基于波形梁護欄的公路路堤風吹雪災害研究*

嚴東方，李 響，查明高，高 暉，林達明，楊瑞剛

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.中國地質(zhì)大學(北京)工程技術學院，北京 100083；3.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；4.新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊，新疆 昌吉 831100)

0 引言

風吹雪災害每年都會在我國的西北、西南和東北等地區(qū)發(fā)生[1]，其中新疆的風吹雪最為典型，尤其在塔城地區(qū)，常導致交通擁堵，嚴重時還會造成人員傷亡，這給人民出行安全埋下極大隱患。因此，探究風雪流在流經(jīng)公路和鐵路不同形式斷面時的堆積規(guī)律便顯得非常重要。早期研究風雪流的流動和堆積規(guī)律通常采用的是風洞試驗[2-3]，這種方法雖然模擬結果較精確，但也有試驗材料難原樣保存、初始條件難控、試驗成本高、操作難度大等缺點。隨著計算機技術的高速發(fā)展，誕生了許多流體模擬軟件，這其中ANSYS Fluent軟件具有模擬精度高、操作難度小、時間和經(jīng)濟成本低等優(yōu)點，因此應用也最廣泛。

王向陽[4]運用ANSYS Fluent軟件探究分析了路堤高度、邊坡坡率及入射風速對風雪流速度的影響，確定了路堤斷面的風速場模式，并將結果與實際觀測值進行比較，發(fā)現(xiàn)二者基本吻合；宋鵬[5]對風雪流在流經(jīng)鐵路路堤斷面時距路面不同高度的風速變化規(guī)律和積雪厚度變化規(guī)律進行了研究；胡毅等[6]對風雪流在流經(jīng)不同高度和不同邊坡坡率路堤時路面不同位置的風速進行了統(tǒng)計，據(jù)此找到了路基斷面設計的最優(yōu)參數(shù)；張林林[7]、張海峰[8]、何書勇等[9]、周塵華[10]等也模擬了風雪流在流經(jīng)路堤斷面時的特點，均取得了不錯成果。

目前運用軟件模擬風雪流流經(jīng)不同路基斷面的前提均是把整個斷面都簡化為平直的路面，而忽略了其上本來就具有的結構物(波形梁等)對風雪流的影響，這不符合實際情況。有研究人員在降雪期間對新疆克塔高速公路沿線進行勘察，發(fā)現(xiàn)路側護欄和中央分隔帶對氣流的影響很大，已產(chǎn)生積雪(見圖1，2)；應成亮[11]也做了風洞試驗，證明了帶有路側護欄和中央分隔帶的路堤斷面對風雪流的影響更大。但之前的學者都是進行現(xiàn)場觀測和試驗，而沒有運用數(shù)值模擬軟件進行分析。

圖1 克塔高速公路護欄積雪

圖2 克塔高速公路分隔帶護欄積雪

本文以新疆烏尉高速公路永豐平原區(qū)的路堤為研究對象，運用ANSYS Fluent軟件對帶有波形梁護欄和不帶波形梁護欄的路堤斷面進行風吹雪數(shù)值模擬，對比驗證波形梁護欄對風吹雪的阻礙作用。

1 工程概況

G0711烏魯木齊—尉犁段高速公路(以下簡稱“烏尉高速”)位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊縣及巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，是連接南北疆的國家戰(zhàn)略性通道，重要的資源通道和國防通道。

永豐平原區(qū)段路線(K2+500—K8+000)位于烏尉高速起點處，長5.5km，總體與G216線平行(見圖3)，主要以路堤的方式修建通過。根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在冬季降雪期間，G216線在永豐平原區(qū)發(fā)生的風吹雪災害最為嚴重，對公路行車造成較大影響。因此，調(diào)查永豐平原區(qū)的風吹雪災害情況，找出風雪流在流經(jīng)路堤斷面時的堆積規(guī)律，對保障烏尉高速全天候暢通具有重要意義。

圖3 烏尉高速K2+500—K8+000所在位置

2 路堤波形梁對風雪流的作用研究

(以烏尉高速永豐平原區(qū)為例)

2.1 雪粒啟動風速

判斷是否會有積雪堆積的前提是確定雪粒子的啟動風速。根據(jù)王中隆等[12]的研究，雪粒的啟動風速主要與雪粒粒徑和積雪密度相關，當積雪密度在0.05～0.30g/cm3時，三者之間的關系如下：

(1)

V=3.123+11.99ρ+0.013 5e12.08ρ

(2)

式中：V為雪粒子啟動風速；d為雪粒粒徑；ρ為積雪密度。

課題組于2019年12月28日(降雪2d后)對烏尉高速里程K5+000處分別在0，5，10，15，20，25cm共6個深度下取雪樣測定積雪密度分別為0.08，0.11，0.11，0.13，0.14，0.14g/cm3，以此確定雪粒子的啟動風速。

由測定的積雪密度及式(1)、式(2)可計算出烏尉高速里程K5+000處雪粒的最小啟動風速為4.1m/s，最大啟動風速為4.9m/s。這意味著當風速>4.1m/s時，地表的雪粒子便會被風吹起，若這些雪堆積在路面上，便會掩埋路面，阻塞交通。值得注意的是，隨著測量深度的增加，積雪密度逐漸增大，分析可能是由于下層雪的堆積時間較長，雪體發(fā)生凍融，導致含水量和雪粒之間的黏滯力增大，同時受到上層雪的壓實作用而造成。

2.2 風吹雪的風向和風速

課題組收集了永豐平原區(qū)多年的氣象資料，發(fā)現(xiàn)冬季的平均風速為5.4m/s(距地面10m高)，風向為NW。由于實際情況一般風速都會隨著高度的增加以一定規(guī)律產(chǎn)生變化，因此根據(jù)查明高等[13]的研究，確定永豐平原區(qū)的風速隨高度變化遵循冪指函數(shù)分布，如下所示：

(3)

式中：Vh為高度h處風速；V1為高度h1處風速，V1取5.4m/s，h1取10m；α為風隨高度變化系數(shù)，新疆地區(qū)取0.12。

收集永豐平原區(qū)冬季降雪期的遙感影像，根據(jù)雪粒子的形態(tài)判斷風向，并與線路走向相對比，從而確定發(fā)生風吹雪災害的可能性，如圖4所示。

圖4 2012年永豐平原區(qū)降雪期遙感影像

本區(qū)域2012年冬季降雪期的遙感影像如圖4所示，通過觀察圖中雪的堆積位置和形狀可知，本區(qū)域主導風向為NW向，與氣象資料相符，由此可判斷風向與線路走向垂直，因此雪粒在橫跨路堤時便可能會造成路面和路側積雪。

2.3 路堤波形梁模型參數(shù)

為了使研究結果能應用于實際工程，本次參考“烏魯木齊—尉犁段高速公路建設項目兩階段施工圖設計”中的實際設計方案，給出路堤斷面和波形梁的模型參數(shù)，如表1所示。

表1 路堤斷面模型參數(shù)

為方便模擬，將波形梁的橫斷面簡化為長方形，如圖5所示。

圖5 波形梁簡化橫斷面示意(單位：m)

采用式(3)所示規(guī)律為本次模擬的入口風速，風向由左向右垂直于邊界進入計算域內(nèi)，湍流模型選用標準的k-ε模型。為了使模擬結果更能體現(xiàn)雪粒子的速度分布，選用風雪二相流進行模擬，雪粒子粒徑取0.000 2m，占空氣的體積分數(shù)取0.02[14]。對距離路面0.2m高(波形梁與路面中間)和0.7m高(波形梁后)的雪粒速度進行統(tǒng)計分析。

2.4 路堤波形梁風吹雪模擬分析

2.4.1模型Ⅰ模擬結果

模型Ⅰ的雪粒速度云圖和雪粒速度曲線如圖6，7所示。

圖6 模型Ⅰ雪粒速度云圖

由圖6和圖7可觀察到，有波形梁時雪粒大多會堆積在背風坡坡腳處，但由于路面兩側和中央隔離帶兩側波形梁的阻擋作用，在每個波形梁后面都會形成一定范圍的減速區(qū)，圖6a中據(jù)路面0.7m后的雪粒速度大多比雪粒啟動速度低，其中在迎風坡腳、中央隔離帶、背風路肩3處的速度甚至為0，這會導致雪粒在路面上堆積；而當路面不設置波形梁時，可看到雪粒首先會堆積在迎風坡坡腳處，且路面上無波形梁阻擋，大部分風速都大于雪粒的啟動速度，所以雪粒可順利通過路面。兩種情況相比之下，當路堤高度為3.9m、邊坡坡率為1∶1.5時，波形梁對風雪流的阻擋作用明顯，雪粒首先會在波形梁后的路面上堆積，而后才會堆積到背風坡坡腳處。

圖7 模型Ⅰ雪粒速度曲線

2.4.2模型Ⅱ模擬結果

模型Ⅱ的雪粒速度云圖和雪粒速度曲線如圖8，9所示。

圖8 模型Ⅱ雪粒速度云圖

由圖8和圖9可觀察到，當路堤高度為4.6m、邊坡坡率為1∶1.5時，模型的模擬結果和模型Ⅰ基本相同，這說明在其他條件不變的情況下，即使增高路堤，波形梁對風雪流的阻擋作用依舊非常明顯，雪粒仍會堆積在波形梁后的路面上，進而形成風吹雪害。這里值得注意的是，當邊坡坡率為1∶1.5且不設置波形梁時，距路面0.2m處的部分風速也小于風吹雪啟動速度，此時雪粒也有堆積到路面上的可能。所以這說明在風吹雪災害易發(fā)路段修建路堤時，在其他條件不變的情況下，邊坡坡率也不宜設置為1∶1.5。根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設計規(guī)范》[15]中對風吹雪路段路堤邊坡坡率的建議值也說明了這一點。

圖9 模型Ⅱ雪粒速度曲線

2.4.3模型Ⅲ模擬結果

模型Ⅲ的雪粒速度云圖和雪粒速度曲線如圖10，11所示。

圖10 模型Ⅲ雪粒速度云圖

觀察圖10和圖11可發(fā)現(xiàn)，當路堤高度為4.6m、邊坡坡率為1∶4時，設置波形梁時路面上風速位于雪粒啟動速度線以下的區(qū)域更大，雪粒的堆積情況比模型Ⅱ更嚴重，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于隨著邊坡坡率的變緩，風雪流在達到路面前的速度減小程度便越小，因此當遇到波形梁阻擋時在波形梁后形成的減速區(qū)域便越大，導致雪粒的堆積情況便越嚴重；但當不設置波形梁時，路面上的風速全部都在風吹雪啟動速度線之上，說明雪粒可完全通過整個路面。二者相比之下，波形梁對風雪流的阻擋作用更明顯。

圖11 模型Ⅲ雪粒速度曲線

3 結語

1)在同種模擬前提下，無論路堤高度和邊坡坡率如何，設置波形梁的路堤對風雪流的阻擋作用總是比不設置波形梁時更嚴重。

2)當路面兩側和中央隔離帶兩側設置波形梁時，雪粒主要在波形梁后的路面上和背風坡坡腳處堆積，易形成雪害；當不設置波形梁時，雪粒主要在迎風坡坡腳處堆積，且能順利通過路面，不易形成雪害。

3)路堤高度相同時，邊坡坡率為1∶4的路堤在設置波形梁時雪粒沉積到路面的情況比邊坡坡率為1∶1.5時更嚴重；但當不設置波形梁時風雪流的流通情況則相反，前者比后者的流通性更好，發(fā)生雪害的概率更小。

4)在風吹雪災易發(fā)路段修建路堤時，建議應用透風性更好的纜索護欄代替波形梁護欄，或直接在路側修建如防雪柵欄、擋雪墻等防雪設施。