較長、風(fēng)向穩(wěn)定的大風(fēng)樣本分析紊流強度、陣風(fēng)因子、紊流積分尺度和風(fēng)速功率譜等脈動風(fēng)參數(shù)。

表1　風(fēng)觀測塔架設(shè)情況Tab.1　The data acquisition instrument and erection situation of representative measuring-points

表2　現(xiàn)場實測風(fēng)參數(shù)及其分析方法Tab.2　The wind characteristic parameters of field measurements and its processing methods

2　風(fēng)特性參數(shù)分析

2.1　平均風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)攻角

風(fēng)速的最大值由10 min滑動平均風(fēng)速統(tǒng)計所得,極大值由瞬時風(fēng)速統(tǒng)計所得。觀測期三處測風(fēng)塔各高度月最大風(fēng)速和極大風(fēng)速分布見圖2,對應(yīng)的風(fēng)向角見圖3,柴窩堡測風(fēng)塔70 m高度對應(yīng)的風(fēng)向角見圖4。

圖2　各風(fēng)觀測塔月最大風(fēng)速、極大風(fēng)速Fig.2　The monthly maximum (extreme) wind speed of every measuring point

圖3　各風(fēng)觀測塔月最大風(fēng)速對應(yīng)風(fēng)向角Fig.3　The monthly wind rise of every measuring point

圖4　柴窩堡測風(fēng)塔70 m高處日最大風(fēng)速對應(yīng)風(fēng)攻角Fig.4　The wind attack angle of Chaiwopu measuring point at 70 m height

分析圖2～4可見各強風(fēng)區(qū)具有如下平均風(fēng)特性:①各塔各高度處風(fēng)速最大值和極大值都在3月出現(xiàn)(圖2中,阿拉山口測風(fēng)塔50 m高處2010年1月數(shù)據(jù)失真,源于儀器故障),托洪臺風(fēng)向以東風(fēng)為主,阿拉山口和柴窩堡風(fēng)向均以西北風(fēng)為主,表明風(fēng)速與季節(jié)有關(guān)。②風(fēng)向沿高度方向基本不變,且其變化與季節(jié)有關(guān)。③柴窩堡風(fēng)觀測塔風(fēng)攻角均在±5°間,且大部分強風(fēng)時段風(fēng)攻角在±3°間,正攻角最大值為3.6°,負攻角最大值為-4.8°。

對三維測風(fēng)儀與普通二維測風(fēng)儀在2009年12月～2010年9月時間段的實測結(jié)果進行了對比,見圖5。

由圖5可見:①兩種儀器所測極大風(fēng)速發(fā)生時刻一致(均在2010年3月份);②三維測風(fēng)儀較普通二維測風(fēng)儀所測極大風(fēng)速大104%(2009年12月),所測最大風(fēng)速相差不大(2010年3月);③三維測風(fēng)儀所測各月(除2010年2月外)風(fēng)向角均為西北偏北風(fēng),二維測風(fēng)儀所測各月風(fēng)向角變化顯著；④二維測風(fēng)儀與三維測風(fēng)儀觀測結(jié)果(除風(fēng)向角外)規(guī)律一致,但三維測風(fēng)儀所測極值顯著大于二維測風(fēng)儀。

圖5　柴窩堡測風(fēng)塔70 m高處風(fēng)速及其對應(yīng)風(fēng)向角Fig.5　The wind direction and its corresponding wind speed of Chaiwopu measuring point at 70 m height

2.2　風(fēng)速剖面指數(shù)α

選用最小二乘法對風(fēng)速剖面進行指數(shù)擬合,分別選取平均風(fēng)速(日最大平均風(fēng)速的平均值)、最大風(fēng)速(觀測期間最大平均風(fēng)速)、月最大平均風(fēng)速進行擬合,見圖6～7。由圖6可見,由最大風(fēng)速擬合得到的指數(shù)α較大,特別是柴窩堡處指數(shù)α=0.17,表明風(fēng)速剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而明顯增大;由圖7可見,由實測月平均風(fēng)速擬合得托洪臺處α分散在0.047～0.169區(qū)間,平均值為0.091;在阿拉山口處α分散在0.092～0.149區(qū)間,平均值為0.120;柴窩堡處α分散在0.058～0.173區(qū)間,平均值為0.092。最大值均出現(xiàn)在風(fēng)速較大的二、三月份,對比圖2可知,指數(shù)α最大值對應(yīng)風(fēng)速均較大,指數(shù)α最小值對應(yīng)風(fēng)速多數(shù)亦較小,進一步說明:風(fēng)速剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而增大。

圖6　觀測期間風(fēng)剖面指數(shù)Fig.6　Wind velocity profile of every measuring point

圖7　月最大平均風(fēng)速對應(yīng)風(fēng)剖面指數(shù)Fig.7　The monthly maximum wind speed corresponding to the velocity profile of every measuring point

2.3　紊流強度及陣風(fēng)因子

各風(fēng)觀測塔各高度處的紊流強度和陣風(fēng)因子統(tǒng)計結(jié)果見表3,柴窩堡測風(fēng)塔塔高70 m處三維測風(fēng)儀所測紊流強度和陣風(fēng)因子統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表3　紊流強度和陣風(fēng)因子統(tǒng)計Tab.3　Turbulence intensity and gust factor of every measuring point

表4　柴窩堡處紊流特性Tab.4　Turbulence intensity of Chaiwopu measuring point

注：三維測風(fēng)儀2009年12月～2010年9月。

分析表3中各高度處的紊流特性可見:①各測風(fēng)塔各高度處的紊流強度均值均比《規(guī)范》[12]給出的建議值小,陣風(fēng)因子均值也均比《指南》值小。②托洪臺、阿拉山口、柴窩堡各塔塔高70 m處紊流強度相比塔高10 m處分別降低25%、30%、47%,且有紊流強度和陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速增大而減小的趨勢。③實測值較小表明紊流強度在強風(fēng)條件下的值小于常規(guī)氣象條件下的值。從大氣穩(wěn)定度的角度解釋為:平均風(fēng)速增大,大氣穩(wěn)定性增強,脈動性減小。

由表4可見:①紊流強度均值IU∶IV∶IW=1∶0.5∶0.2,與《規(guī)范》建議的IU∶IV∶IW=1∶0.88∶0.50,差異顯著;陣風(fēng)因子均值1.1,最大值1.5與《規(guī)范》1.34基本一致;②對比表3中二維測風(fēng)儀所測相同高度處的值,三維測風(fēng)儀所測紊流強度較其小很多,陣風(fēng)因子相差不大,故在后續(xù)研究中應(yīng)慎重選擇儀器。

2.4　紊流積分尺度

由柴窩堡測風(fēng)塔塔高70 m處實測典型強風(fēng)時段風(fēng)速時程統(tǒng)計得到相應(yīng)的紊流積分尺度平均值,見圖8(圖中橫坐標(biāo)為樣本序列)。

圖8　柴窩堡測風(fēng)塔70 m高處典型強風(fēng)時段的平均紊流積分尺度Fig.8　Turbulence integral scale of Chaiwopu measuring point at 70 m height

由圖8可見,①LU,max=682.123 m,LU,min=8.219 m,LU,mean=131.280 m;LV,max=435.072 m,LV,min=0.457 m,LV,mean=85.700 m;LW,max=6.469 m,LW,min=0.061 m,LW,mean=1.383 m;可見各分量數(shù)值非常分散。②LU=131 m>120 m,LV=86 m>60 m,可見塔高70 m處實測值較《規(guī)范》建議值大。③《規(guī)范》積分尺度建議取值未區(qū)分地表類型,對于復(fù)雜地形區(qū)的紊流積分尺度取值尚屬空白。

2.5　紊流功率譜

選取各測風(fēng)塔典型強風(fēng)時段的實測數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析其風(fēng)速功率譜,其中強風(fēng)時段分別為:柴窩堡—2010-03-12 18:00:00～18:59:59,阿拉山口—2010-08-23 17:30:00～18:30:59,托洪臺—2010-03-20 07:32:46～08:32:45,見圖9～10。

圖9　各測風(fēng)塔各高度處典型強風(fēng)時段(1h)紊流功率譜Fig.9　Turbulence power spectra of every measuring point at every height

由圖9可見:①各測風(fēng)塔沿高度方向的紊流功率譜相差不大,且隨高度增加脈動頻率增大;②各塔實測紊流功率譜整體趨勢與《規(guī)范》譜一致,但整體小于《規(guī)范》譜;③整體脈動頻率較低,除70 m高度以下區(qū)域脈動風(fēng)頻率均不在工程結(jié)構(gòu)關(guān)心的慣性子區(qū)范圍內(nèi)。

另外,對柴窩堡測風(fēng)塔70 m高度處三維測風(fēng)儀所測數(shù)據(jù)進行了紊流功率譜特性分析,限于篇幅所限,僅給出2010-02-25的紊流功率譜圖形,如圖10所示,分析發(fā)現(xiàn)①SU、SV和SW與《規(guī)范》建議的Simiu理論譜、Panofsky理論譜較為一致,且紊流能量主要集中在高頻段;②冬季、夏季強風(fēng)的差別還需深入分析。

3　結(jié)　論

通過在新疆三處典型地形區(qū)設(shè)立特種風(fēng)觀測塔,對兩整年的實測數(shù)據(jù)進行分析,探討相應(yīng)地形區(qū)的風(fēng)參數(shù),總結(jié)強風(fēng)特性如下。

1) 平均風(fēng)特性

① 風(fēng)速隨高度的增加而增加,風(fēng)向則保持基本不變;阿拉山口和柴窩堡的風(fēng)向與峽谷走向一致;此外,風(fēng)速、風(fēng)向與季節(jié)變化關(guān)系明顯。

② 風(fēng)攻角(柴窩堡風(fēng)觀測塔)均在±5°間,大部分時段集中在±3°間,建議U形山谷風(fēng)攻角范圍取±5°。

③ 風(fēng)剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而增大。

2) 紊流強度及陣風(fēng)因子

① 各區(qū)域紊流強度均值都小于《規(guī)范》給出的建議值,陣風(fēng)因子均值都小于《指南》給出的建議值,表明紊流強度在強風(fēng)條件下的值小于一般氣象條件下的值。

② 紊流強度和陣風(fēng)因子隨風(fēng)速增大而減小。

③ 紊流強度均值IU∶IV∶IW=1∶0.5∶0.2,與《規(guī)范》建議的IU∶IV∶IW=1∶0.88∶0.50,差異顯著,陣風(fēng)因子均值1.1、最大值1.5均與《規(guī)范》建議值1.34差異不大。

3) 紊流積分尺度及功率譜

① 對比《規(guī)范》建議值,塔高70 m處實測LU=131 m>120 m,LV=86 m>60 m,且《規(guī)范》積分尺度建議取值未區(qū)分地表類型。

② 各測風(fēng)塔沿高度方向的紊流功率譜相差不大,且隨高度增加脈動頻率增大。

③ 各塔實測紊流功率譜整體趨勢與《規(guī)范》譜一致,但整體脈動頻率較低,小于《規(guī)范》譜,且70 m高度以下區(qū)域脈動風(fēng)頻率均不在工程結(jié)構(gòu)關(guān)心的慣性子區(qū)范圍內(nèi)。

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