公路風(fēng)吹雪防治棚洞的風(fēng)洞實驗研究

馬 磊， 劉 健， 冉武平， 胡智軒， 李在藍(lán)， 俞祥祥

（1.新疆交通科學(xué)研究院干旱荒漠區(qū)公路工程技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點實驗室，新疆烏魯木齊830000； 2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047； 3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊830011）

0 引言

中國有風(fēng)吹雪區(qū)域的面積占陸地國土面積的55.2%，主要分布在青藏高原及周邊山區(qū)、北疆和天山、內(nèi)蒙古與東北地區(qū)。風(fēng)吹雪對自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)影響較大，直接給經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人們的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失［1］。受公路風(fēng)吹雪影響，新疆地區(qū)G3015線鐵廠溝至額敏段2014—2018年期間冬季交通中斷時間平均占比為41.2%，S201 線鐵廠溝至額敏段冬季交通中斷時間平均占比為30.8%［2］。當(dāng)前風(fēng)吹雪的研究較為成熟，國際上美國學(xué)者Tabler［3］、日本學(xué)者竹內(nèi)政夫［4］編制了防雪柵欄設(shè)計手冊，在風(fēng)吹雪運(yùn)動機(jī)理和防雪柵欄實踐方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者呂曉輝等［5-6］利用自然降雪進(jìn)行了風(fēng)洞實驗，提出風(fēng)吹雪過程中雪粒徑與高度的關(guān)系；王正師［7］通過大渦模擬控制方程的改進(jìn)研究了復(fù)雜地形的風(fēng)吹雪分布特征；席建鋒等［8］采用力學(xué)分析手段，初步實現(xiàn)了對風(fēng)吹雪積雪深度的定量化描述；時光磊［9］通過研究風(fēng)吹雪綜合運(yùn)動模型，總結(jié)了風(fēng)吹雪過程中懸移和躍移運(yùn)動的有關(guān)特征。在工程實踐方面，國內(nèi)學(xué)者王中?。?］系統(tǒng)總結(jié)了中國風(fēng)雪流的特征，提出風(fēng)吹雪區(qū)劃；劉健等［2］、馬磊等［10］結(jié)合新疆地區(qū)典型公路風(fēng)吹雪災(zāi)害實際，提出綜合防治措施和計算體系；張家平［11］提出黑龍江省風(fēng)吹雪災(zāi)害時空分布及其防治措施。總的來看，國內(nèi)外對風(fēng)吹雪防治工程的研究大多集中在防雪柵欄、路基斷面方面，相關(guān)措施對路面風(fēng)積雪有一定改善作用，但隨著風(fēng)速和移雪量不斷增大，二者均難以徹底根治風(fēng)吹雪問題。針對于此，本文結(jié)合新疆瑪依塔斯風(fēng)區(qū)S201 線風(fēng)吹雪災(zāi)害特點，提出采用棚洞工程進(jìn)行風(fēng)吹雪防治的思路并就有關(guān)方案進(jìn)行了風(fēng)洞模擬實驗研究。

1 實驗方法

1.1 風(fēng)洞設(shè)備

風(fēng)洞設(shè)備采用中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所莫索灣多功能環(huán)境風(fēng)洞。風(fēng)洞實驗段長8 m，水平寬1.3 m，高1 m。本次實驗的邊界層厚度約為22 cm，湍流度約為1%，采用皮托管測定風(fēng)速（圖1）。實驗中模型高度低于邊界層厚度，袁鑫鑫等［12］在該風(fēng)洞開展了阻沙網(wǎng)實驗，譚鳳翥等［13］開展了檉柳灌叢沙堆流場實驗，均表明該風(fēng)洞滿足相似條件。

圖1 風(fēng)洞實驗示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the wind tunnel experiment

1.2 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

本次實驗根據(jù)S201 線擬實施的工程實際尺寸縮小一定比例制作了實驗?zāi)Ｐ?，模型縮尺比為1∶60，所有實驗?zāi)Ｐ途沾吮壤谱鳌?/p>

（1）棚洞模型

棚洞模型在3Dmax建模后，采用PLA 材質(zhì)以熔融堆積的方式3D 打印成型。依據(jù)實驗需求，共制作三種棚洞模型：第一種是利用洞側(cè)孔隙抑制吹雪且頂部封閉的透風(fēng)式棚洞，洞側(cè)透風(fēng)率分別為25%、35%、45%［圖2（a）］；第二種是利用弧形引導(dǎo)氣流原理的上挑式棚洞［圖2（b）］；第三種是常規(guī)全封閉式棚洞［圖2（a）］。棚洞模型內(nèi)側(cè)寬21.7 cm，側(cè)墻高9.2 cm，洞頂弧面高14.0 cm。為表述方便，下文中用H代替棚洞弧頂高度。

圖2 3D打印棚洞的模型結(jié)構(gòu)Fig. 2 Model structure of the 3D printing shed tunnel：fully enclosed（ventilated）shed tunnel（a）and overhanging shed tunnel（b）

（2）擋雪板模型

擋雪板模型依據(jù)對應(yīng)縮尺比，采用細(xì)木條制作，模型高10 cm，透風(fēng)率為25%，實驗中將擋雪板高度設(shè)計為0.73H。路基模型依據(jù)對應(yīng)縮尺比采用木板切割制作，高2.5 cm，長100 cm，坡率為1∶3。

1.3 實驗材料

實驗中采用的精鹽為日常食用鹽，細(xì)砂為干砂。采用的鋸末粒徑在1～3 mm 之間，多為片狀，實驗前用2 mm 篩孔進(jìn)行篩分，控制實驗鋸末最大粒徑不大于2 mm，濕度介于15%～20%。

實驗風(fēng)洞設(shè)備在溫度低于10 ℃時無法保證湍流度，因此無法直接利用雪為介質(zhì)進(jìn)行吹雪低溫實驗，故本次實驗采用鋸末、鹽、細(xì)砂作為介質(zhì)模擬吹雪堆積。為保證實驗的有效性，選用多種相似要素判定模擬介質(zhì)與雪之間的相似性。由于介質(zhì)堆積實驗主要用于驗證棚洞洞口可能的吹雪堆積和擋雪板的吹雪阻攔功能，因此堆積形態(tài)相似度是最重要的要素。堆積形態(tài)相似性判定，主要以擋雪板模型前后的介質(zhì)堆積情況與瑪依塔斯區(qū)域已經(jīng)實施的擋雪板前后吹雪堆積形態(tài)為參照對象進(jìn)行對比。實驗過程中，先將介質(zhì)平鋪在風(fēng)洞實驗區(qū)上游，入流風(fēng)速緩慢均勻提升至介質(zhì)起動風(fēng)速后保持，至介質(zhì)無明顯移動后結(jié)束。實驗完成后測量典型介質(zhì)堆積斷面，再放大60 倍后與參照對象進(jìn)行量化對比，并按照相似度在0～1 中間取值?？紤]到介質(zhì)本身物理性質(zhì)與雪的相似性，實驗還選取介質(zhì)密度和粒徑作為補(bǔ)充要素進(jìn)行相似性判定（表1）。經(jīng)專家打分求算術(shù)平均后，密度權(quán)重為0.25，介質(zhì)粒徑權(quán)重為0.25，堆積形態(tài)權(quán)重為0.50。

表1 實驗測定的模擬介質(zhì)參數(shù)Table 1 Parameters of simulation medium measured by experiments

相似性判定采用加權(quán)歐氏距離的計算方法［14］。當(dāng)i、j坐標(biāo)分別為（xi1，xi2，xi3）、（xj1，xj2，xj3）時，令a1＞a2＞a3，且a1+a2+a3=1，則有

式中：dij為i、j間的加權(quán)歐氏距離；a1、a2、a3為權(quán)重。

本例中，堆積形態(tài)權(quán)重為a1，密度權(quán)重為a2，介質(zhì)粒徑權(quán)重為a3，將每種模擬介質(zhì)的不同要素加權(quán)后計算與吹雪的歐氏距離（表2）。

表2 模擬介質(zhì)與吹雪的加權(quán)歐氏距離Table 2 Weighted Euclidean distance between simulation medium and blowing snow

Setoguchi［15］在風(fēng)吹雪介質(zhì)模擬實驗中采用白土模擬雪，采用自然坍落底角的相似性來證實白土與吹雪的相似度。在上述風(fēng)吹雪模擬介質(zhì)相似性論證的基礎(chǔ)上，經(jīng)分析實驗影像數(shù)據(jù)，鋸末在篩分過程中自然坍落底角約為49°，而雪的坍落角度在45°～50°之間。

加權(quán)歐式距離和坍落底角法均表明，當(dāng)前濕度條件下的鋸末與雪具有極高的相似度，可以采用鋸末替代積雪進(jìn)行風(fēng)洞模擬實驗。

1.4 三類棚洞堆積定性實驗方案

堆積定性實驗主要通過模擬風(fēng)吹雪中的吹雪沉積情況，來判定具有較好效果棚洞的型式。實驗過程中棚洞迎風(fēng)側(cè)洞口不設(shè)擋雪板，參照瑪依塔斯區(qū)域風(fēng)向與路向夾角，將路基和棚洞組合模型與風(fēng)向成90°布置，實驗過程與介質(zhì)相關(guān)性實驗基本相同，實驗結(jié)束后測定各類棚洞迎風(fēng)側(cè)、洞內(nèi)、背風(fēng)側(cè)介質(zhì)堆積的體積。

1.5 封閉式棚洞有無擋雪板堆積定量對比實驗方案

對堆積定性實驗中的封閉式棚洞進(jìn)行有無擋雪板的對照組實驗，通過對比堆積實驗中無擋雪板工況下的介質(zhì)堆積情況與有擋雪板工況下的情況，來驗證擋雪板的洞口吹雪防治效果。實驗中，棚洞與風(fēng)向的角度按照擬實施棚洞工程的瑪依塔斯區(qū)域S201 線K34～K35 段實際情況設(shè)置為30°。擋雪板平面布置與流場實驗相同（圖3）。

圖3 洞口無防護(hù)措施（a）與有防護(hù)措施（b）的對比堆積實驗Fig. 3 Comparative stacking experiment without（a）and with（b）protective measures at the entrance

1.6 封閉式棚洞流場實驗方案

（1）洞外流場實驗

洞外流場實驗采用對比有無擋雪板的方法來研究。棚洞、擋雪板布設(shè)方案等與堆積實驗相同。實驗入流風(fēng)速為8 m·s-1、10 m·s-1和12 m·s-1，流場實驗每條風(fēng)持續(xù)3 min，采用每組數(shù)據(jù)的平均值作為實驗值。實驗測點分別位于棚洞兩端0H～5H距離，測點高度為0.07H～3.57H。本實驗中由于棚洞為30°放置，因此棚洞截面寬度為3.1H，繪圖時以迎風(fēng)側(cè)棚洞0H處為坐標(biāo)原點，實驗測點垂直布設(shè)9 層，沿棚洞上下風(fēng)向位置水平布設(shè)8 層（表3、圖4）。實驗過程中先測定無擋雪板時三種風(fēng)速流場的分布，再測定有擋雪板時的三種風(fēng)速流場。

圖4 風(fēng)洞內(nèi)模型布置方案（I-I為流場觀測斷面）Fig. 4 Model layout scheme in the wind tunnel（I-I is the flow field observation section）

表3 測點設(shè)置Table 3 Setting of the measured points

（2）洞內(nèi)流場實驗

洞內(nèi)流場實驗與洞外流場實驗方案基本一致，只是在測點布設(shè)方面不同。洞內(nèi)流場實驗均在洞內(nèi)布設(shè)測點，實驗共測定了5組斷面，分別在兩側(cè)洞口、洞身1/4、1/2、3/4位置（表4、圖5）。

圖5 棚洞洞內(nèi)實驗斷面測點布置圖（a）和現(xiàn)場照片（b）Fig. 5 Layout of measuring points of experimental section in shed tunnel（a）and site photos（b）

表4 棚洞洞內(nèi)實驗斷面測點設(shè)置Table 4 Setting of measuring points of experimental section in shed tunnel

2 實驗結(jié)果

2.1 三類棚洞堆積定性實驗

堆積實驗過程中由于不同棚洞阻滯效應(yīng)的差異，部分介質(zhì)會被直接吹出風(fēng)洞，因此堆積總量不一定與源介質(zhì)總量相同。實驗結(jié)束后通過分析迎風(fēng)側(cè)、洞內(nèi)、背風(fēng)側(cè)介質(zhì)堆積體積得出有關(guān)結(jié)論（圖6）。

圖6 各類棚洞堆積實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig. 6 Statistics of various types of shed tunnel stacking experiments

（1）封閉式棚洞

洞身迎風(fēng)側(cè)堆積為源介質(zhì)體積的50%，洞內(nèi)堆積為源介質(zhì)體積的0.1%，洞身背風(fēng)側(cè)堆積為0。

（2）透風(fēng)式棚洞

不同透風(fēng)率堆積情況不同，以45%透風(fēng)率的棚洞為例，迎風(fēng)側(cè)堆積質(zhì)量為源介質(zhì)體積的23%，洞內(nèi)堆積質(zhì)量為源介質(zhì)體積的4%，洞身背風(fēng)側(cè)堆積體積為源介質(zhì)質(zhì)量的16%。在洞側(cè)透風(fēng)率從45%向25%降低過程中，相應(yīng)指標(biāo)存在規(guī)律性變化：洞內(nèi)介質(zhì)堆積質(zhì)量隨透風(fēng)率降低而降低，背風(fēng)側(cè)介質(zhì)堆積質(zhì)量隨透風(fēng)率降低而降低。

（3）上挑式棚洞

洞身迎風(fēng)側(cè)堆積體積為源介質(zhì)質(zhì)量的48%，洞內(nèi)堆積介質(zhì)為源介質(zhì)體積的0.1%，洞身背風(fēng)側(cè)為0。從阻雪性能上來講，上挑式棚洞洞體阻雪性能與封閉式相當(dāng)，洞內(nèi)產(chǎn)生的堆積極少。

2.2 封閉式棚洞有無擋雪板堆積定量對比實驗

在堆積實驗中，未設(shè)置擋雪板的棚洞洞口有較多介質(zhì)堆積，堆積寬度為棚洞寬度的3/4，寬度隨深入洞內(nèi)逐漸減小。設(shè)置擋雪板的棚洞洞口有少量介質(zhì)堆積，堆積寬度為未設(shè)置擋雪板工況的1/3，堆積質(zhì)量為未設(shè)置擋雪板的1/30。

2.3 封閉式棚洞流場實驗

（1）洞外流場實驗

為簡化表達(dá)不同層高的風(fēng)速流場情況，將實驗?zāi)Ｐ屯廨喞詢?nèi)的部分風(fēng)速全部設(shè)置為0，并按照相應(yīng)坐標(biāo)加入人工處理參數(shù)。采用Origin 軟件，將軟件中smoothing 選項中的Total points increase factor 設(shè)為100，Smoothing Parameter 設(shè)為0.1，繪制了流場圖（圖7）。圖中左側(cè)一列三張流場圖為未設(shè)置擋雪板的棚洞外部流場情況，從上到下入流風(fēng)速分別為8 m·s-1、10 m·s-1和12 m·s-1；右側(cè)一列三張流場圖為設(shè)置三排擋雪板后的流場情況，入流風(fēng)速與左側(cè)同排相同。

圖7 棚洞外側(cè)的風(fēng)速流場Fig. 7 Wind flow field outside the shed tunnel

以8 m·s-1入流風(fēng)速無擋雪板流場為例，風(fēng)在通過棚洞的時候會圍繞洞身環(huán)流，就形態(tài)上而言，入流方向風(fēng)速變化相對較快，流場形態(tài)較尖銳，通過棚洞以后風(fēng)速恢復(fù)較緩，流場形態(tài)較為平滑。從8 m·s-1至12 m·s-1風(fēng)速變化過程中，流場形態(tài)無明顯變化。以8 m·s-1入流風(fēng)速無擋雪板與有擋雪板流場對比來看，擋雪板對流場影響極大，尤其是1.25H高度以下的風(fēng)速較入流下降均在40%左右。在入流風(fēng)速8 m·s-1至12 m·s-1變化過程中，隨入流風(fēng)速提升，風(fēng)速下降呈增大趨勢。在設(shè)置擋雪板的工況下，-2.5H至-1H區(qū)間出現(xiàn)了流場擾動縮短的現(xiàn)象，并且隨著風(fēng)速不斷提高，該現(xiàn)象有擴(kuò)大的趨勢。

（2）洞內(nèi)流場實驗

實驗數(shù)據(jù)以棚洞左側(cè)為坐標(biāo)原點，洞高方向為Y軸正方向，洞左至右為X軸正方向，建立數(shù)據(jù)坐標(biāo)后采用Origin軟件繪制圖像。洞內(nèi)流場實驗也與上述流場條件相同，采用8 m·s-1入流風(fēng)速進(jìn)行分析研究（圖8）。

圖8 棚洞洞內(nèi)的風(fēng)速流場Fig. 8 Wind flow field in the shed tunnel

在洞口未設(shè)置擋雪板的工況下，洞口入流方向弱風(fēng)區(qū)較為明顯，尤其是0.1H高度以下風(fēng)速存在較為明顯的下降，這一趨勢在第五個斷面依然存在。在此工況下，結(jié)合有關(guān)研究成果判定，可能對應(yīng)吹入洞內(nèi)的風(fēng)吹雪滯留現(xiàn)象。

在洞口設(shè)置擋雪板的工況下，前兩個斷面基本與未設(shè)置擋雪板流場情況類似，但在第三個斷面以后流場存在較大的差異。結(jié)合有關(guān)工程經(jīng)驗，若將4 m·s-1及以下區(qū)域定為弱風(fēng)區(qū)，那么設(shè)置擋雪板的棚洞在第三個斷面弱風(fēng)區(qū)占比為10.3%，第四斷面和第五斷面為0。同等條件下，未設(shè)置擋雪板的棚洞第三個斷面弱風(fēng)區(qū)占比為19.6%，第四個斷面弱風(fēng)區(qū)占比為17.4%，第五個斷面弱風(fēng)區(qū)占比為7.2%。經(jīng)推算可得，設(shè)置擋雪板后，洞內(nèi)弱風(fēng)區(qū)長度減少了33%。

3 討論

3.1 不同棚洞防雪效果對比

從堆積實驗結(jié)果分析可知，封閉式棚洞阻雪性能較好，洞內(nèi)產(chǎn)生的堆積極少，但也存在迎風(fēng)側(cè)介質(zhì)堆積多，洞身受積雪側(cè)壓力大的弊端。透風(fēng)式棚洞存在介質(zhì)灌入洞內(nèi)的風(fēng)險，且與透風(fēng)率增大成正比關(guān)系，防雪效果較差。上挑式棚洞防雪效果與封閉式棚洞相當(dāng)，但迎風(fēng)側(cè)有大量的介質(zhì)堆積，且非框架結(jié)構(gòu)，雪壓力抵御能力弱?？傮w而言，封閉式棚洞和上挑式棚洞防雪效果較好。

3.2 封閉式棚洞有無擋雪板流場分析

首先，從堆積定性實驗分析，擋雪板作為攔截主體對介質(zhì)產(chǎn)生了較為顯著的攔截作用，因此擋雪板的設(shè)置是有益于棚洞防雪效果提升的。其次，從擋雪板洞外流場情況分析，擋雪板具有減弱洞口風(fēng)力的功能，尤其在風(fēng)吹雪運(yùn)動的貼地氣層，這一現(xiàn)象尤為突出。這也與堆積實驗相互印證：受擋雪板對流場抑制作用，風(fēng)力降低，介質(zhì)在擋雪板后至棚洞入口前形成了堆積，這一現(xiàn)象隨風(fēng)速增大而縮小。再次，從洞內(nèi)流場的變化情況來看，擋雪板降低了洞內(nèi)弱風(fēng)區(qū)域的范圍，可以推斷當(dāng)入流風(fēng)速進(jìn)一步提升至風(fēng)吹雪吹入洞內(nèi)時，有擋雪板的棚洞對應(yīng)的風(fēng)積雪長度和范圍是小于未設(shè)置擋雪板的。

4 結(jié)論

風(fēng)吹雪對新疆冬季交通安全有重大威脅，隨著新疆經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，對交通事業(yè)發(fā)展提出了更高要求，風(fēng)吹雪的防治理念也從過去的“保通”逐漸向“保優(yōu)”轉(zhuǎn)變。結(jié)合這一背景，本文探討了風(fēng)吹雪治理棚洞型式選取和洞口防雪處置措施效果，并形成了以下結(jié)論：

（1）在非低溫條件下采用風(fēng)洞堆積實驗研究風(fēng)吹雪沉積狀態(tài)時，從密度、粒徑、堆積形態(tài)三個方面綜合分析后發(fā)現(xiàn)鋸末介質(zhì)與風(fēng)吹雪運(yùn)動過程中的吹雪具有較好的相似性。在不具備低溫環(huán)境的風(fēng)洞實驗時，采用鋸末介質(zhì)探究風(fēng)吹雪沉積狀態(tài)是一種可行的方案。

（2）在實驗過程中透風(fēng)式的棚洞中灌入了大量的介質(zhì)，證實其防風(fēng)雪性能不理想。相比較而言，封閉式棚洞、上挑式棚洞具有較好的風(fēng)吹雪防治效果。

（3）擋雪板具有較好的洞口吹雪抑制功能。從堆積實驗看，擋雪板能較為有效地阻攔風(fēng)吹雪進(jìn)入棚洞；從流場實驗看，擋雪板能夠明顯降低棚洞外部風(fēng)速，具有抑制棚洞內(nèi)部形成弱風(fēng)區(qū)的功能。

對于新疆公路交通而言，采用棚洞工程治理風(fēng)吹雪災(zāi)害是一種可行的方案，在處理好棚洞洞口吹雪沉積問題后，低價且環(huán)境融合的棚洞工程型式和長距離棚洞的車輛運(yùn)行安全保障措施是未來需要繼續(xù)破解的難題。