嚴(yán)東方，李 響，查明高，高 暉，林達(dá)明，楊瑞剛

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；4.新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100)

0 引言

風(fēng)吹雪災(zāi)害每年都會在我國的西北、西南和東北等地區(qū)發(fā)生[1]，其中新疆的風(fēng)吹雪最為典型，尤其在塔城地區(qū)，常導(dǎo)致交通擁堵，嚴(yán)重時(shí)還會造成人員傷亡，這給人民出行安全埋下極大隱患。因此，探究風(fēng)雪流在流經(jīng)公路和鐵路不同形式斷面時(shí)的堆積規(guī)律便顯得非常重要。早期研究風(fēng)雪流的流動和堆積規(guī)律通常采用的是風(fēng)洞試驗(yàn)[2-3]，這種方法雖然模擬結(jié)果較精確，但也有試驗(yàn)材料難原樣保存、初始條件難控、試驗(yàn)成本高、操作難度大等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，誕生了許多流體模擬軟件，這其中ANSYS Fluent軟件具有模擬精度高、操作難度小、時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用也最廣泛。

王向陽[4]運(yùn)用ANSYS Fluent軟件探究分析了路堤高度、邊坡坡率及入射風(fēng)速對風(fēng)雪流速度的影響，確定了路堤斷面的風(fēng)速場模式，并將結(jié)果與實(shí)際觀測值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者基本吻合；宋鵬[5]對風(fēng)雪流在流經(jīng)鐵路路堤斷面時(shí)距路面不同高度的風(fēng)速變化規(guī)律和積雪厚度變化規(guī)律進(jìn)行了研究；胡毅等[6]對風(fēng)雪流在流經(jīng)不同高度和不同邊坡坡率路堤時(shí)路面不同位置的風(fēng)速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，據(jù)此找到了路基斷面設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)；張林林[7]、張海峰[8]、何書勇等[9]、周塵華[10]等也模擬了風(fēng)雪流在流經(jīng)路堤斷面時(shí)的特點(diǎn)，均取得了不錯成果。

目前運(yùn)用軟件模擬風(fēng)雪流流經(jīng)不同路基斷面的前提均是把整個(gè)斷面都簡化為平直的路面，而忽略了其上本來就具有的結(jié)構(gòu)物(波形梁等)對風(fēng)雪流的影響，這不符合實(shí)際情況。有研究人員在降雪期間對新疆克塔高速公路沿線進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)路側(cè)護(hù)欄和中央分隔帶對氣流的影響很大，已產(chǎn)生積雪(見圖1，2)；應(yīng)成亮[11]也做了風(fēng)洞試驗(yàn)，證明了帶有路側(cè)護(hù)欄和中央分隔帶的路堤斷面對風(fēng)雪流的影響更大。但之前的學(xué)者都是進(jìn)行現(xiàn)場觀測和試驗(yàn)，而沒有運(yùn)用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析。

圖1 克塔高速公路護(hù)欄積雪

圖2 克塔高速公路分隔帶護(hù)欄積雪

本文以新疆烏尉高速公路永豐平原區(qū)的路堤為研究對象，運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對帶有波形梁護(hù)欄和不帶波形梁護(hù)欄的路堤斷面進(jìn)行風(fēng)吹雪數(shù)值模擬，對比驗(yàn)證波形梁護(hù)欄對風(fēng)吹雪的阻礙作用。

1 工程概況

G0711烏魯木齊—尉犁段高速公路(以下簡稱“烏尉高速”)位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊縣及巴音郭楞蒙古自治州和靜縣境內(nèi)，是連接南北疆的國家戰(zhàn)略性通道，重要的資源通道和國防通道。

永豐平原區(qū)段路線(K2+500—K8+000)位于烏尉高速起點(diǎn)處，長5.5km，總體與G216線平行(見圖3)，主要以路堤的方式修建通過。根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在冬季降雪期間，G216線在永豐平原區(qū)發(fā)生的風(fēng)吹雪災(zāi)害最為嚴(yán)重，對公路行車造成較大影響。因此，調(diào)查永豐平原區(qū)的風(fēng)吹雪災(zāi)害情況，找出風(fēng)雪流在流經(jīng)路堤斷面時(shí)的堆積規(guī)律，對保障烏尉高速全天候暢通具有重要意義。

圖3 烏尉高速K2+500—K8+000所在位置

2 路堤波形梁對風(fēng)雪流的作用研究

(以烏尉高速永豐平原區(qū)為例)

2.1 雪粒啟動風(fēng)速

判斷是否會有積雪堆積的前提是確定雪粒子的啟動風(fēng)速。根據(jù)王中隆等[12]的研究，雪粒的啟動風(fēng)速主要與雪粒粒徑和積雪密度相關(guān)，當(dāng)積雪密度在0.05～0.30g/cm3時(shí)，三者之間的關(guān)系如下：

(1)

V=3.123+11.99ρ+0.013 5e12.08ρ

(2)

式中：V為雪粒子啟動風(fēng)速；d為雪粒粒徑；ρ為積雪密度。

課題組于2019年12月28日(降雪2d后)對烏尉高速里程K5+000處分別在0，5，10，15，20，25cm共6個(gè)深度下取雪樣測定積雪密度分別為0.08，0.11，0.11，0.13，0.14，0.14g/cm3，以此確定雪粒子的啟動風(fēng)速。

由測定的積雪密度及式(1)、式(2)可計(jì)算出烏尉高速里程K5+000處雪粒的最小啟動風(fēng)速為4.1m/s，最大啟動風(fēng)速為4.9m/s。這意味著當(dāng)風(fēng)速>4.1m/s時(shí)，地表的雪粒子便會被風(fēng)吹起，若這些雪堆積在路面上，便會掩埋路面，阻塞交通。值得注意的是，隨著測量深度的增加，積雪密度逐漸增大，分析可能是由于下層雪的堆積時(shí)間較長，雪體發(fā)生凍融，導(dǎo)致含水量和雪粒之間的黏滯力增大，同時(shí)受到上層雪的壓實(shí)作用而造成。

2.2 風(fēng)吹雪的風(fēng)向和風(fēng)速

課題組收集了永豐平原區(qū)多年的氣象資料，發(fā)現(xiàn)冬季的平均風(fēng)速為5.4m/s(距地面10m高)，風(fēng)向?yàn)镹W。由于實(shí)際情況一般風(fēng)速都會隨著高度的增加以一定規(guī)律產(chǎn)生變化，因此根據(jù)查明高等[13]的研究，確定永豐平原區(qū)的風(fēng)速隨高度變化遵循冪指函數(shù)分布，如下所示：

(3)

式中：Vh為高度h處風(fēng)速；V1為高度h1處風(fēng)速，V1取5.4m/s，h1取10m；α為風(fēng)隨高度變化系數(shù)，新疆地區(qū)取0.12。

收集永豐平原區(qū)冬季降雪期的遙感影像，根據(jù)雪粒子的形態(tài)判斷風(fēng)向，并與線路走向相對比，從而確定發(fā)生風(fēng)吹雪災(zāi)害的可能性，如圖4所示。

圖4 2012年永豐平原區(qū)降雪期遙感影像

本區(qū)域2012年冬季降雪期的遙感影像如圖4所示，通過觀察圖中雪的堆積位置和形狀可知，本區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹W向，與氣象資料相符，由此可判斷風(fēng)向與線路走向垂直，因此雪粒在橫跨路堤時(shí)便可能會造成路面和路側(cè)積雪。

2.3 路堤波形梁模型參數(shù)

為了使研究結(jié)果能應(yīng)用于實(shí)際工程，本次參考“烏魯木齊—尉犁段高速公路建設(shè)項(xiàng)目兩階段施工圖設(shè)計(jì)”中的實(shí)際設(shè)計(jì)方案，給出路堤斷面和波形梁的模型參數(shù)，如表1所示。

表1 路堤斷面模型參數(shù)

為方便模擬，將波形梁的橫斷面簡化為長方形，如圖5所示。

圖5 波形梁簡化橫斷面示意(單位：m)

采用式(3)所示規(guī)律為本次模擬的入口風(fēng)速，風(fēng)向由左向右垂直于邊界進(jìn)入計(jì)算域內(nèi)，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。為了使模擬結(jié)果更能體現(xiàn)雪粒子的速度分布，選用風(fēng)雪二相流進(jìn)行模擬，雪粒子粒徑取0.000 2m，占空氣的體積分?jǐn)?shù)取0.02[14]。對距離路面0.2m高(波形梁與路面中間)和0.7m高(波形梁后)的雪粒速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.4 路堤波形梁風(fēng)吹雪模擬分析

2.4.1模型Ⅰ模擬結(jié)果

模型Ⅰ的雪粒速度云圖和雪粒速度曲線如圖6，7所示。

圖6 模型Ⅰ雪粒速度云圖

由圖6和圖7可觀察到，有波形梁時(shí)雪粒大多會堆積在背風(fēng)坡坡腳處，但由于路面兩側(cè)和中央隔離帶兩側(cè)波形梁的阻擋作用，在每個(gè)波形梁后面都會形成一定范圍的減速區(qū)，圖6a中據(jù)路面0.7m后的雪粒速度大多比雪粒啟動速度低，其中在迎風(fēng)坡腳、中央隔離帶、背風(fēng)路肩3處的速度甚至為0，這會導(dǎo)致雪粒在路面上堆積；而當(dāng)路面不設(shè)置波形梁時(shí)，可看到雪粒首先會堆積在迎風(fēng)坡坡腳處，且路面上無波形梁阻擋，大部分風(fēng)速都大于雪粒的啟動速度，所以雪粒可順利通過路面。兩種情況相比之下，當(dāng)路堤高度為3.9m、邊坡坡率為1∶1.5時(shí)，波形梁對風(fēng)雪流的阻擋作用明顯，雪粒首先會在波形梁后的路面上堆積，而后才會堆積到背風(fēng)坡坡腳處。

圖7 模型Ⅰ雪粒速度曲線

2.4.2模型Ⅱ模擬結(jié)果

模型Ⅱ的雪粒速度云圖和雪粒速度曲線如圖8，9所示。

圖8 模型Ⅱ雪粒速度云圖

由圖8和圖9可觀察到，當(dāng)路堤高度為4.6m、邊坡坡率為1∶1.5時(shí)，模型的模擬結(jié)果和模型Ⅰ基本相同，這說明在其他條件不變的情況下，即使增高路堤，波形梁對風(fēng)雪流的阻擋作用依舊非常明顯，雪粒仍會堆積在波形梁后的路面上，進(jìn)而形成風(fēng)吹雪害。這里值得注意的是，當(dāng)邊坡坡率為1∶1.5且不設(shè)置波形梁時(shí)，距路面0.2m處的部分風(fēng)速也小于風(fēng)吹雪啟動速度，此時(shí)雪粒也有堆積到路面上的可能。所以這說明在風(fēng)吹雪災(zāi)害易發(fā)路段修建路堤時(shí)，在其他條件不變的情況下，邊坡坡率也不宜設(shè)置為1∶1.5。根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]中對風(fēng)吹雪路段路堤邊坡坡率的建議值也說明了這一點(diǎn)。

圖9 模型Ⅱ雪粒速度曲線

2.4.3模型Ⅲ模擬結(jié)果

模型Ⅲ的雪粒速度云圖和雪粒速度曲線如圖10，11所示。

圖10 模型Ⅲ雪粒速度云圖

觀察圖10和圖11可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路堤高度為4.6m、邊坡坡率為1∶4時(shí)，設(shè)置波形梁時(shí)路面上風(fēng)速位于雪粒啟動速度線以下的區(qū)域更大，雪粒的堆積情況比模型Ⅱ更嚴(yán)重，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于隨著邊坡坡率的變緩，風(fēng)雪流在達(dá)到路面前的速度減小程度便越小，因此當(dāng)遇到波形梁阻擋時(shí)在波形梁后形成的減速區(qū)域便越大，導(dǎo)致雪粒的堆積情況便越嚴(yán)重；但當(dāng)不設(shè)置波形梁時(shí)，路面上的風(fēng)速全部都在風(fēng)吹雪啟動速度線之上，說明雪?？赏耆ㄟ^整個(gè)路面。二者相比之下，波形梁對風(fēng)雪流的阻擋作用更明顯。

圖11 模型Ⅲ雪粒速度曲線

3 結(jié)語

1)在同種模擬前提下，無論路堤高度和邊坡坡率如何，設(shè)置波形梁的路堤對風(fēng)雪流的阻擋作用總是比不設(shè)置波形梁時(shí)更嚴(yán)重。

2)當(dāng)路面兩側(cè)和中央隔離帶兩側(cè)設(shè)置波形梁時(shí)，雪粒主要在波形梁后的路面上和背風(fēng)坡坡腳處堆積，易形成雪害；當(dāng)不設(shè)置波形梁時(shí)，雪粒主要在迎風(fēng)坡坡腳處堆積，且能順利通過路面，不易形成雪害。

3)路堤高度相同時(shí)，邊坡坡率為1∶4的路堤在設(shè)置波形梁時(shí)雪粒沉積到路面的情況比邊坡坡率為1∶1.5時(shí)更嚴(yán)重；但當(dāng)不設(shè)置波形梁時(shí)風(fēng)雪流的流通情況則相反，前者比后者的流通性更好，發(fā)生雪害的概率更小。

4)在風(fēng)吹雪災(zāi)易發(fā)路段修建路堤時(shí)，建議應(yīng)用透風(fēng)性更好的纜索護(hù)欄代替波形梁護(hù)欄，或直接在路側(cè)修建如防雪柵欄、擋雪墻等防雪設(shè)施。