宋正民， 馬 巍， 穆彥虎， 俞祁浩， 謝勝波，3， 劉永智

（1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求推動(dòng)下，伴隨國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃的逐步實(shí)施高寒凍土區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)已是迫在眉睫［1-3］。凍土區(qū)公路工程建設(shè)是一項(xiàng)世界范圍內(nèi)的工程技術(shù)難題，多年凍土及脆弱凍土環(huán)境給工程的修筑、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，尤其在氣候變暖背景下［4-6］。在多年凍土區(qū)，路基工程的修筑將不可避免地打破原有的地-氣能量平衡，引發(fā)活動(dòng)層厚度增加、多年凍土溫度升高等多年凍土退化過(guò)程，進(jìn)而導(dǎo)致路基沉降及相關(guān)工程病害問(wèn)題［7-14］。為此包括塊石、通風(fēng)管、熱管等主動(dòng)冷卻降溫措施在凍土路基工程中得以廣泛應(yīng)用，通過(guò)路基結(jié)構(gòu)對(duì)流換熱機(jī)制與過(guò)程的調(diào)控以降低或保持下伏多年凍土地溫，進(jìn)而達(dá)到保證路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性的目的［15-16］。

目前，針對(duì)塊石、通風(fēng)管、熱管等主動(dòng)冷卻措施在凍土路基工程中的應(yīng)用，研究人員從冷卻降溫機(jī)制、影響因素及實(shí)體工程降溫效果等方面利用包括室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段開(kāi)展了大量研究工作并取得重要成果［17-30］。然而，已有研究工作主要關(guān)注冷卻降溫結(jié)構(gòu)內(nèi)的對(duì)流換熱過(guò)程及下伏多年凍土的熱響應(yīng)，對(duì)于路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征很少關(guān)注。風(fēng)流場(chǎng)作為復(fù)雜地氣能量交換過(guò)程的重要一環(huán)，同樣是凍土路基工程的關(guān)鍵環(huán)境邊界。對(duì)于凍土區(qū)冷卻路基結(jié)構(gòu)而言，路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征顯著影響著包括塊石層、通風(fēng)管、熱管蒸發(fā)段內(nèi)的對(duì)流換熱機(jī)制和強(qiáng)度。同時(shí)，在青藏工程走廊風(fēng)沙災(zāi)害日益嚴(yán)重的背景條件下［31-32］，路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征與風(fēng)沙在路基周邊的堆積、運(yùn)移等過(guò)程密切相關(guān)，可以直接影響到塊石層的邊界類型（開(kāi)放與封閉）、孔隙率以及通風(fēng)管管內(nèi)通風(fēng)效率等。此外，針對(duì)擬建青藏高速公路，研究人員提出了分離式路基方案以解決寬幅瀝青路面強(qiáng)烈吸熱效應(yīng)［33-35］。對(duì)于分離式路基而言，其周邊風(fēng)流場(chǎng)特征勢(shì)必與整體式路基有所不同，尤其兩幅路基之間風(fēng)流場(chǎng)的相互擾動(dòng)及隔離帶內(nèi)的湍流效應(yīng)同樣會(huì)影響到上述對(duì)流調(diào)控類凍土路基冷卻降溫機(jī)制與強(qiáng)度以及風(fēng)沙災(zāi)害在兩幅路基周邊的發(fā)育過(guò)程。因此，開(kāi)展路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征及其影響因素的研究對(duì)于凍土區(qū)路基工程的修筑、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)十分必要。

針對(duì)多年凍土區(qū)對(duì)流換熱類冷卻路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征及影響因素，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，系統(tǒng)開(kāi)展了整體式路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征的研究，并考察了包括路基高度的影響規(guī)律與程度。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)分離式路基，研究了兩幅路基并行條件下，路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征，并考察了中間隔離帶寬度的影響。通過(guò)以上研究，以期為多年凍土區(qū)對(duì)流換熱類冷卻路基工程的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)以及青藏工程走廊風(fēng)沙災(zāi)害的防治提供依據(jù)。

1 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1 物理模型

以青藏高原北麓河高速公路試驗(yàn)段路基結(jié)構(gòu)為對(duì)象，研究高海拔地區(qū)高速公路路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征。其中路面寬度L為13 m，路基高度h分別為1、2、3、4、5 m。針對(duì)分離式路基，其中間隔離帶寬度H分別為2、5、10、20、30、40、50 m。物理模型如圖1（a）、1（b）所示，包括路基區(qū)和空氣區(qū)，空氣區(qū)高度為自天然地表以上30 m，寬度自路基兩側(cè)坡腳分別向外延伸60 m，模型尺寸的選取通過(guò)不同尺寸模型的試算以消除邊界效應(yīng)。

圖1 路基風(fēng)流場(chǎng)物理模型Fig.1 Physical models of wind flow over an embankment（a）and two separated embankment（b）

1.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)已有研究成果、實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型的參數(shù)、初始和邊界條件的設(shè)定。已知青藏高原海拔4 500 m 高度處空氣的運(yùn)動(dòng)黏度為2.73×10-5m2·s-1，年平均風(fēng)速為3.0～6.0 m·s-1，主導(dǎo)風(fēng)向主要為西北風(fēng)［36］。在物理參數(shù)和邊界條件的設(shè)定方面，根據(jù)青藏高原北麓河氣象站、青藏高等級(jí)公路試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取大氣壓為57.7 kPa，空氣密度0.737 kg·m-3，空氣黏度1.75×10-5Pa·s，地表粗糙度為0.14 m［37］。模型的邊界條件在左側(cè)風(fēng)入口處設(shè)置為速度入口，根據(jù)相關(guān)資料可知，風(fēng)速入口在邊界EH處隨高度的變化可簡(jiǎn)化為：

兩側(cè)面及上部空氣面選用對(duì)稱（symmetry）邊界，右側(cè)出口處選為質(zhì)量出口（outflow）邊界，地表、邊坡及路基上表面為墻（wall）邊界。

為更好的模擬路基背風(fēng)坡處渦旋范圍及渦速，采用RNG k-ε 模型。模型由Yakhot 及Orzag 提出，該模型對(duì)渦團(tuán)黏度進(jìn)行了修正，并在ε方程中增加了反映主流是均應(yīng)變率的項(xiàng)。從而該模型可以更好地處理流線彎曲程度較大的流動(dòng)，其控制方程為：

式中：

式中：t為時(shí)間；ρ為空氣密度；k為脈動(dòng)動(dòng)能；Cμ取值為0.0845；ui為空氣在i方向的速度分量；xj為空氣沿著j方向的位移；αk為ε方程的湍流普朗特?cái)?shù)；μ為空氣動(dòng)力黏度；αk、αε取值為1.39；μt為空氣的湍流黏性系數(shù)；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；C1?取值為1.42；C2?取值為1.68；ε為脈動(dòng)動(dòng)能耗散率；YM為常量；Sk、Sε為用戶定義的源項(xiàng)；αε為在解壓縮湍流中過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；η0取值為4.38；β取值為0.012。

1.3 模型及參數(shù)驗(yàn)證

利用青藏高原北麓河高速公路試驗(yàn)段風(fēng)流場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果開(kāi)展模型和參數(shù)驗(yàn)證。為掌握路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征，在試驗(yàn)段路基兩側(cè)各建有風(fēng)流場(chǎng)觀測(cè)塔3 個(gè)，距離路基坡腳距離分別為60 m、30 m、0 m，觀測(cè)塔高分別為3.0 m、3.0 m、4.5 m。在每個(gè)觀測(cè)塔上，自天然地表向上每隔0.5 m 布設(shè)風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)試傳感器一組，以獲取不同高度風(fēng)速與風(fēng)向。試驗(yàn)段路基高度為3.0 m，路面寬度為13 m，路基走向?yàn)闁|北—西南走向。圖2 給出了路基左、右兩側(cè)坡腳（0 m）以及路基右側(cè)60 m距離處的風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測(cè)裝置。

圖2 北麓河試驗(yàn)路基風(fēng)流場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Observation system of wind flow over the Beiluhe experimental-built embankment

圖3 給出了2018年8月期間當(dāng)風(fēng)向與路基走向垂直時(shí)（東南風(fēng)，面向拉薩方向自路基左側(cè)吹向右側(cè)）某一時(shí)刻路基左右兩側(cè)風(fēng)速沿高度的分布情況?？梢钥闯?，路基左右坡腳外60 m、30 m 處環(huán)境風(fēng)速自天然地表沿高度分布呈指數(shù)形式分布，與公式（1）計(jì)算結(jié)果吻合較好。同時(shí)，對(duì)比路基左側(cè)坡腳外60 m、30 m、0 m 處同一高度處風(fēng)速，可以看出坡腳處風(fēng)速明顯較低，反映了路基的阻擋效應(yīng)。路基右側(cè)坡腳外30 m 風(fēng)速基本與路基左側(cè)坡腳外30 m 風(fēng)速沿高度分布基本一致，反映了氣流擾流路基后的恢復(fù)過(guò)程。

圖3 路基坡腳不同距離處數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速沿高度分布結(jié)果對(duì)比Fig.3 Field measured and numerical simulated wind speeds vs.height at different distances away from the embankment slope foot［60 m far away from the windward slope foot of the embankment（a）；30 m far away from the windward slope foot of the embankment（b）；45 m far away from the windward slope foot of the embankment（c）；30 m far away from the leeward slope foot of the embankment（d）；60 m far away from the leeward slope foot of the embankment（e）］

以實(shí)測(cè)路基左側(cè)坡腳外60 m 環(huán)境風(fēng)速為邊界條件，建立與試驗(yàn)段路基同尺寸物理模型，采用上節(jié)邊界及參數(shù)設(shè)置，模擬路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有較高的吻合度，能夠較好地反映風(fēng)流擾流路基過(guò)程。其中路基左側(cè)坡腳外30 m，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果仍有一定的差異，主要與該位置處微地形的起伏有關(guān)。

圖4 路基周邊風(fēng)速（a）、風(fēng)壓（b）云圖Fig.4 Wind speed field（a）and air static pressure field（b）around the embankment

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 單幅路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征

2.1.1 單幅路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征區(qū)域劃分

路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征描述利用風(fēng)速、風(fēng)壓分布云圖來(lái)描述。圖4（a）給出了路基高度為3 m、路面寬度為13 m、3 m 高度處環(huán)境風(fēng)速為3.5 m·s-1且風(fēng)向與路基走向垂直條件下路基周邊風(fēng)速分布云圖。依據(jù)風(fēng)流繞流路基過(guò)程并結(jié)合各區(qū)域風(fēng)速，可將路基兩側(cè)風(fēng)流場(chǎng)定性劃分為進(jìn)風(fēng)場(chǎng)（I）、坡前擾動(dòng)區(qū)（II）、路基上部加速區(qū)（III）、坡后擾動(dòng)區(qū)（IV）、出風(fēng)場(chǎng)（V）五個(gè)區(qū)域。自風(fēng)流從遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)入并靠近路基但基本不受路基影響的區(qū)域?yàn)檫M(jìn)風(fēng)場(chǎng)，隨風(fēng)流進(jìn)一步靠近路基且風(fēng)流場(chǎng)開(kāi)始受路基影響直至迎風(fēng)坡路肩區(qū)域?yàn)槠虑皵_動(dòng)區(qū)（II）。風(fēng)流翻越路基迎風(fēng)坡后，路基頂面上部為加速區(qū)（III），自背風(fēng)坡路肩直至風(fēng)流場(chǎng)基本恢復(fù)這一區(qū)域?yàn)槠潞髷_動(dòng)區(qū)（IV），隨風(fēng)流進(jìn)一步遠(yuǎn)離路基且不在受路基影響后即為出風(fēng)場(chǎng)（V）。對(duì)于對(duì)流調(diào)控類冷卻路基工程以及路基風(fēng)沙災(zāi)害而言，坡前擾動(dòng)區(qū)、路基頂面加速區(qū)、坡后擾動(dòng)三個(gè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)特征需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖4（b）給出了路基周邊靜壓云圖，靜壓不包括大氣壓強(qiáng)，由流體微團(tuán)中分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)及其具有的質(zhì)量力構(gòu)成，是流體微團(tuán)具有的壓力能和重力勢(shì)能之和。對(duì)于氣體來(lái)講，氣體的質(zhì)量可以忽略，因此，靜壓主要是分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。因此氣體靜壓主要是單位微團(tuán)氣體具有的壓力能。當(dāng)壓力變化不大，空氣密度可認(rèn)為是不變的，位置壓差也可忽略時(shí)，空氣能可由壓力能（P）、動(dòng)能位勢(shì)能（E）三部分表示。由于空氣受重力作用影響較小，因此一般忽略位勢(shì)能，所以，空氣初始能量相同時(shí)，速度越快，動(dòng)能越大，壓力能越小。當(dāng)空氣流過(guò)路基時(shí)，從迎風(fēng)坡前起主流流管逐漸變細(xì)，流速逐漸加快，壓力能逐漸減小，存在順壓梯度當(dāng)空氣順迎風(fēng)坡爬升至坡頂時(shí)，流管最細(xì)，流速最快，壓力能最??；當(dāng)空氣繞過(guò)路基以后，流管逐漸變粗，流速減慢，壓力能逐漸增大，存在逆壓梯度

2.1.2 坡前擾動(dòng)區(qū)特征及范圍

從路基周邊風(fēng)流場(chǎng)區(qū)域特征來(lái)看［圖4（a）］，路基坡前擾動(dòng)區(qū)（II）為低風(fēng)速區(qū)，即受路基阻擋II區(qū)內(nèi)的風(fēng)速小于同一高度下的環(huán)境風(fēng)速。且由圖4（b）可知，迎風(fēng)坡前靜壓受路基阻擋，風(fēng)速降低，動(dòng)能減小，壓力能上升，故產(chǎn)生高壓區(qū)，且隨著高度的增加，流管逐漸變細(xì)，流速逐漸上升，壓力能逐漸減小。為掌握II 區(qū)的水平范圍，圖5（a）以路基高度3 m 為例給出了距離坡腳不同水平距離處風(fēng)速沿高度的分布曲線。可以看出，受路基阻擋，坡腳處風(fēng)速與同一高度下的環(huán)境風(fēng)速差值隨高度增加先增大后減小，其中0.5～2.0 m 高度范圍內(nèi)兩者差值接近1.0 m·s-1，約為環(huán)境風(fēng)速的30%。隨著距坡腳水平距離的增加，不同高度處風(fēng)速逐漸接近環(huán)境風(fēng)速。以兩者的最大差值不超過(guò)環(huán)境風(fēng)速的10%（0.35 m·s-1）為標(biāo)準(zhǔn)，則3 m高路基條件下II區(qū)的水平范圍約為15 m。隨路基高度的增加，路基的阻擋效應(yīng)更加顯著，II區(qū)的水平范圍有所增加。采用上述標(biāo)準(zhǔn)，圖5（b）給出了II 區(qū)的水平范圍與路基高度的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯琁I 區(qū)的水平范圍隨路基高度的增加基本呈線性增加趨勢(shì)，斜率約在7.5左右。

圖5 坡前擾動(dòng)區(qū)風(fēng)速分布（a）及其水平范圍與路基高度關(guān)系曲線（b）Fig.5 Wind speeds vs.height at different locations away from the windward slope foot of the embankment（a）and horizontal range of disturbed area at front of the windward slope foot vs.embankment thickness（b）

為掌握坡前擾動(dòng)區(qū)（II）的高度范圍，圖6（a）給出了不同路基高度條件下坡腳處風(fēng)速沿高度分布曲線?？梢钥闯?，路基高度越大，坡腳處風(fēng)速較同一高度下環(huán)境風(fēng)速越小，即路基的阻擋效應(yīng)越明顯。以1.5 m 高度為例，當(dāng)路基高度為1 m 時(shí)坡腳處風(fēng)速約為環(huán)境風(fēng)速的93%，而當(dāng)路基高度增加至5 m 時(shí)其坡腳處的風(fēng)速僅為環(huán)境風(fēng)速的53%左右。以環(huán)境風(fēng)速的10%（0.35 m·s-1）為標(biāo)準(zhǔn)，即坡腳處風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)速相差0.35 m·s-1為標(biāo)準(zhǔn)定義坡前擾動(dòng)區(qū)高度范圍。圖6（b）給出了坡腳處坡前擾動(dòng)區(qū)高度與路基高度之間的關(guān)系，可以看出這一高度范圍與路基高度呈拋物線型增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)路基高度大于4 m 時(shí)，由式（7）可知，隨高度的增加，風(fēng)速曲線沿垂直高度的增量逐漸減小，導(dǎo)致坡前擾動(dòng)區(qū)在坡腳處的高度范圍隨路基高度的增加不在顯著增長(zhǎng)。

圖6 不同路基高度下迎風(fēng)坡坡腳風(fēng)速分布（a）與坡腳擾動(dòng)區(qū)高度與路基高度關(guān)系曲線（b）Fig.6 Wind speed vs.height at the left slope foot with different embankment heights（a）and vertical range of disturbed area at front of the slope vs.embankment thickness（b）

2.1.3 路基上部加速區(qū)特征及范圍

從圖3 中可以看出，路基上部加速區(qū)（III）為高風(fēng)速區(qū)，即受路基迎風(fēng)坡的影響，當(dāng)氣流爬越路基時(shí)，在路基迎風(fēng)側(cè)受阻造成空氣質(zhì)量輻合，形成負(fù)高壓（大于迎風(fēng)坡前同一高度處正壓），導(dǎo)致迎風(fēng)坡側(cè)路肩風(fēng)速高于同一高度下的環(huán)境風(fēng)速。圖7（a）給出了3 m 路基高度條件下路面頂層不同位置處的風(fēng)速沿高度分布曲線?？梢钥闯觯访骓攲油桓叨葪l件下迎風(fēng)坡側(cè)路肩風(fēng)速明顯高于路面中部、背風(fēng)坡路肩以及環(huán)境風(fēng)速，這一差值隨高度的增加先增大后減小。以3 m 高路基為例，迎風(fēng)坡路肩與背風(fēng)坡路肩最大風(fēng)速差值可達(dá)1.37 m·s-1，約為同一高度下環(huán)境風(fēng)速的39%。圖7（b）給出了坡頂加速區(qū)路基上部最大風(fēng)速差值與路基高度的關(guān)系，可以看出最大風(fēng)速差值與路基高度基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，斜率約為0.45左右。

圖7 路基上部加速區(qū)風(fēng)速分布曲線（a）與迎、背風(fēng)坡路肩最大風(fēng)速差值與路基高度關(guān)系曲線（b）Fig.7 Wind speed vs.height above the embankment（a）and the maximum discrepancy between wind speeds at the windward and leeward shoulders vs.embankment thicknes（b）

2.1.4 坡后擾動(dòng)區(qū)特征及范圍

路基背風(fēng)坡后擾動(dòng)區(qū)（IV）為層流恢復(fù)區(qū)，即在重力作用下，受路基擾動(dòng)導(dǎo)致的風(fēng)速差異逐漸恢復(fù)到同一高度下的環(huán)境風(fēng)速，動(dòng)能逐漸降低，壓力能逐漸增加。因此，為刻畫IV 區(qū)的水平范圍，圖8（a）以路基高度3 m 為例給出了距離背風(fēng)坡坡腳不同水平距離處風(fēng)速沿高度的分布曲線?？梢钥闯?，背風(fēng)坡坡腳處風(fēng)速與同一高度下環(huán)境風(fēng)速差值隨高度的增加先增大后減小，在1.0～1.5 m 高度范圍內(nèi)兩者差值接近1.5 m·s-1，約為環(huán)境風(fēng)速的43%。隨著距背風(fēng)坡坡腳水平距離的增加，不同高度處風(fēng)速逐漸增加并接近于環(huán)境風(fēng)速。以兩者的最大差值不超過(guò)環(huán)境風(fēng)速的10%（0.35 m·s-1）為標(biāo)準(zhǔn)，則3 m 高路基條件下IV 區(qū)的水平范圍約為30 m。隨路基高度的增加，受迎風(fēng)坡遮擋效應(yīng)愈發(fā)明顯，IV區(qū)的范圍也相應(yīng)增加。基于上述標(biāo)準(zhǔn)，圖8（b）給出了IV 區(qū)的水平范圍與路基高度的關(guān)系曲線。可以看出，IV 區(qū)的水平范圍隨路基高度的增加與II區(qū)的增加趨相同勢(shì)皆為線性增加，斜率約在12.5左右。由靜壓云圖可知，背風(fēng)坡后靜壓值大于-0.2 Pa 后逐漸趨于穩(wěn)定，其范圍與圖8（b）所示范圍吻合。

圖8 坡后擾動(dòng)區(qū)風(fēng)速分布（a）及坡后擾動(dòng)區(qū)水平范圍與路基高度關(guān)系曲線（b）Fig.8 Wind speeds vs.height at different locations away from the leeward slope foot of the embankment（a）and horizontal range of disturbed area behind the leeward slope foot vs.embankment thickness（b）

2.1.5 坡后渦動(dòng)區(qū)特征及范圍

當(dāng)氣流繞過(guò)路基到達(dá)背風(fēng)坡側(cè)時(shí)，坡后空氣易于輻散，形成低壓槽，最終發(fā)展為渦旋，且由圖4（b）可知，越靠近路基背風(fēng)坡處，負(fù)壓值越大，導(dǎo)致越靠近路基背風(fēng)坡處渦速越快，如圖9所示。表1給出了在3 m高度處環(huán)境風(fēng)速為3.5 m·s-1的條件下，不同路基高度與背風(fēng)坡后最大渦速、渦旋最大橫向范圍之間的關(guān)系。可以看出，整個(gè)渦動(dòng)區(qū)相較于同一高度環(huán)境風(fēng)速明顯較小，不同路基高度條件下渦動(dòng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速均小于1 m·s-1，約為同高度下環(huán)境風(fēng)速的20%。渦動(dòng)區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速隨路基高度的增加呈拋物線形增加，同樣當(dāng)路基高度超過(guò)4 m后其增加趨勢(shì)不在明顯。

圖9 背風(fēng)坡后渦旋示意圖Fig.9 Vortex behind leeward slope of the embankment

表1 不同路基高度背風(fēng)坡后渦旋橫向最大范圍Table 1 Maximum transverse vorticity at different roadbed heights

為刻畫渦動(dòng)區(qū)的橫向最大范圍，表1 給出了環(huán)境風(fēng)速為3.5 m·s-1條件下，不同路基高度背風(fēng)坡后橫向最大范圍與路基高度之間的關(guān)系。由表可知，隨路基高度的增加，背風(fēng)坡后渦旋橫向最大尺寸逐漸增加。當(dāng)路基高度為5 m 時(shí)，背風(fēng)坡坡后渦動(dòng)區(qū)橫向范圍超過(guò)20 m。隨路基高度的增加，背風(fēng)坡坡腳處的壓力值逐漸減小，由動(dòng)量守恒可知，動(dòng)能逐漸提升，導(dǎo)致背風(fēng)坡后渦旋的速度逐漸提升，且受路基高度的影響，背風(fēng)坡后負(fù)高壓水平范圍（＜-1.0 Pa）明顯增大，由1 m路基高度時(shí)的2.5 m增加到5 m 路基高度時(shí)的24 m，與背風(fēng)坡后渦旋橫向最大范圍吻合。

2.2 分離式路基周邊風(fēng)流場(chǎng)特征

與單幅路基相比，分離式路基對(duì)周圍風(fēng)流場(chǎng)的擾動(dòng)主要體現(xiàn)在兩幅路基中間隔離帶區(qū)域。圖10（a）給出了在路基高度為3 m 時(shí)，兩幅路基不同間距（不同隔離帶寬度）條件下后幅路基迎風(fēng)坡坡腳處風(fēng)速沿高度的分布曲線?？梢钥闯?，當(dāng)路基間距小于50 m 時(shí)，受前幅路基的阻擋，后幅路基坡腳處風(fēng)速與同一高度下的前幅路基坡腳處的風(fēng)速差值整體上隨高度的增加先增大后減小。當(dāng)隔離帶寬度為20 m 時(shí)，后幅路基坡腳處4 m 高度范圍內(nèi)風(fēng)速不足前幅路基坡前風(fēng)速的1/3。隨著隔離帶寬度的增加，兩者之間的差值逐漸減小。當(dāng)隔離帶寬度增加至60 m 后，后幅路基坡前風(fēng)速與同一高度下的前幅路基坡腳處風(fēng)速的整體差值小于10%（0.35 m·s-1）。即路基高度為3 m 時(shí)，兩幅路基間距超過(guò)60 m 后，前幅路基對(duì)后幅路基坡前風(fēng)速無(wú)顯著影響。

圖10 兩幅路基迎風(fēng)坡坡腳風(fēng)速與高度間關(guān)系（a）及兩幅路基之間坡前風(fēng)速無(wú)相互影響的最小間距與路基高度關(guān)系曲線（b）Fig.10 Wind speed vs.height at the windward slope feet of the two separated embankments with different spaces（a）the minimum space between the two separated embankments without wind flow interaction vs.embankment thickness（b）

隨路基高度的增加，前幅路基坡后擾動(dòng)區(qū)與后幅路基坡前擾動(dòng)區(qū)的范圍都相應(yīng)增加。為刻畫出中間隔離帶（H）受坡后擾動(dòng)區(qū)跟坡前擾動(dòng)區(qū)的混合影響，以后幅路基坡前風(fēng)速與前幅路基的坡前風(fēng)速差值不超過(guò)10%（0.35 m·s-1）為標(biāo)準(zhǔn)，圖10（b）給出了在不同路基高度情況下，中間隔離帶（H）的影響間距和路基高度之間的關(guān)系，可以看出這一影響間距與路基高度呈拋物線型增長(zhǎng)。

通過(guò)與前幅路基坡后擾動(dòng)區(qū)（IV）和后幅路基坡前擾動(dòng)區(qū)（II）的范圍之和作比較，可以看出在兩幅路基的共同影響下，隔離帶（H）的影響距離與后幅路基坡前擾動(dòng)區(qū)（II）、前幅路基坡后擾動(dòng)區(qū)（IV）和的差值隨路基高度的增加而增加，由1 m 路基高度時(shí)的5 m 增加到5 m 路基高度時(shí)的40 m。由靜壓云圖可知，兩幅路基條件下，中間隔離帶之間的負(fù)氣壓值（＜-0.2 Pa）范圍隨路基高度的增加呈拋物線型增加，導(dǎo)致兩幅路基之間低風(fēng)速區(qū)橫向范圍增加，后幅路基受前幅路基的影響范圍逐漸上升。

3 結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬手段，對(duì)高海拔地區(qū)公路路基周邊風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行特征區(qū)劃研究并考察了路基高度的影響，結(jié)論如下：

（1）在風(fēng)流自遠(yuǎn)場(chǎng)靠近路基、翻越路基并遠(yuǎn)離路基這一過(guò)程中，路基周邊風(fēng)流場(chǎng)可以劃分為5 個(gè)區(qū)域，即進(jìn)風(fēng)場(chǎng)、坡前擾動(dòng)區(qū)、路基上部加速區(qū)、坡后擾動(dòng)區(qū)、出風(fēng)場(chǎng)。對(duì)于對(duì)流調(diào)控類冷卻路基以及路基周邊風(fēng)沙災(zāi)害而言，坡前擾動(dòng)區(qū)、路基上部加速區(qū)、坡后擾動(dòng)區(qū)內(nèi)風(fēng)流場(chǎng)特征值得關(guān)注。

（2）受路基阻擋效應(yīng)作用，坡前擾動(dòng)區(qū)為低風(fēng)速區(qū)，沿高度方向坡前擾動(dòng)區(qū)風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)速差值先增加后減小，3 m 路基高度條件下迎風(fēng)坡坡腳0.5～2.0 m 高度范圍內(nèi)風(fēng)速約為環(huán)境風(fēng)速的30%。以環(huán)境風(fēng)速與坡前擾動(dòng)區(qū)不同高度最大風(fēng)速差異不超過(guò)環(huán)境風(fēng)速的10%為標(biāo)準(zhǔn)，3 m 路基高度條件下坡前擾動(dòng)區(qū)水平范圍約為15 m。這一水平范圍隨路基高度的增加呈線性增加趨勢(shì)。

（3）受迎峰坡坡面氣流爬升輻合效應(yīng)影響，路基上部為高風(fēng)速區(qū)，尤其迎峰坡路肩處為高壓脊其風(fēng)速明顯大于環(huán)境風(fēng)速、路面中部及背風(fēng)坡風(fēng)速。當(dāng)路基高度為3 m 時(shí)，迎峰坡路基與背風(fēng)坡路基最大風(fēng)速差值為1.4 m·s-1，約為同一高度下環(huán)境風(fēng)速的39%。且最大風(fēng)速差值與路基高度基本呈線性增長(zhǎng)。

（4）氣流翻越路基后為坡后擾動(dòng)區(qū)，為低風(fēng)速區(qū)。以擾動(dòng)區(qū)內(nèi)風(fēng)速與同一高度下環(huán)境風(fēng)速差值不超過(guò)環(huán)境風(fēng)速的10%為標(biāo)準(zhǔn)，3 m 高路基條件下坡后擾動(dòng)區(qū)水平范圍約為30 m。隨路基高度的增加，坡后擾動(dòng)區(qū)水平范圍呈線性增加。在坡后擾動(dòng)區(qū)靠近背風(fēng)坡坡腳區(qū)域，受氣流輻散效應(yīng)影響，背風(fēng)坡坡后形成渦旋區(qū)，整體風(fēng)速僅為環(huán)境風(fēng)速的30%。渦旋區(qū)水平范圍與路基高度相關(guān)，隨路基高度增加渦旋區(qū)水平范圍基本呈線性增加趨勢(shì)，5 m高路基條件下渦旋區(qū)水平范圍可超過(guò)20 m。

（5）分離式路基中受前幅路基的影響導(dǎo)致后幅路基坡前風(fēng)速下降明顯。以后幅路基坡前風(fēng)速與前幅路基的坡前風(fēng)速差值不超過(guò)10%（0.35 m·s-1）為標(biāo)準(zhǔn)，3 m 高路基條件下兩幅路基最小間距為60 m。隨路基高度的增加，這一最小間距呈拋物線型增加。因此，為保證凍土區(qū)分離式對(duì)流換熱類冷卻路基的冷卻降溫效果，兩幅路基間的間距應(yīng)不低于60 m。