高速公路附属设施对加深风吹雪灾害程度的数值模拟研究

林起飞 张立群 杨欢欢 周 辉 熊 航 张学峰 余泽韬

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

公路是现代社会重要的交通方式，我国公路交通经过几个时期的发展，得到了长足的进步.截止到2019年我国公路总里程已达到485万公里，高速公路达14.26万公里，居世界第一位.但是，由于我国幅员辽阔，气候条件复杂，气候灾害对公路的影响也不容忽视.

风吹雪为空气中挟带着雪粒子运行的非典型的气-固两相流，而风吹雪灾害是中国北方常见的一种自然灾害，分布较为广泛，约占全国总面积的55.2%.它影响行车视线，容易造成交通事故，又易形成公路路面积雪，阻碍交通的正常运行，造成经济损失.现今，已有大量针对公路风吹雪灾害的形成机理和防治措施的研究.张霞[1]主要对典型路基断面雪害形成机理、雪害选线和典型路基断面设计及路侧设计进行了研究.认为路基多采用路堤形式，尽量不用路堑形式，选线时应尽量与风向平行.张海峰[2]过对铁路不同路基形式进行试验，得到采用较高路堤高度、较小边坡比和有较大风速条件时可有效减轻路面风吹雪灾害，较深的路堑、半路堑的边坡有利于储存积雪.

但是在针对公路风吹雪的研究过程中，主要对公路的边坡坡度和路基高度等影响因素进行研究，忽略了公路附属设施对加深风吹雪灾害程度的影响，因此，本文利用Fluent软件为工具，就高速公路护栏对公路风吹雪灾害的形成的影响进行研究，探究不同形式的公路护栏对公路路面风速的影响，并判断容易积雪的主要位置.

1 模型分析

1.1 物理模型

图1 公路积雪灾害

图2 公路波形护栏

本文数值模拟采用ICEM建模并划分网格，将路基及周围流场作为二维模型进行计算，将计算域长度确定为路基前方取20m，后方取80m，高度取30m，试验模拟的工况为路基的四种不同截面形式即路堤、迎风半路堑、背风半路堑、全路堑结合三波形护栏、两波形护栏、高度分别为0.9m、1m的混凝土护栏.路基边坡坡度为1:1.5，路基高度8m，并设定x轴为水平风流方向，y轴为竖直方向，用Fluent软件对不同工况进行数值模拟.

1.2 边界条件

模型左侧为速度入口边界，速度为14m/s,右侧为自由出流边界条件，顶部采用对称边界，底部为壁面条件，介质类型为流体，采用标准k-ε湍流模型，离散格式采用二阶离散格式，求解算法采用SIMPLEC算法，计算收敛误差为10-5.

1.3 控制方程

将空气看做不可压缩流体.控制方程包括：1)连续性方程；2)动量方程；3)湍动能方程；4)耗散率方程

(1)

(2)

其中湍流脉动力为：

粘性系数：

(3)

其中湍动能生成项：

(4)

式中：湍动能k：耗散率为ε，紊流系数σk，Cμ，C1ε，C2ε，σε分别为1,0.09,1.44,1.92,和1.3.

图3 混凝土防护栏 图4 三波防护栏 图5 双波防护栏

2 模拟结果分析

2.1 不同路基截面形式下各防护栏公路路面风速的结果分析

风吹雪的形成条件主要包括充足的雪源和能够使雪粒沉积的低风速区，数值模拟中由于无法测出风雪流的流体力学参数，因此，本文主要以空气为研究对象，通过观察公路周围风速的分布来判断积雪灾害发生的主要位置和面积大小.由于跃移层的雪粒搬运占总雪粒沉降量的90%，因此对路面垂直高度y=0.1m处风速进行主要分析，比较四种路基形式下五种工况的风速.

由图6可以看出，在全路堑形式中，无防护栏路面风速为负值，说明此时的风速方向与入口风速相反，此处有较强的涡流产生，但是由于风速的绝对值较大，此处并不容易积雪，在增设防护栏之后，四种防护栏对路面风速都有较大影响，风速整体降低，降低最大绝对值约7m/s，相同形式的防护栏路面风速分布规律有很大的相似性，风速相差不大.通过增设防护栏前后的对比，无防护栏时公路两边的路堑坡脚处4m范围内容易积雪，但是增加防护栏后，整个公路路面风速都小于5m/s，虽有涡流区产生，但速度较低，不易裹走雪粒，容易产生大面积积雪.

图6 全路堑y=0.1高度风速折线图 图7 路堤y=0.1高度风速折线图

通过图7可以看出，防护栏对迎风坡坡脚和坡面处的风速几乎没有影响，图8中迎风半路堑也有相同的规律.但是，在路堤中，气流通过经过坡面遇到坡顶时，改变了气流走向，部分气流加速并向上发展，也使路面风速急剧增加，并随着距离的增加，风速不断减小，虽在经过中央隔离带后，由于隔离带的阻碍挤压作用，特别是波形防护栏，风速有所增加，但仍然只能达到气流初到路面时风速的20%左右，特别是混凝土防护栏，在气流离开路面时风速几乎为0，与无防护栏时的20m/s相差较大.另外，未设防护栏时，路面风速都在15m/s以上，都大于雪粒的启动风速，不会产生积雪，在设施防护栏后，不管何种形式的防护栏，风速绝对值在5m/s范围内的路面长度约10m，这说明设置防护栏会增加路堤式公路的风积雪灾害的风险.图8中迎风半路堑路面的风速分布规律和路堤具有极大相似性，只是由于路堑边坡的阻挡作用，在气流到达路堑坡脚前风速下降，降幅约5m/s.在背风半路堑工况中由于气流经过公路上空时，风速较大，与地面形成风速梯度，在路面附近形成了低速涡流.但是，由于在无防护栏的情况下路面风速最高只有6m/s，风速较小，波形防护栏下部的提速作用没有得到充分发挥，提高速度只有2m/s左右，所以具有透风性的波形防护栏相较于混凝土护栏对路面风速的影响较小.

图8 迎风半路堑y=0.1高度风速折线图 图9 背风半路堑y=0.1 高度风速折线图

2.2 不同路基截面形式下各防护栏积雪情况分析

由于本次模拟采用单相流，无法从模拟结果中直接得到公路积雪曲线，但是风积雪的形成需要较低的风速，因此，本次主要通过各种工况下的风速云图进行积雪情况的大致分析，通过低于雪粒启动风速的区域范围进行判断，得到积雪分布情况.

图10迎风半路堑在不设防护栏的情况下，在迎风面坡脚处有面积较小的低风速区，会有利于雪粒沉积，但是整个路面的风速较大，不会形成较大积雪，设置波形防护栏后，只有在迎风侧路面由于防护栏底部透风，气流收到挤压，使路面风速提高，随着距离不断增大和中央隔离带的阻挡，路面风速逐渐降低，容易造成路面积雪，而混凝土防护栏没有透风性，相当于小尺寸“挡雪墙”，风速降低明显，积雪灾害更为严重.

图10-1 无防护栏

图11中背风半路堑中气流经过路面上空时，上部风速较大，在垂直方向产生了较大的风速梯度，使路面附近产生涡流，但涡流的风速较小，不能裹挟雪粒，因此整个路面都会产生积雪，设置防护栏对路面风速分布不会产生较大影响，但会增大坡脚处的积雪区域面积.图12深路堑底部会产生风速较高的涡流，不容易产生积雪，设置防护栏后会影响涡流发展，由于防护栏的阻挡及加速作用，使涡流发展的位置整体右移，涡流区风速降低，容易产生积雪.图13路堤中防护栏设置对路面风速影响较为明显，若无防护栏，路面风速能达到12m/s，在这种风速条件下，路面积雪会被卷走，主要积雪区域位于背风侧的坡脚处，路面积雪灾害发生概率较低，增设防护栏后，特别是混凝土防护栏，使路面成为积雪重灾区，也使背风侧路基以下区域的积雪长度和面积增加.

图11-1 无防护栏

图12-1 无防护栏

图13-1 无防护栏

3 结 论

(1)防护栏等附属设施会明显加深公路积雪灾害程度，在今后的公路风积雪灾害的研究过程中，应该考虑防护栏和中央隔离带等附属设施的影响.

(2)附属设施能够降低路面风速，风速降低最大位置在中央隔离带前后，最大降幅在10m/s.

(3)与其它三种路基截面形式相比，背风半路堑中防护栏对路面风速的影响相对较小，降低平均风速约2m/s，但路基下的积雪长度和面积有所增大.