馬韞娟韋振勛陳飛捷馬淑紅戈峰薛萬新李劍

1,清華大學 100084；2，新疆公路規(guī)劃勘察設計研究院 830002；3，新疆氣象服務中心4，國家發(fā)改委投資研究所 100037

連霍高速公路百里風區(qū)柔性防風阻沙柵布設方案研究

馬韞娟1韋振勛2陳飛捷2馬淑紅3戈峰4薛萬新2李劍2

1,清華大學 100084；2，新疆公路規(guī)劃勘察設計研究院 830002；3，新疆氣象服務中心4，國家發(fā)改委投資研究所 100037

以連霍高速公路三十里風區(qū)、百里風區(qū)沿線2個多要素5層梯度風監(jiān)測資料、1個4要素自動氣象站風向風速監(jiān)測資料、百里風區(qū)典型橫斷面短期強風監(jiān)測資料為基礎，結合連霍高速百里風區(qū)路基高度、經(jīng)緯度、海拔高度等地理參數(shù)，采用氣象學、流體力學、風洞試驗、強風監(jiān)測技術、空氣動力學、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、公路工程技術標準相結合的方法，計算連霍高速百里風區(qū)距路面4.0m高度處最大瞬時風速2年一遇設計值，10min平均最大風速30年一遇設計值。同時參閱了大量國外發(fā)達國家（日本、英國、德國、法國高速鐵路，以及高速公路高路堤橫風危害計算模型），特別是日本空氣動力學專用大型風洞研究(橋梁、高路堤、防風柵 )組合的風洞試驗、高速公路安全運行的管制制度和設置防風柵研究結果。分析連霍高速百里風區(qū)風特征，提出連霍高速百里風區(qū)防風措施采用柔性防風阻沙柵，為連霍高速百里風區(qū)不同類型汽車安全、高效行車提供技術保障。

1 、引言

連霍高速公路橫貫中國的東、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區(qū)位于七角井埡口對應的了墩至紅旗坎區(qū)間，長100多km，線路走向由東向西，全年強風盛行風向與線路走向垂直，屬于風害重度危險區(qū)。大風曾多次造成汽車翻車、高速公路關閉，給公路運輸帶來了巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響。為了保證高速公路行車安全及大風環(huán)境下正常運營，在大風區(qū)重點路段典型橫斷面布設柔性防風阻沙柵十分必要。

強橫風天氣條件是連霍高速公路百里風區(qū)安全行車的重要危險之一。連霍高速公路百里風區(qū)高路堤和彎道眾多，橫風天氣條件對高速公路安全、高效行車影響很大，研究連霍高速公路百里風區(qū)防風措施及其對策對新疆高速公路風害防控技術研究具有重要科學意義和工程價值。

對于高速公路遭遇橫風天氣的流場分析，目前國內(nèi)外比較通用的是流體模擬、風洞試驗、現(xiàn)場風監(jiān)測技術。本報告充分借鑒了日本、德國、法國和英國等發(fā)達國家的研究成果，采用氣象學、風沙物理學、流體力學、強風監(jiān)測技術、空氣動力學及概率論等相結合的方法。特別借鑒了日本高速鐵路和高速公路空氣動力學專用大型風洞研究（圖1）和流體模擬；構造物(橋梁、路堤等) 組合的風洞試驗研究成果及小尺度模型在自然風環(huán)境下的測試結果；保障汽車安全運行的管制制度和設置防風柵（圖2）。日本高速鐵路和高速公路空氣動力學專用大型風洞和流體模擬柔性防風柵防風效果表明：強側風路段高路堤、大橋防風柵設置后最大瞬時風速降低5.0m·s-1以上；強橫風路段高路堤、大橋防風柵設置后最大瞬時風速降低10.0 m·s-1左右。在借鑒國外研究成果同時，本文結合連霍高速公路百里風區(qū)強風天氣的特殊環(huán)境，研究和提出了適合連霍高速公路百里風區(qū)橫風天氣條件下安全、高效行車的技術保障措施及其對策。

2 、連霍高速公路百里風區(qū)野外考察

201 0年04 月新疆公路勘測設計研究院、新疆維吾爾自治區(qū)氣象科學服務中心、北京大學組織綜合考察隊，對連霍高速公路沿線具有代表性的氣象站進行科學考察。并以烏魯木齊市氣象局為出發(fā)點，對風向風速、溫濕度觀測儀、地形地勢、風場特征等進行了科學考察。

在連霍高速公路三十里風區(qū)、百里風區(qū)風害防控技術研究野外考察和資料分析基礎上，將三十里風區(qū)中部DK4031、百里風區(qū)紅山口DK3781+100路段，最大瞬時2年一遇設計值達到35.0 m·s-1以上重度危險路段，選定為公路風害防控技術研究的6要素5層梯度風自動氣象站站址。連霍高速公路三十里風區(qū)6要素（氣壓、溫度、濕度、風向、風速、雨量）5層（0.15m、0.5m、1.0m、2.0m、4.0m）梯度風自動氣象站地理參數(shù)為43°04′07.2″N,88°38′19.0″E，海拔高度395m（圖3.a）。同時在百里風區(qū)紅山口DK3781+100路段建立高速公路大風監(jiān)測站，地理參數(shù)為43°20′57.3″N,91°25′20.1″E，海拔高度為1260m，見圖片3.b。連霍高速公路三十里風區(qū)6要素5層梯度風自動氣象站、百里風區(qū)大風監(jiān)測站太陽能供電，無線傳輸，風向、風速、溫度、相對濕度、雨量、氣壓采集速率和計算按照中華人民共和國氣象行業(yè)標準QX/T 61—2007[1]中的技術要求進行。

連霍高速公路三十里風區(qū)6要素5層梯度風自動氣象站、百里風區(qū)大風監(jiān)測站的建立同時，建議柔性防風阻沙柵設置在百里風區(qū)紅山口路段，見圖片3.c。該防風柵設置可以為連霍高速公路安全、高效行車提供科學依據(jù)。

3 、霍高速公路百里風區(qū)沿線風害概述

3.1 大風成因

連霍高速公路百里風區(qū)為內(nèi)陸寒潮性大風，受地形地貌埡口增速效應及氣壓梯度力的影響所致，百里風區(qū)的形成與地理位置和天山有著很直接的關系。天山橫亙新疆，每當冷空氣侵入，都是天山阻擋住冷空氣的去路，當冷空氣突破天山北坡山口防線達到七角井鎮(zhèn)，以300～400k m·s-1速度到達十三間房，埡口增速和氣壓差增加，導致風速加大。

3.2 大風特征

連霍高速公路百里風區(qū)具有風速大、風期長、季節(jié)性強、風向穩(wěn)定、起風速度快的特點，實測瞬間最大風速達60.0m/s以上，是全球內(nèi)陸風力最為強勁的地區(qū)之一。連霍高速公路百里風區(qū)全年大風日數(shù)在152～161天[2]，屬于風害重度危險區(qū)。

全球氣候變化，導致連霍高速百里風區(qū)戈壁路段大風強度和變化趨勢呈現(xiàn)增加趨勢，變化率b＝20.0/10a，這主要由于全球氣候變暖，戈壁地帶溫度增高，氣壓梯度增大所致。

3.3 百里風區(qū)強風盛行風向特征

全年強風盛行風向玫瑰圖分析結果表明：連霍高速公路百里風區(qū)全年強風盛行風向N，頻率為60%，次盛行風向NNW,頻率為33.0%(圖4)。該線路走向是E─W,線路與強風盛行風向夾角在75°～90゜之間，高速公路不同類型汽車安全行車主要受到橫風影響[3]。

圖4 連霍高速公路百里風區(qū)全年強風風向玫瑰圖

3.4 、基本風速分布特征

基本風速定義為開闊平坦地貌條件下，距地面以上10m高度處，30年重現(xiàn)期的10min平均年最大風速，針對高速鐵路防風基本風速定義為開闊平坦地貌條件下，距軌面4.0m高度處，30年重現(xiàn)期的10min平均年最大風速達到臨界風速為防風柵布設設計風速。以連霍高速公路百里風區(qū)線路每間距100m距路面4.0高度（m）參數(shù)為基礎，結合沿線七角井、十三間房國家基本站近40年（1971～2009年）每場最大瞬時風速≥10.8m·s-1強風風速和風向資料，建立連霍高速公路百里沿線最大風速序列。應用極值Ⅰ型分布概率模式：

式(1)中u為分布的位置參數(shù)，即分布的眾數(shù),α為分布的尺度參數(shù)，最大風速極值Ⅰ分布的重現(xiàn)期計算公式如下：

依據(jù)連霍高速公路百里沿線氣象站近40年（1971～2008）10m高度10min平均最大風速資料，應用（2）式，結合連霍高速百里風區(qū)區(qū)間路基高度和地形地貌特征以及基本站與沿線大風監(jiān)測站最大風速比值，進行高度訂正、地形訂正、時距訂正計算出連霍高速公路百里沿線每100m距路面4.0m高度處10min平均最大風速30年一遇設計值、連霍高速公路百里沿線每100m距路面4.0m高度瞬時最大風速2年一遇設計值。并且通過最大風速極值Ⅰ分布檢驗。

連霍高速百里風區(qū)最大瞬時風速水平分布特征，由中部向東西遞增，并且隨地形地勢以及路堤、路塹高度變化呈現(xiàn)獨特特征。連霍高速公路百里風區(qū)橫風下最大瞬時風速對不同類型汽車安全行車影響很大，當瞬時風速達到15.0 m·s-1，小客車傾覆翻車；當瞬時風速達到20.0 m·s-1～25.0 m·s-1貨車和大客運進入警戒，這與日本高速道路強橫風運行管制規(guī)則一致。

4 、柔性防風阻沙柵設計標準

4.1 柔性防風阻沙柵設計標準

日本高速公路、高速鐵路防風防雪設計標準：空曠平坦的地面上距地10m高度處30年一遇10min平均最大風速達到25.0 m·s-1～35.0 m·s-1之間。即最大風速重現(xiàn)期30年, 防風設計風速25 m·s-1～35.0 m·s-1。防風柵抗風標準：設計風速60.0 m·s-1, 設計風速重現(xiàn)期100年。

蘭新鐵路防風標準：空曠平坦的地面上距地10m高度處30年一遇10min平均最大風速達到32.0 m·s-1，即最大風速重現(xiàn)期30年, 防風設計風速32 m·s-1。擋風墻抗風標準：設計風速60.0 m·s-1, 設計風速重現(xiàn)期100年。

連霍高速公路百里風區(qū)強橫風路段柔性防風阻沙柵設計標準防風標準：距路面4.0高度處30年一遇10min平均最大風速達到25.0 m·s-1～30.0 m·s-1之間。即最大風速重現(xiàn)期30年, 防風設計風速25 m·s-1～30 m·s-1。防風柵抗風標準：設計風速60.0 m·s-1, 設計風速重現(xiàn)期100年。

4.2 防風區(qū)段的確定

表1 連霍高速公路百里風區(qū)DK7180+100～DK3781+300擬建區(qū)間防風柵設置

4.3 防風種類

連霍高速公路百里風區(qū)強橫風路段防風種類不同于護墻板100%的防風壁以及不足100%防風功能的防風柵欄。防風對策基于機能效果，以H鋼等材料為主體，由有孔折板和金剛等鋼板組成。鋼板包括鋼材、丙烯板、樹脂網(wǎng)、GRS網(wǎng)片與磚的連接等。其中充實率：充實率即為防風設備的全面遮風效果。完全沒有縫隙像墻壁一樣的防風設備的充實率為100%。例如開孔率（空隙率）為40%～52%的情況下充實率為60%～48%。高度是指與橋梁或土堆等類似，這里指鋼材的欄桿高度。長度是指防風對策設置的支柱之間的距離。這與日本防風對策的種類基本一致。

5 、柔性防風阻沙柵布設方案

5.1 柔性防風阻沙柵原理

柔性防風阻沙柵原理利用空氣動力學原理,按照連霍高速百里風區(qū)典型路段橫斷面強風監(jiān)測，結合流體模擬結果加工成一定幾何形狀的柔性阻沙柵,并根據(jù)現(xiàn)場條件將防風阻沙板組合成防風阻沙柵，使強風從外通過墻體時，在柵體內(nèi)側形成上、下干擾的氣流以達到外側強風，內(nèi)側弱風；外側小風，內(nèi)側無風的效果，從而防止沙粒的飛揚，極大的損失來流風的動能；減少風的湍流度，消除來流風的渦流。柔性防風阻沙柵的防風阻沙效果取決于擋風尾流區(qū)的特征長度和風速。

5.2 柔性防風阻沙柵布設方案

連霍高速百里風區(qū)距路面4.0m高度處10min平均最大風速30年一遇設計值V4_30max（m·s-1）與連霍高速百里風區(qū)距路面4.0m高度處最大瞬時風速2年一遇設計值V4_2max（m·s-1）分布特征相一致。因此，在連霍高速百里風區(qū)防風柵布設中采用連霍高速百里風區(qū)距路面4.0m高度處最大瞬時風速2年一遇設計值V4_2max（m·s-1）作為設計風速。以高速公路里程中DK+L或+H或+0分別為單側設置防風柵、雙側設置防風柵、不設置防風柵。 連霍高速百里風區(qū)強橫風路段柔性防風阻沙柵設計方案如圖7所示。

圖7 連霍高速百里風區(qū)強橫風路段柔性防風阻沙柵布設方案

5.3 柔性防風阻沙柵主要結構

新型的柔性防風阻沙柵主要包括基礎結構，承力柱結構，傳力柔性網(wǎng)，消風抑石磚，抵御瞬時增大強度的減力結構以及專用連接結構。

下面將逐一介紹新型的柔性防風阻沙柵各部分的結構：

5.3.1 基礎結構

為了保證防風阻沙柵柵體在突受外力下不被損壞，結合現(xiàn)場缺水、地質的實際情況，可采用預埋構件和錨桿（巖石基礎）結合的基礎結構來維持穩(wěn)定行。剛性結構的基礎是極為嚴格的不僅受到拉拔力的影響，最主要要承受很大的彎矩影響，預埋構件和錨桿（巖石基礎）結合的基礎采用絞合連接的形式，將彎矩的影響降低到最小的程度,見圖8.a～8.b。

圖8 柔性防風阻沙柵基礎結構和單元結構的形式

5.3.2 承力柱結構

承力柱結構：選用C字鋼與工字鋼結合，底部采用鉸接方式與基礎預埋件連接到一起。通過柔性鋼繩鏈接到基礎。C字鋼不僅有強度，而且可以為面磚提供嵌入的溝槽，而且連霍高速公路百里風區(qū)強橫風路段每100m路堤高度、路基特征、地形地貌特征、距軌面4.0高度處30年一遇10min平均最大風速設計值、每100m距軌面4.0m高度處最大瞬時風速2年一遇設計值等（表1）綜合分析表明：連霍高速公路百里風區(qū)強橫風路段主要受天山山口影響，特別是DK3780+100～DK3781+300路段最大瞬時風速隨路堤高度增加風速呈現(xiàn)增加獨特特征，建議在該區(qū)間迎風側單側設置防風柵,防風柵高度為距路肩高度2.0～3.0 m。這與日本道路和高速道路強橫風路段防風柵設置高度一致，見圖5～6。選用C字鋼是因為我們可以將整個結構相對的單元化，在承受外力不均勻的情況下，不同單元會相應的有不同的形變，不會影響到整體。通常狀況下，每個相對獨立的單元長度在4到8米，在計算的時候只計算單元的受力即可(見圖7)。型材的技術指標：長：6m，寬0.22m，槽深0.05m。

5.3.3 傳力柔性網(wǎng)

傳力柔性網(wǎng)：采用高抗腐GRS網(wǎng)片，網(wǎng)片整體抗拉強度大于38KN/m，采用雙絞編織，本身具有極強的抵抗能力，將檔風抑石磚提供載體，將墻體面受力均勻分布傳遞到承力柱以及鋼絲繩索。檔風抑石磚：產(chǎn)品結合檔風、導風、防風、抑石、阻沙于一體，采用先進的制磚技術與制磚材料，具有相當?shù)膹姸?。減力結構：減力結構是整體結構在受到外力突然增大的情況下，通過自身的形變，延長外力對結構的作用時間，從而保證結構有足夠的時間來微調(diào)，到達最佳的防護效果。專用連接結構：是一系列的輔助構成，包括網(wǎng)片與承力柱的連接，GRS網(wǎng)片與磚的連接，通過巧妙而且多元的組合可以達到亦柔亦剛的結構（圖9）。連接結構的選取和方式是整個結構能否發(fā)揮最大效果的關鍵。

圖9 GRS網(wǎng)片示意圖

5.3.4 消風抑石磚采用陶粒磚的制作工藝

消風抑石磚采用陶粒磚的制作工藝，同時結合增強磚體力學性能的材料制作而成，結合檔風、導風、防風、抑石、導沙于一體（圖10）。參考陶粒磚技術指標：抗壓程度 1.5～2.86 MPa，容量 420～650 kg/m3，材料密度 1420 kg/m3，空心率 44～52 % ，吸水率10.16 % 1小時，抗折強度 0.99 MPa，抗凍性凍融15次強度無損失 。

圖10 磚體結構和磚體導風示意圖

5.3.5 減力結構采用環(huán)狀的減力環(huán)

減力結構采用環(huán)狀的減力環(huán)（圖11），是整體結構在受到外力突然增大的情況下，通過自身的形變，延長外力對結構的作用時間，從而保證結構有足夠的時間來微調(diào)，到達最佳的防護效果。減力環(huán)的技術指標：⑴、吸收能量大于110KJ；⑵、啟動力47KN，破壞力142KN。為了配合數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場情況的判斷，可以安裝集報警監(jiān)測于一體的電子監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過與減力環(huán)的配合，能夠準確記錄該點的受力情況，為以后的產(chǎn)品能夠更適合該區(qū)域提出更好的改進方法。

圖11 減力環(huán)示意圖

5.3.6 專用連接結構

專用連接結構(圖12)是一系列的輔助構成，包括網(wǎng)片與承力柱的連接，網(wǎng)片與磚的連接，通過巧妙而且多元的組合可以達到亦柔亦剛的結構。連接結構的選取和方式是整個結構能否發(fā)揮最大效果的關鍵。

圖12 專用連接結構

6 、強橫風路段防風措施及其對策

連霍高速百里風區(qū)強橫風區(qū)間不同類型汽車在強風天氣下安全行車可以通過以下對策來保證：

6.1 、按照強風天氣下不同類型汽車行車規(guī)則降低車速

首先依據(jù)連霍高速百里風區(qū)橫強風區(qū)間氣象站40多年（1971～2009年）最大風速資料，結合氣象站最大風速與高速公路沿線最大風速比值系數(shù)k，通過數(shù)理統(tǒng)計與概率論相結合方法進行風險評估，確定連霍高速百里風區(qū)為重度危險路段。按照布點原則建立大風監(jiān)測站及強風報警系統(tǒng)，繪制連霍高速百里風區(qū)橫強風路段不同類型汽車安全行車運行規(guī)則曲線圖，當風速達到不同類型汽車傾覆翻車臨界風速，按照強風天氣下不同類型汽車行車規(guī)則降低車速或停車。

6.2 、設置防風阻沙柵降低強橫風強度

降低強橫風強度對策就是在強橫風區(qū)間布設防風阻沙柵，目的在于減弱強橫風風速，以保證不同類型汽車安全、高效行車。

7 、結語

如何盡快建立適合我國高速公路強橫風監(jiān)測系統(tǒng)和大風警報系統(tǒng)及防風阻沙柵設置，保證高速公路不同類型汽車按照大風天氣下運行規(guī)則安全行車，是高速公路強橫風區(qū)間急需解決問題。

連霍高速公路百里風區(qū)具有風速大、風期長、季節(jié)性強、風向穩(wěn)定、起風速度快，實測瞬間最大風速達60.0m/s以上，是全球內(nèi)陸風力最為強勁的地區(qū)。主要由于埡口增速效應及氣壓梯度力的影響所致。

連霍高速公路百里風區(qū)強側風和強橫風區(qū)間防風阻沙柵設計防風標準：距路面4.0高度處30年一遇最大風速達到25.0 m·s-1～30.0 m·s-1（距路面4.0高度處2年一遇最大瞬時風速達到25.0 m·s-1～30.0 m·s-1）頻率＞10%；全年強風主風向和次風向頻率＞10%。即最大風速重現(xiàn)期30年, 防風設計風速25 m·s-1～30 m·s-1。防風柵抗風標準：設計風速60.0 m·s-1, 設計風速重現(xiàn)期100年。

新型的柔性防風阻沙柵主要包括基礎結構、承力柱結構、傳力柔性網(wǎng)、消風抑石磚、抵御瞬時增大強度的減力結構以及專用連接結構。連接結構的選取和方式是整個結構能否發(fā)揮最大防風效果的關鍵。因此，要按照強風天氣下不同類型汽車行車規(guī)則降低車速并通過防風阻沙柵降低強橫風的強度，為連霍高速公路百里風區(qū)不同類型汽車的安全以及高效行車提供技術保障。

[1]QX/T 61—2007.地面氣象觀測規(guī)范.2007年

[2]馬淑紅，陳飛捷，韋振勛，馬韞娟，戈峰，李劍.連霍高速公路哈密─吐魯番強橫風對策研究（R）.2010年02月.

[3]陳飛捷，馬淑紅，韋振勛，馬韞娟，戈峰，李劍.連霍高速公路哈密─吐魯番路段防風技術研究（R）.2010年02月.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.004

交通運輸部科技項目，合同書編號：2009318000024

馬韞娟（1983-），女，北京，碩士，研究方向：高速鐵路、高速公路防災對策研究。

連霍高速公路；百里風區(qū)；強風盛行風向玫瑰圖；柔性防風阻沙柵；布設方案