李劍馬淑紅戈峰馬韞娟張新軍

1,新疆公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 830002 2,新疆氣象科技服務(wù)中心 830002；北京大學(xué) 100871 3,國家發(fā)改委宏觀院 100037 4,清華大學(xué) 100084 5,新疆氣象科技服務(wù)中心 830002

連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)典型橫斷面風(fēng)速特征及防風(fēng)對(duì)策研究

李劍1馬淑紅2戈峰3馬韞娟4張新軍5

1,新疆公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 830002 2,新疆氣象科技服務(wù)中心 830002；北京大學(xué) 100871 3,國家發(fā)改委宏觀院 100037 4,清華大學(xué) 100084 5,新疆氣象科技服務(wù)中心 830002

以連霍高速百里風(fēng)區(qū)沿線七角井、十三房氣象站近40多年（1971～2009年）最大風(fēng)速和風(fēng)向資料為基礎(chǔ)，結(jié)合百里風(fēng)區(qū)2008年4～2009年5月典型橫斷面、一碗泉5要素5層梯度風(fēng)強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測資料，采用空氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、流體力學(xué)、強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測技術(shù)、公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合方法，分析連霍高速百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)路段五種典型橫斷面類型（填挖結(jié)合型、半挖半填型、左偏彎道型、峽管效應(yīng)型、開闊路段強(qiáng)橫風(fēng)型）防風(fēng)措施及對(duì)策，結(jié)果表明：連霍高速百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)路段典型橫斷面最大瞬間風(fēng)速受山口、埡口、峽管效應(yīng)、高路堤特殊地形增速效應(yīng)的影響風(fēng)速逐漸增大，呈現(xiàn)獨(dú)特特征。提出連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)路段防風(fēng)對(duì)策，是按照強(qiáng)風(fēng)天氣下不同類型汽車行車規(guī)則降低車速和設(shè)置防風(fēng)阻沙柵降低強(qiáng)橫風(fēng)強(qiáng)度來保證。

1 、引言

連霍高速公路（G30國道），橫貫中國大陸的東、中、西部。連接江蘇連云港和新疆霍爾果斯，全長4395km，是中國建設(shè)的最長的橫向快速陸上交通通道，最終將成為中國高速公路網(wǎng)的橫向骨干高速公路。連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)地處東天山山脈以南，哈密盆地及吐魯番盆地北緣，位于了墩至紅旗坎之間，線路走向由東向西，全年強(qiáng)風(fēng)盛行風(fēng)向與線路走向垂直，屬于風(fēng)害重度危險(xiǎn)區(qū)[1]。區(qū)內(nèi)自然條件惡劣，風(fēng)期長，起風(fēng)速度快，是全球內(nèi)陸風(fēng)力最為強(qiáng)勁的地區(qū)，其中百里風(fēng)區(qū)實(shí)測瞬間最大風(fēng)速達(dá)60.6m/s以上。大風(fēng)曾多次造成汽車翻車、高速公路關(guān)閉和路堤、路塹邊坡以及橋梁、線路標(biāo)志等被風(fēng)蝕，局部背風(fēng)路段路塹遭沙埋，給公路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。為了保證高速公路行車安全及大風(fēng)環(huán)境下正常運(yùn)營，大風(fēng)區(qū)重點(diǎn)路段典型橫斷面風(fēng)速現(xiàn)場監(jiān)測和特征分析及對(duì)策研究十分必要。這對(duì)于公路風(fēng)害防控技術(shù)研究具有重要科學(xué)意義。

2 、典型橫斷面確定及強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測

連霍高速百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)頻繁，風(fēng)害十分嚴(yán)重。為了全面掌握連霍主干線哈密─吐魯番公路沿線風(fēng)害分布特征，2008年4～2009年5月，新疆公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院組織由北京大學(xué)專家學(xué)者和技術(shù)人員組成的連霍高速百里風(fēng)區(qū)重點(diǎn)路段風(fēng)害考察組，對(duì)連霍高速百里風(fēng)區(qū)重點(diǎn)路段進(jìn)行了風(fēng)害科學(xué)考察，同時(shí)進(jìn)行典型橫斷面5層梯度風(fēng)強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測，以及百里風(fēng)區(qū)一碗泉5要素5層梯度風(fēng)強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測，分析結(jié)果表明：連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)設(shè)計(jì)中考慮大風(fēng)危害，線路經(jīng)百里風(fēng)區(qū)是從七角井與十三間房之間穿過，全年大風(fēng)日數(shù)在152～161天，比百里風(fēng)區(qū)鐵路沿線十三間房全年大風(fēng)日數(shù)少39～48天[2]。

在連霍高速百里風(fēng)區(qū)風(fēng)害調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合沿線氣象條件、地理環(huán)境，確定典型路基橫段監(jiān)測點(diǎn)為5～7個(gè)，強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測儀為5層梯度風(fēng)（0.15m、0.5m、1.0m、2.0m、4.0m）[3～4]，典型橫斷面以高路堤邊坡橫斷面以及填方挖方相結(jié)合形式、確定連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)5種（填挖結(jié)合型高路堤、半挖半填型、左偏彎道型、峽管效應(yīng)型、開闊地強(qiáng)橫風(fēng)型）典型橫斷面形式，進(jìn)行典型橫斷面強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測。

3 、典型橫斷面風(fēng)速垂直分布特征

典型橫斷面風(fēng)速剖面圖可更直觀的概況風(fēng)隨高度的變化特征，依據(jù)2008年4月～2009年5月典型橫斷面、強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測資料,繪制連霍高速百里風(fēng)區(qū)公路沿線典型橫斷面風(fēng)速剖面圖，曲線為垂直風(fēng)速的等值線，垂直風(fēng)速單位取m／s。下面重點(diǎn)分析5種類型（填挖結(jié)合型、半挖半填型、左偏彎道型、峽管效應(yīng)型、開闊地強(qiáng)橫風(fēng)型）典型橫斷面風(fēng)速垂直分布特征：

3.1 填挖相結(jié)合型（高路堤）風(fēng)速垂直分布特征

連霍高速百里風(fēng)區(qū)填挖相結(jié)合型（高路堤）橫斷面形式，高路堤高度3.92m垂直風(fēng)速剖面圖，1min平均風(fēng)速與最大瞬時(shí)風(fēng)速分布風(fēng)速隨高度變化特征相一致，在背風(fēng)坡距公路中心20m處，從近地面層至1m高度，都較同一橫斷面其它位置同一高度風(fēng)速偏小，這主要是受背風(fēng)側(cè)前阻擋物的影響。從迎風(fēng)坡距公路中心20m處開始至迎風(fēng)坡距公路中心風(fēng)速逐步增大（圖1），它與日本高路堤防風(fēng)柵流體模擬結(jié)果（圖2）基本一致，差異在于高路堤橫斷面強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速和強(qiáng)度以及隨路堤高度抬升的氣流變化強(qiáng)度比流體模擬劇烈。這主要由于路線兩側(cè)有相對(duì)高差30米左右山體，右側(cè)距離山體較近，受地形和路堤增速效應(yīng)的影響風(fēng)速逐漸增大。公路中心和迎風(fēng)側(cè)強(qiáng)風(fēng)盛行風(fēng)向?yàn)镹，線路走向與風(fēng)向夾角垂直，受橫風(fēng)影響。

圖1 K3724+700路堤高度3.92m橫斷面1min平均風(fēng)速垂直分布圖

圖2 日本高路堤防風(fēng)柵強(qiáng)橫風(fēng)流體模擬流場特征

3.2 半挖半填型風(fēng)速垂直分布特征

連霍高速百里風(fēng)區(qū)k3735＋000路段半挖半填型橫斷面，路堤高度2.49m,海拔逐漸降低，地形較開闊，路線右側(cè)有相對(duì)高差85米左右山體，左側(cè)開闊，1min均風(fēng)速與瞬時(shí)風(fēng)速分布特征隨地形變化呈現(xiàn)迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速明顯大于背風(fēng)側(cè)，見圖3，這主要由于地形和半挖半填型路堤影響所致。

圖4 K3735+000路段半挖半填型橫斷面，路堤高度2.49m橫斷面瞬時(shí)風(fēng)速垂直分布圖

3.3 左偏彎道型風(fēng)速垂直分布特征

連霍高速百里風(fēng)區(qū)k3738＋100路段為左偏彎道型，路基以填方為主，填方高度1.63米，拔逐漸降低，地形較開闊，地形起伏變化較小，受風(fēng)力影響較明顯，路線前進(jìn)方向左偏彎道，橫風(fēng)強(qiáng)風(fēng)影響，導(dǎo)致風(fēng)速以路中最大，向路兩側(cè)遞減的規(guī)律，最大瞬間風(fēng)速達(dá)到20.0m/s以上（見圖4），最大瞬間風(fēng)速垂直分布特征與平均風(fēng)速相一致，并且出現(xiàn)N風(fēng)。

圖5 K3738+100路段為左偏彎道型，路基以填方為主，填方高度1.63m橫斷面瞬時(shí)風(fēng)速垂直分布圖

3.4 開闊地強(qiáng)橫風(fēng)型垂直分布特征

連霍高速百里風(fēng)區(qū)k3782+100路段開闊地強(qiáng)橫風(fēng)型,路堤高1.34m,1min均風(fēng)速與瞬時(shí)風(fēng)速分布特征隨地形變化和路堤高度影響呈現(xiàn)獨(dú)特特征(圖5)，地形較為開闊，北部山體山口與主風(fēng)向一直，導(dǎo)致風(fēng)速逐漸增強(qiáng)，并且以路中風(fēng)速最大，達(dá)到25.4m/s。

圖5 k3782+100路段開闊地強(qiáng)橫風(fēng)型,,路堤高1.34m橫斷面瞬時(shí)風(fēng)速垂直分布圖

3.5 峽管效應(yīng)型風(fēng)速分布特征

連霍高速百里風(fēng)區(qū)K3757+680、K3757+700、K3757+720、K3757+740、K3757+760、K3757+780路段為峽管效應(yīng)路段, 根據(jù)溝谷特征，在峽管效應(yīng)橫斷面分別布設(shè)不同高度3套（0.15、0.5、1.0、2.0、4.0m）風(fēng)向風(fēng)速傳感器，分別布設(shè)在公路左右路肩和路中，以計(jì)算峽管效應(yīng)1min和最大瞬時(shí)風(fēng)速。溝谷各項(xiàng)特征值定義如下：山體平均高程：為溝谷兩岸山脊線的平均高程（m），以加權(quán)平均法根據(jù)斷面間距計(jì)算山嶺平均高程。以公路寬度為平均谷寬，溝谷兩山脊之間的距離為谷口，公路東西走向，西部鄯善方向?yàn)檫M(jìn)口，東部哈密方向是出口。最大瞬時(shí)風(fēng)速分布特征隨地形變化和路堤高度影響呈現(xiàn)獨(dú)特特征，路線進(jìn)入地形復(fù)雜山嶺區(qū)，山體相對(duì)高差較大，南北兩側(cè)為山體，北面開口，山谷長度300m，當(dāng)氣流在通過峽谷時(shí)由于受到兩側(cè)山體阻擋而在峽谷峽管區(qū)風(fēng)速逐漸增強(qiáng)，最大瞬時(shí)風(fēng)速為28.0m/s左右，并且以北部開口風(fēng)速最大，達(dá)到31.6m/s。

4 、強(qiáng)橫風(fēng)路段防風(fēng)對(duì)策

連霍高速百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間不同類型汽車在強(qiáng)風(fēng)天氣下安全行車可以通過以下對(duì)策來保證：按照強(qiáng)風(fēng)天氣下不同類型汽車行車規(guī)則降低車速和設(shè)置防風(fēng)阻沙柵降低強(qiáng)橫風(fēng)強(qiáng)度。

4.1 、按照強(qiáng)風(fēng)天氣下不同類型汽車行車規(guī)則降低車速

首先依據(jù)連霍高速百里風(fēng)區(qū)橫強(qiáng)風(fēng)區(qū)間氣象站40多年（1971～2009年）最大風(fēng)速資料，結(jié)合氣象站最大風(fēng)速與高速公路沿線最大風(fēng)速地形訂正k系數(shù)，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論相結(jié)合方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定連霍高速百里風(fēng)區(qū)為重度危險(xiǎn)路段，按照布點(diǎn)原則建立大風(fēng)監(jiān)測站，建立強(qiáng)風(fēng)報(bào)警系統(tǒng)，繪制連霍高速百里風(fēng)區(qū)橫強(qiáng)風(fēng)路段不同類型汽車安全行車運(yùn)行規(guī)則曲線圖[3]，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到不同類型汽車傾覆翻車臨界風(fēng)速，按照強(qiáng)風(fēng)天氣下不同類型汽車行車規(guī)則降低車速或停車。

4.2 、設(shè)置防風(fēng)阻沙柵降低強(qiáng)橫風(fēng)強(qiáng)度

降低強(qiáng)橫風(fēng)強(qiáng)度對(duì)策就是在強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間布設(shè)防風(fēng)阻沙柵，目的在于減弱強(qiáng)橫風(fēng)風(fēng)速，以保證不同類型汽車安全行車最低風(fēng)速[5]。依據(jù)連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)5種典型橫斷面形式風(fēng)速垂直分布特征，同時(shí)考慮防風(fēng)柵設(shè)計(jì)風(fēng)速和全年強(qiáng)風(fēng)盛行風(fēng)向（N）以及夏季短時(shí)陣風(fēng)盛行風(fēng)向(NNW、NW)，確定連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)5種典型橫斷面區(qū)間單側(cè)布設(shè)防風(fēng)柵。

5 、結(jié)語

（1）連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)速120km·h-1,如何盡快建立適合我國高速公路強(qiáng)橫風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)和大風(fēng)警報(bào)系統(tǒng)及防風(fēng)阻沙柵設(shè)置，保證高速公路不同類型汽車按照大風(fēng)天氣下運(yùn)行規(guī)則安全行車，是高速公路強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間急需解決問題。

（2）連霍高速百里風(fēng)區(qū)5種典型橫斷面風(fēng)速垂直分布是隨地形地勢(shì)變化而變化，具有獨(dú)特特征，其中填挖相結(jié)合型（高路堤）橫斷面形式流場與日本高路堤防風(fēng)柵流體模擬結(jié)果基本一致，差異在于高路堤橫斷面強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速和強(qiáng)度以及隨路堤高度抬升的氣流變化強(qiáng)度比風(fēng)洞試驗(yàn)劇烈。這主要由于填挖相結(jié)合型（高路堤）地勢(shì)影響所致。

（3）連霍高速百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間不同類型汽車在強(qiáng)風(fēng)天氣下安全行車對(duì)策，按照強(qiáng)風(fēng)天氣下不同類型汽車行車規(guī)則降低車速和設(shè)置防風(fēng)阻沙柵降低強(qiáng)橫風(fēng)強(qiáng)度來保證。

[1]馬淑紅，陳飛捷，韋振勛，馬韞娟，戈峰，李劍.連霍高速公路哈密─吐魯番強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)策研究（R）.2010年

[2]陳飛捷，馬淑紅，韋振勛，馬韞娟，戈峰，李劍.連霍高速公路哈密─吐魯番路段防風(fēng)技術(shù)已經(jīng)（R）.2010年

[3]馬淑紅，馬麗媛.塔克拉瑪干沙漠第二條沙漠公路建成5層梯度風(fēng)自動(dòng)氣象站.沙漠與綠洲氣象.2008年2（2）：60～60

[4]馬淑紅，劉濤，薛潔，陳杰.沙漠地區(qū)公路路基橫段面阻沙性能研究（J）.沙漠綠洲氣象.2008年2（1）：5～11

[5]陳飛捷，韋振勛，馬淑紅，馬韞娟，戈峰.連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)柔性防風(fēng)阻沙柵布設(shè)方案（R）.2010年

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.003

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目，合同書編號(hào)：2009318000024

李劍（1975-），男，新疆烏魯木齊市人，工程師，主要從事公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究工作。

連霍高速公路；百里風(fēng)區(qū)；典型橫斷面；風(fēng)速特征；防風(fēng)對(duì)策