基于波形梁护栏的公路路堤风吹雪灾害研究*

严东方，李 响，查明高，高 晖，林达明，杨瑞刚

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056；2.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083；3.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；4.新疆地矿局第二水文工程地质大队，新疆 昌吉 831100)

0 引言

风吹雪灾害每年都会在我国的西北、西南和东北等地区发生[1]，其中新疆的风吹雪最为典型，尤其在塔城地区，常导致交通拥堵，严重时还会造成人员伤亡，这给人民出行安全埋下极大隐患。因此，探究风雪流在流经公路和铁路不同形式断面时的堆积规律便显得非常重要。早期研究风雪流的流动和堆积规律通常采用的是风洞试验[2-3]，这种方法虽然模拟结果较精确，但也有试验材料难原样保存、初始条件难控、试验成本高、操作难度大等缺点。随着计算机技术的高速发展，诞生了许多流体模拟软件，这其中ANSYS Fluent软件具有模拟精度高、操作难度小、时间和经济成本低等优点，因此应用也最广泛。

王向阳[4]运用ANSYS Fluent软件探究分析了路堤高度、边坡坡率及入射风速对风雪流速度的影响，确定了路堤断面的风速场模式，并将结果与实际观测值进行比较，发现二者基本吻合；宋鹏[5]对风雪流在流经铁路路堤断面时距路面不同高度的风速变化规律和积雪厚度变化规律进行了研究；胡毅等[6]对风雪流在流经不同高度和不同边坡坡率路堤时路面不同位置的风速进行了统计，据此找到了路基断面设计的最优参数；张林林[7]、张海峰[8]、何书勇等[9]、周尘华[10]等也模拟了风雪流在流经路堤断面时的特点，均取得了不错成果。

目前运用软件模拟风雪流流经不同路基断面的前提均是把整个断面都简化为平直的路面，而忽略了其上本来就具有的结构物(波形梁等)对风雪流的影响，这不符合实际情况。有研究人员在降雪期间对新疆克塔高速公路沿线进行勘察，发现路侧护栏和中央分隔带对气流的影响很大，已产生积雪(见图1，2)；应成亮[11]也做了风洞试验，证明了带有路侧护栏和中央分隔带的路堤断面对风雪流的影响更大。但之前的学者都是进行现场观测和试验，而没有运用数值模拟软件进行分析。

图1 克塔高速公路护栏积雪

图2 克塔高速公路分隔带护栏积雪

本文以新疆乌尉高速公路永丰平原区的路堤为研究对象，运用ANSYS Fluent软件对带有波形梁护栏和不带波形梁护栏的路堤断面进行风吹雪数值模拟，对比验证波形梁护栏对风吹雪的阻碍作用。

1 工程概况

G0711乌鲁木齐—尉犁段高速公路(以下简称“乌尉高速”)位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐县及巴音郭楞蒙古自治州和静县境内，是连接南北疆的国家战略性通道，重要的资源通道和国防通道。

永丰平原区段路线(K2+500—K8+000)位于乌尉高速起点处，长5.5km，总体与G216线平行(见图3)，主要以路堤的方式修建通过。根据前期现场调查发现，在冬季降雪期间，G216线在永丰平原区发生的风吹雪灾害最为严重，对公路行车造成较大影响。因此，调查永丰平原区的风吹雪灾害情况，找出风雪流在流经路堤断面时的堆积规律，对保障乌尉高速全天候畅通具有重要意义。

图3 乌尉高速K2+500—K8+000所在位置

2 路堤波形梁对风雪流的作用研究

(以乌尉高速永丰平原区为例)

2.1 雪粒启动风速

判断是否会有积雪堆积的前提是确定雪粒子的启动风速。根据王中隆等[12]的研究，雪粒的启动风速主要与雪粒粒径和积雪密度相关，当积雪密度在0.05～0.30g/cm3时，三者之间的关系如下：

(1)

V=3.123+11.99ρ+0.013 5e12.08ρ

(2)

式中：V为雪粒子启动风速；d为雪粒粒径；ρ为积雪密度。

课题组于2019年12月28日(降雪2d后)对乌尉高速里程K5+000处分别在0，5，10，15，20，25cm共6个深度下取雪样测定积雪密度分别为0.08，0.11，0.11，0.13，0.14，0.14g/cm3，以此确定雪粒子的启动风速。

由测定的积雪密度及式(1)、式(2)可计算出乌尉高速里程K5+000处雪粒的最小启动风速为4.1m/s，最大启动风速为4.9m/s。这意味着当风速>4.1m/s时，地表的雪粒子便会被风吹起，若这些雪堆积在路面上，便会掩埋路面，阻塞交通。值得注意的是，随着测量深度的增加，积雪密度逐渐增大，分析可能是由于下层雪的堆积时间较长，雪体发生冻融，导致含水量和雪粒之间的黏滞力增大，同时受到上层雪的压实作用而造成。

2.2 风吹雪的风向和风速

课题组收集了永丰平原区多年的气象资料，发现冬季的平均风速为5.4m/s(距地面10m高)，风向为NW。由于实际情况一般风速都会随着高度的增加以一定规律产生变化，因此根据查明高等[13]的研究，确定永丰平原区的风速随高度变化遵循幂指函数分布，如下所示：

(3)

式中：Vh为高度h处风速；V1为高度h1处风速，V1取5.4m/s，h1取10m；α为风随高度变化系数，新疆地区取0.12。

收集永丰平原区冬季降雪期的遥感影像，根据雪粒子的形态判断风向，并与线路走向相对比，从而确定发生风吹雪灾害的可能性，如图4所示。

图4 2012年永丰平原区降雪期遥感影像

本区域2012年冬季降雪期的遥感影像如图4所示，通过观察图中雪的堆积位置和形状可知，本区域主导风向为NW向，与气象资料相符，由此可判断风向与线路走向垂直，因此雪粒在横跨路堤时便可能会造成路面和路侧积雪。

2.3 路堤波形梁模型参数

为了使研究结果能应用于实际工程，本次参考“乌鲁木齐—尉犁段高速公路建设项目两阶段施工图设计”中的实际设计方案，给出路堤断面和波形梁的模型参数，如表1所示。

表1 路堤断面模型参数

为方便模拟，将波形梁的横断面简化为长方形，如图5所示。

图5 波形梁简化横断面示意(单位：m)

采用式(3)所示规律为本次模拟的入口风速，风向由左向右垂直于边界进入计算域内，湍流模型选用标准的k-ε模型。为了使模拟结果更能体现雪粒子的速度分布，选用风雪二相流进行模拟，雪粒子粒径取0.000 2m，占空气的体积分数取0.02[14]。对距离路面0.2m高(波形梁与路面中间)和0.7m高(波形梁后)的雪粒速度进行统计分析。

2.4 路堤波形梁风吹雪模拟分析

2.4.1模型Ⅰ模拟结果

模型Ⅰ的雪粒速度云图和雪粒速度曲线如图6，7所示。

图6 模型Ⅰ雪粒速度云图

由图6和图7可观察到，有波形梁时雪粒大多会堆积在背风坡坡脚处，但由于路面两侧和中央隔离带两侧波形梁的阻挡作用，在每个波形梁后面都会形成一定范围的减速区，图6a中据路面0.7m后的雪粒速度大多比雪粒启动速度低，其中在迎风坡脚、中央隔离带、背风路肩3处的速度甚至为0，这会导致雪粒在路面上堆积；而当路面不设置波形梁时，可看到雪粒首先会堆积在迎风坡坡脚处，且路面上无波形梁阻挡，大部分风速都大于雪粒的启动速度，所以雪粒可顺利通过路面。两种情况相比之下，当路堤高度为3.9m、边坡坡率为1∶1.5时，波形梁对风雪流的阻挡作用明显，雪粒首先会在波形梁后的路面上堆积，而后才会堆积到背风坡坡脚处。

图7 模型Ⅰ雪粒速度曲线

2.4.2模型Ⅱ模拟结果

模型Ⅱ的雪粒速度云图和雪粒速度曲线如图8，9所示。

图8 模型Ⅱ雪粒速度云图

由图8和图9可观察到，当路堤高度为4.6m、边坡坡率为1∶1.5时，模型的模拟结果和模型Ⅰ基本相同，这说明在其他条件不变的情况下，即使增高路堤，波形梁对风雪流的阻挡作用依旧非常明显，雪粒仍会堆积在波形梁后的路面上，进而形成风吹雪害。这里值得注意的是，当边坡坡率为1∶1.5且不设置波形梁时，距路面0.2m处的部分风速也小于风吹雪启动速度，此时雪粒也有堆积到路面上的可能。所以这说明在风吹雪灾害易发路段修建路堤时，在其他条件不变的情况下，边坡坡率也不宜设置为1∶1.5。根据JTG D30—2015《公路路基设计规范》[15]中对风吹雪路段路堤边坡坡率的建议值也说明了这一点。

图9 模型Ⅱ雪粒速度曲线

2.4.3模型Ⅲ模拟结果

模型Ⅲ的雪粒速度云图和雪粒速度曲线如图10，11所示。

图10 模型Ⅲ雪粒速度云图

观察图10和图11可发现，当路堤高度为4.6m、边坡坡率为1∶4时，设置波形梁时路面上风速位于雪粒启动速度线以下的区域更大，雪粒的堆积情况比模型Ⅱ更严重，分析出现这种现象的原因是由于随着边坡坡率的变缓，风雪流在达到路面前的速度减小程度便越小，因此当遇到波形梁阻挡时在波形梁后形成的减速区域便越大，导致雪粒的堆积情况便越严重；但当不设置波形梁时，路面上的风速全部都在风吹雪启动速度线之上，说明雪粒可完全通过整个路面。二者相比之下，波形梁对风雪流的阻挡作用更明显。

图11 模型Ⅲ雪粒速度曲线

3 结语

1)在同种模拟前提下，无论路堤高度和边坡坡率如何，设置波形梁的路堤对风雪流的阻挡作用总是比不设置波形梁时更严重。

2)当路面两侧和中央隔离带两侧设置波形梁时，雪粒主要在波形梁后的路面上和背风坡坡脚处堆积，易形成雪害；当不设置波形梁时，雪粒主要在迎风坡坡脚处堆积，且能顺利通过路面，不易形成雪害。

3)路堤高度相同时，边坡坡率为1∶4的路堤在设置波形梁时雪粒沉积到路面的情况比边坡坡率为1∶1.5时更严重；但当不设置波形梁时风雪流的流通情况则相反，前者比后者的流通性更好，发生雪害的概率更小。

4)在风吹雪灾易发路段修建路堤时，建议应用透风性更好的缆索护栏代替波形梁护栏，或直接在路侧修建如防雪栅栏、挡雪墙等防雪设施。