高　亮, 白　樺, 劉健新, 張　玥

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064;3.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

隨著國(guó)家“一帶一路”建設(shè)的實(shí)施以及國(guó)家新能源項(xiàng)目的開發(fā)與建設(shè),西部地區(qū)的工程建設(shè)開始大力發(fā)展,其中不乏對(duì)風(fēng)荷載敏感的大跨、高聳結(jié)構(gòu),這類結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)荷載取值也越來越受到重視。例如:大型風(fēng)電工程中有關(guān)工程選址;高壓輸電線及其塔架、風(fēng)機(jī)及其塔架的抗風(fēng)措施;光伏工程中光伏板的抗風(fēng)性能等。而對(duì)風(fēng)環(huán)境影響明顯的西部地形復(fù)雜、多樣,同時(shí)對(duì)西部地區(qū)強(qiáng)風(fēng)的系統(tǒng)研究開展較晚,現(xiàn)有風(fēng)特性資料極少,難以滿足工程需求,故復(fù)雜地形條件下強(qiáng)風(fēng)特性的準(zhǔn)確描述問題亟待解決。而獲取風(fēng)參數(shù)最方便、高效率的途徑是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

國(guó)外實(shí)測(cè)工作開展較早,如加拿大的Davenport,早在20世紀(jì)60年代就率先提出了風(fēng)速剖面指數(shù)函數(shù)模型、地表粗糙度概念以及經(jīng)典的Davenport譜,Duchene-Marullaz[1]后來提出的紊流強(qiáng)度隨高度遞減的規(guī)律,陣風(fēng)因子、紊流積分尺度和風(fēng)速功率譜等參數(shù)也都是建立在大量的實(shí)測(cè)基礎(chǔ)之上的,各發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的風(fēng)特性實(shí)測(cè)工作,對(duì)其規(guī)范中風(fēng)參數(shù)的取值逐漸明了,為風(fēng)工程的基礎(chǔ)研究工作墊定了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)風(fēng)特性實(shí)測(cè)研究開始的較晚,先期經(jīng)驗(yàn)主要積累于氣象學(xué)和大氣學(xué)方向,Bao-Shi Shiau等[2]的實(shí)測(cè)對(duì)象是臺(tái)灣沿海地區(qū)的強(qiáng)風(fēng),全涌、宋麗莉等[3-4]的研究對(duì)象是臺(tái)風(fēng)。20世紀(jì)以來風(fēng)特性的實(shí)測(cè)研究在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中越來越多受到重視,尤其是在大跨徑橋梁風(fēng)場(chǎng)特性的研究中。項(xiàng)海帆[5]通過對(duì)昂船洲大橋橋址區(qū)風(fēng)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與風(fēng)洞試驗(yàn),研究了跨海大橋的橋址區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性,陳政清[6]、李永樂[7]通過風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了深切峽谷橋址區(qū)風(fēng)特性的空間分布特性,龐加斌[8]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)U形山谷橋址區(qū)的脈動(dòng)風(fēng)特性進(jìn)行了研究,劉健新[9-10]針對(duì)喇叭口地形和新疆典型山口、山谷區(qū)進(jìn)行了風(fēng)特性研究。目前,針對(duì)峽谷、山口等地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)分布特性研究還很不充分,遠(yuǎn)沒有達(dá)到指導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的定量描述,仍需開展大量細(xì)致的研究。本文選擇新疆典型強(qiáng)風(fēng)區(qū),以其強(qiáng)風(fēng)特性為研究對(duì)象,通過開展特種風(fēng)觀測(cè)研究,歸納西部峽谷山口區(qū)特殊的風(fēng)場(chǎng)特性。

1　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)概況

1.1　風(fēng)觀測(cè)塔的選址及儀器架設(shè)

新疆是我國(guó)內(nèi)陸強(qiáng)風(fēng)最為盛行的地區(qū),根據(jù)強(qiáng)風(fēng)分布、地形特點(diǎn)及風(fēng)觀測(cè)塔的建塔情況,選擇屬于大風(fēng)日數(shù)全疆之冠的阿拉山口地區(qū)、全疆第二的達(dá)坂城地區(qū)以及位于冷空氣入疆通道的額爾齊斯河河谷區(qū)域。其中,三處測(cè)站所在區(qū)域方圓20 km的地形特點(diǎn)為:阿拉山口—喇叭口地形、達(dá)坂城(柴窩堡)—山谷單坡地形、額爾齊斯河河谷(托洪臺(tái))—河谷不規(guī)則地形,具體地形見圖1,從范圍更大的地形圖可見阿拉山口和柴窩堡均處于高山寬谷的谷底,地形類U形。

圖1　三個(gè)風(fēng)觀測(cè)塔所在的典型復(fù)雜地形Fig.1　Three typical complex topographies of strong wind area

為研究風(fēng)特性沿高度方向的分布特點(diǎn),分別建立了100 m高的2個(gè)測(cè)風(fēng)塔和70 m高的1個(gè)測(cè)風(fēng)塔,并且從10 m高度起至70 m高度每隔20 m安裝一組風(fēng)觀測(cè)儀器,其中風(fēng)觀測(cè)儀器選用的是CAWS1000-GWS風(fēng)觀測(cè)系統(tǒng),EL15-2D風(fēng)向傳感器,EL15-1A風(fēng)速傳感器,WindMasterPro型三維超聲風(fēng)速風(fēng)向傳感器,具體風(fēng)觀測(cè)塔及儀器架設(shè)見表1。此外在基站內(nèi)設(shè)置有保障風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集、記錄系統(tǒng)正常運(yùn)行的無線接收裝置、不間斷工作計(jì)算機(jī)和不間斷電源等裝置。

1.2　風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析方法

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的具體測(cè)試及分析方法見表2,三維測(cè)風(fēng)儀相比二維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)風(fēng)參數(shù)更多,如風(fēng)攻角和豎向脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)。具體分析步驟為:①?gòu)?qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù)篩選,②分析風(fēng)速、風(fēng)向角、風(fēng)攻角及風(fēng)剖面等平均風(fēng)參數(shù),③選擇持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、風(fēng)向穩(wěn)定的大風(fēng)樣本分析紊流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、紊流積分尺度和風(fēng)速功率譜等脈動(dòng)風(fēng)參數(shù)。

表1　風(fēng)觀測(cè)塔架設(shè)情況Tab.1　The data acquisition instrument and erection situation of representative measuring-points

表2　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)參數(shù)及其分析方法Tab.2　The wind characteristic parameters of field measurements and its processing methods

2　風(fēng)特性參數(shù)分析

2.1　平均風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)攻角

風(fēng)速的最大值由10 min滑動(dòng)平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)所得,極大值由瞬時(shí)風(fēng)速統(tǒng)計(jì)所得。觀測(cè)期三處測(cè)風(fēng)塔各高度月最大風(fēng)速和極大風(fēng)速分布見圖2,對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角見圖3,柴窩堡測(cè)風(fēng)塔70 m高度對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角見圖4。

圖2　各風(fēng)觀測(cè)塔月最大風(fēng)速、極大風(fēng)速Fig.2　The monthly maximum (extreme) wind speed of every measuring point

圖3　各風(fēng)觀測(cè)塔月最大風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)向角Fig.3　The monthly wind rise of every measuring point

圖4　柴窩堡測(cè)風(fēng)塔70 m高處日最大風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)攻角Fig.4　The wind attack angle of Chaiwopu measuring point at 70 m height

分析圖2～4可見各強(qiáng)風(fēng)區(qū)具有如下平均風(fēng)特性:①各塔各高度處風(fēng)速最大值和極大值都在3月出現(xiàn)(圖2中,阿拉山口測(cè)風(fēng)塔50 m高處2010年1月數(shù)據(jù)失真,源于儀器故障),托洪臺(tái)風(fēng)向以東風(fēng)為主,阿拉山口和柴窩堡風(fēng)向均以西北風(fēng)為主,表明風(fēng)速與季節(jié)有關(guān)。②風(fēng)向沿高度方向基本不變,且其變化與季節(jié)有關(guān)。③柴窩堡風(fēng)觀測(cè)塔風(fēng)攻角均在±5°間,且大部分強(qiáng)風(fēng)時(shí)段風(fēng)攻角在±3°間,正攻角最大值為3.6°,負(fù)攻角最大值為-4.8°。

對(duì)三維測(cè)風(fēng)儀與普通二維測(cè)風(fēng)儀在2009年12月～2010年9月時(shí)間段的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,見圖5。

由圖5可見:①兩種儀器所測(cè)極大風(fēng)速發(fā)生時(shí)刻一致(均在2010年3月份);②三維測(cè)風(fēng)儀較普通二維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)極大風(fēng)速大104%(2009年12月),所測(cè)最大風(fēng)速相差不大(2010年3月);③三維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)各月(除2010年2月外)風(fēng)向角均為西北偏北風(fēng),二維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)各月風(fēng)向角變化顯著；④二維測(cè)風(fēng)儀與三維測(cè)風(fēng)儀觀測(cè)結(jié)果(除風(fēng)向角外)規(guī)律一致,但三維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)極值顯著大于二維測(cè)風(fēng)儀。

圖5　柴窩堡測(cè)風(fēng)塔70 m高處風(fēng)速及其對(duì)應(yīng)風(fēng)向角Fig.5　The wind direction and its corresponding wind speed of Chaiwopu measuring point at 70 m height

2.2　風(fēng)速剖面指數(shù)α

選用最小二乘法對(duì)風(fēng)速剖面進(jìn)行指數(shù)擬合,分別選取平均風(fēng)速(日最大平均風(fēng)速的平均值)、最大風(fēng)速(觀測(cè)期間最大平均風(fēng)速)、月最大平均風(fēng)速進(jìn)行擬合,見圖6～7。由圖6可見,由最大風(fēng)速擬合得到的指數(shù)α較大,特別是柴窩堡處指數(shù)α=0.17,表明風(fēng)速剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而明顯增大;由圖7可見,由實(shí)測(cè)月平均風(fēng)速擬合得托洪臺(tái)處α分散在0.047～0.169區(qū)間,平均值為0.091;在阿拉山口處α分散在0.092～0.149區(qū)間,平均值為0.120;柴窩堡處α分散在0.058～0.173區(qū)間,平均值為0.092。最大值均出現(xiàn)在風(fēng)速較大的二、三月份,對(duì)比圖2可知,指數(shù)α最大值對(duì)應(yīng)風(fēng)速均較大,指數(shù)α最小值對(duì)應(yīng)風(fēng)速多數(shù)亦較小,進(jìn)一步說明:風(fēng)速剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而增大。

圖6　觀測(cè)期間風(fēng)剖面指數(shù)Fig.6　Wind velocity profile of every measuring point

圖7　月最大平均風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)剖面指數(shù)Fig.7　The monthly maximum wind speed corresponding to the velocity profile of every measuring point

2.3　紊流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子

各風(fēng)觀測(cè)塔各高度處的紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3,柴窩堡測(cè)風(fēng)塔塔高70 m處三維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表3　紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子統(tǒng)計(jì)Tab.3　Turbulence intensity and gust factor of every measuring point

表4　柴窩堡處紊流特性Tab.4　Turbulence intensity of Chaiwopu measuring point

注：三維測(cè)風(fēng)儀2009年12月～2010年9月。

分析表3中各高度處的紊流特性可見:①各測(cè)風(fēng)塔各高度處的紊流強(qiáng)度均值均比《規(guī)范》[12]給出的建議值小,陣風(fēng)因子均值也均比《指南》值小。②托洪臺(tái)、阿拉山口、柴窩堡各塔塔高70 m處紊流強(qiáng)度相比塔高10 m處分別降低25%、30%、47%,且有紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子隨平均風(fēng)速增大而減小的趨勢(shì)。③實(shí)測(cè)值較小表明紊流強(qiáng)度在強(qiáng)風(fēng)條件下的值小于常規(guī)氣象條件下的值。從大氣穩(wěn)定度的角度解釋為:平均風(fēng)速增大,大氣穩(wěn)定性增強(qiáng),脈動(dòng)性減小。

由表4可見:①紊流強(qiáng)度均值IU∶IV∶IW=1∶0.5∶0.2,與《規(guī)范》建議的IU∶IV∶IW=1∶0.88∶0.50,差異顯著;陣風(fēng)因子均值1.1,最大值1.5與《規(guī)范》1.34基本一致;②對(duì)比表3中二維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)相同高度處的值,三維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)紊流強(qiáng)度較其小很多,陣風(fēng)因子相差不大,故在后續(xù)研究中應(yīng)慎重選擇儀器。

2.4　紊流積分尺度

由柴窩堡測(cè)風(fēng)塔塔高70 m處實(shí)測(cè)典型強(qiáng)風(fēng)時(shí)段風(fēng)速時(shí)程統(tǒng)計(jì)得到相應(yīng)的紊流積分尺度平均值,見圖8(圖中橫坐標(biāo)為樣本序列)。

圖8　柴窩堡測(cè)風(fēng)塔70 m高處典型強(qiáng)風(fēng)時(shí)段的平均紊流積分尺度Fig.8　Turbulence integral scale of Chaiwopu measuring point at 70 m height

由圖8可見,①LU,max=682.123 m,LU,min=8.219 m,LU,mean=131.280 m;LV,max=435.072 m,LV,min=0.457 m,LV,mean=85.700 m;LW,max=6.469 m,LW,min=0.061 m,LW,mean=1.383 m;可見各分量數(shù)值非常分散。②LU=131 m>120 m,LV=86 m>60 m,可見塔高70 m處實(shí)測(cè)值較《規(guī)范》建議值大。③《規(guī)范》積分尺度建議取值未區(qū)分地表類型,對(duì)于復(fù)雜地形區(qū)的紊流積分尺度取值尚屬空白。

2.5　紊流功率譜

選取各測(cè)風(fēng)塔典型強(qiáng)風(fēng)時(shí)段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析其風(fēng)速功率譜,其中強(qiáng)風(fēng)時(shí)段分別為:柴窩堡—2010-03-12 18:00:00～18:59:59,阿拉山口—2010-08-23 17:30:00～18:30:59,托洪臺(tái)—2010-03-20 07:32:46～08:32:45,見圖9～10。

圖9　各測(cè)風(fēng)塔各高度處典型強(qiáng)風(fēng)時(shí)段(1h)紊流功率譜Fig.9　Turbulence power spectra of every measuring point at every height

由圖9可見:①各測(cè)風(fēng)塔沿高度方向的紊流功率譜相差不大,且隨高度增加脈動(dòng)頻率增大;②各塔實(shí)測(cè)紊流功率譜整體趨勢(shì)與《規(guī)范》譜一致,但整體小于《規(guī)范》譜;③整體脈動(dòng)頻率較低,除70 m高度以下區(qū)域脈動(dòng)風(fēng)頻率均不在工程結(jié)構(gòu)關(guān)心的慣性子區(qū)范圍內(nèi)。

另外,對(duì)柴窩堡測(cè)風(fēng)塔70 m高度處三維測(cè)風(fēng)儀所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了紊流功率譜特性分析,限于篇幅所限,僅給出2010-02-25的紊流功率譜圖形,如圖10所示,分析發(fā)現(xiàn)①SU、SV和SW與《規(guī)范》建議的Simiu理論譜、Panofsky理論譜較為一致,且紊流能量主要集中在高頻段;②冬季、夏季強(qiáng)風(fēng)的差別還需深入分析。

3　結(jié)　論

通過在新疆三處典型地形區(qū)設(shè)立特種風(fēng)觀測(cè)塔,對(duì)兩整年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,探討相應(yīng)地形區(qū)的風(fēng)參數(shù),總結(jié)強(qiáng)風(fēng)特性如下。

1) 平均風(fēng)特性

① 風(fēng)速隨高度的增加而增加,風(fēng)向則保持基本不變;阿拉山口和柴窩堡的風(fēng)向與峽谷走向一致;此外,風(fēng)速、風(fēng)向與季節(jié)變化關(guān)系明顯。

② 風(fēng)攻角(柴窩堡風(fēng)觀測(cè)塔)均在±5°間,大部分時(shí)段集中在±3°間,建議U形山谷風(fēng)攻角范圍取±5°。

③ 風(fēng)剖面指數(shù)α隨風(fēng)速增大而增大。

2) 紊流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子

① 各區(qū)域紊流強(qiáng)度均值都小于《規(guī)范》給出的建議值,陣風(fēng)因子均值都小于《指南》給出的建議值,表明紊流強(qiáng)度在強(qiáng)風(fēng)條件下的值小于一般氣象條件下的值。

② 紊流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子隨風(fēng)速增大而減小。

③ 紊流強(qiáng)度均值IU∶IV∶IW=1∶0.5∶0.2,與《規(guī)范》建議的IU∶IV∶IW=1∶0.88∶0.50,差異顯著,陣風(fēng)因子均值1.1、最大值1.5均與《規(guī)范》建議值1.34差異不大。

3) 紊流積分尺度及功率譜

① 對(duì)比《規(guī)范》建議值,塔高70 m處實(shí)測(cè)LU=131 m>120 m,LV=86 m>60 m,且《規(guī)范》積分尺度建議取值未區(qū)分地表類型。

② 各測(cè)風(fēng)塔沿高度方向的紊流功率譜相差不大,且隨高度增加脈動(dòng)頻率增大。

③ 各塔實(shí)測(cè)紊流功率譜整體趨勢(shì)與《規(guī)范》譜一致,但整體脈動(dòng)頻率較低,小于《規(guī)范》譜,且70 m高度以下區(qū)域脈動(dòng)風(fēng)頻率均不在工程結(jié)構(gòu)關(guān)心的慣性子區(qū)范圍內(nèi)。

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