魏佳北

（中鐵建蘇州設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

風(fēng)吹雪也稱風(fēng)雪流，是積雪在風(fēng)力的作用下沿流向輸運(yùn)的一種常見自然現(xiàn)象［1］，在全球分布廣泛，頻繁發(fā)生，對(duì)自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響很大，其涉及到風(fēng)場(chǎng)-雪顆粒-溫度-濕度場(chǎng)的多場(chǎng)耦合，且具有隨機(jī)性和多尺度的科學(xué)共性，至今尚缺乏系統(tǒng)化的解決方法［2-4］。我國新疆阿爾泰山和天山西部、北部及東北地區(qū)是風(fēng)吹雪現(xiàn)象高發(fā)地區(qū)［5］，風(fēng)吹雪對(duì)道路交通的影響體現(xiàn)在降低行車能見度和導(dǎo)致路面大量積雪中斷交通。新疆地區(qū)道路沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害呈現(xiàn)出“點(diǎn)多線長(zhǎng)面廣”且時(shí)空分布不均勻的特點(diǎn)。由于早期道路建設(shè)等級(jí)低，缺少針對(duì)性的防雪設(shè)施，風(fēng)吹雪發(fā)生時(shí)多采取封閉道路的方式來清除雪害。近年來，我國西部地區(qū)大力開展交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，寒區(qū)的高速公路具有等級(jí)高、運(yùn)營條件嚴(yán)格、受風(fēng)吹雪影響大的特點(diǎn)，因此在高速公路工程設(shè)計(jì)、建設(shè)與運(yùn)營全生命周期中，風(fēng)吹雪災(zāi)害防治是需引起重視和亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

風(fēng)吹雪作為世界性難題，在國外研究的百年歷史中，主要側(cè)重于風(fēng)吹雪機(jī)理等基礎(chǔ)理論和交通風(fēng)雪災(zāi)害防治技術(shù)應(yīng)用。例如，一些國外學(xué)者在南北極附近以及加拿大、瑞士等地測(cè)試了風(fēng)吹雪發(fā)生時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、雪粒濃度、風(fēng)吹雪頻率、風(fēng)吹雪輸運(yùn)總量和懸移通量等參數(shù)［6-10］，在交通防雪工程中采用擋雪墻、防雪柵欄以及防雪網(wǎng)等措施［11］，均可為防雪工程設(shè)計(jì)提供借鑒。我國對(duì)風(fēng)吹雪的研究始于20 世紀(jì)60 年代。1967 年，中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所和蘭州沙漠研究所（現(xiàn)為中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院）、新疆交通廳公路管理局、中國科學(xué)院新疆地理研究所（現(xiàn)為中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所）等單位系統(tǒng)開展了天山風(fēng)雪流的野外觀測(cè)和風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)研究，得出了天山西部山區(qū)雪粒起動(dòng)速度、時(shí)空分布與運(yùn)動(dòng)特征，提出了不同地形地貌和路基形式的風(fēng)雪流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及防雪技術(shù)。隨后與新疆、黑龍江、西藏等?。▍^(qū)）交通廳和農(nóng)牧廳共同研究了我國西北、西南和東北地區(qū)的風(fēng)雪流。2002 年，中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所（現(xiàn)為中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院）主持的“中國天山公路風(fēng)吹雪研究和大型創(chuàng)新防治工程”項(xiàng)目獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，發(fā)明的造價(jià)低、利用自然風(fēng)力吹走路面積雪和吹刮寬度更大的透風(fēng)式下導(dǎo)風(fēng)等新技術(shù)，在新疆218 國道天山艾肯達(dá)坂成功實(shí)施［12］。2002—2006年，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟交通科學(xué)研究所、黑龍江省交通科學(xué)研究所、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院公路勘察設(shè)計(jì)分院開展了“公路風(fēng)吹雪雪害防治技術(shù)研究”，在風(fēng)吹雪形成機(jī)理、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、時(shí)空分布及其災(zāi)害防治等方面取得較多成果［13］。近年來，高寒地區(qū)大量的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營中面臨的風(fēng)吹雪問題逐漸增多，因此在風(fēng)吹雪基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用上的研究進(jìn)展較快，例如，張家平等［14］通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)地面起伏對(duì)地表風(fēng)速流場(chǎng)改變影響較大，山地較丘陵發(fā)生風(fēng)吹雪災(zāi)害頻率大，平原發(fā)生風(fēng)吹雪可能性較??；施佳譽(yù)等［15］分析了白茫雪山走廊段的雪阻災(zāi)害，得出道路周邊地形和植被覆蓋情況影響風(fēng)吹雪災(zāi)害形成，以及迎風(fēng)半路塹和全路塹路基會(huì)加劇風(fēng)吹雪災(zāi)害的結(jié)論；劉慶寬等［16］基于模型試驗(yàn)和數(shù)值分析認(rèn)為路堤迎風(fēng)坡坡度影響路面積雪厚度，并給出了路面不易積雪的臨界邊坡坡度為40°～45°；陳領(lǐng)等［17］基于風(fēng)洞試驗(yàn)研究了青藏高原公路路基周邊風(fēng)場(chǎng)特征等，上述成果為道路工程防風(fēng)吹雪設(shè)計(jì)提供了理論支持。

風(fēng)吹雪的發(fā)生受多種因素制約，包括地形地貌、風(fēng)場(chǎng)條件、地面粗糙度、降雪量以及雪的物理力學(xué)性質(zhì)等，對(duì)于風(fēng)吹雪多發(fā)地區(qū)的高速公路而言，近年來由于波形梁護(hù)欄導(dǎo)致的道路路面積雪問題更加突出［18-19］，但是目前尚缺乏對(duì)波形梁護(hù)欄這種高速公路附屬設(shè)施加深風(fēng)吹雪災(zāi)害的深入研究。本文基于新疆京新高速公路（G7）實(shí)際，采用模型試驗(yàn)、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方法，研究了波形梁護(hù)欄對(duì)高速公路風(fēng)吹雪的影響，并根據(jù)高速公路波形梁護(hù)欄的安全防護(hù)要求，結(jié)合新疆其他高速公路護(hù)欄應(yīng)用情況，給出采用新型纜索護(hù)欄或者增設(shè)防雪柵和擋雪板等防雪設(shè)施的建議。

1 現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理及相似性

現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)一般通過小比例尺模型試驗(yàn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，其具有實(shí)際結(jié)構(gòu)的部分特征，與采用模擬雪介質(zhì)和恒定風(fēng)場(chǎng)的室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體工程試驗(yàn)相比，在野外風(fēng)雪環(huán)境中開展風(fēng)吹雪現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)有：可以控制主要試驗(yàn)參數(shù)而不受環(huán)境條件的限制與影響，便于改變?cè)囼?yàn)參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比等。Tabler［20］在1986 年進(jìn)行了6 cm高的擋雪板縮尺模型與實(shí)際3.8 m 高的擋雪板對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明二者積雪形狀幾何相似。這為現(xiàn)場(chǎng)采用縮小比例模型研究風(fēng)吹雪積雪問題提供了思路。

本研究將模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)物風(fēng)吹雪形成的時(shí)間對(duì)應(yīng)，以滿足時(shí)間尺度相似。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)中的雪粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間相似，即基于顆粒的漂移質(zhì)量相似公式和顆粒的漂移體積相似公式，如式（1）和式（2）。

式中：下標(biāo)p和m分別代表原型與模型；L是幾何長(zhǎng)度。

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中風(fēng)速u、顆粒密度ρ、模型ρp與原型相同，因此式（1）和式（2）統(tǒng)一簡(jiǎn)化為：

模型與原型的風(fēng)雪流作用時(shí)間以及幾何比例相同?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)不同時(shí)間段風(fēng)速有差異，在平均風(fēng)速大致相同的情況下，時(shí)間比尺僅可用于估算達(dá)到某一積雪程度的模型與原型的時(shí)間比。為避免關(guān)鍵構(gòu)件尺寸過小導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失真，部分小尺寸部件采用較大的縮尺比。Peterson 等［21］進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)灌木阻雪試驗(yàn)時(shí)，模型整體縮尺比采用了1∶20，灌木模型莖部采用更大縮尺比，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無明顯影響。

新疆京新高速公路（G7）伊吾-木壘段的護(hù)欄形式主要包括，波形梁護(hù)欄，纜索護(hù)欄以及某些特殊地段的無護(hù)欄形式。波形梁護(hù)欄是一種半剛性護(hù)欄，本條高速公路大量采用三波形梁護(hù)欄，梁高為506 mm，下部空隙離地高為444 mm，總高950 mm，適用于路側(cè)一至八級(jí)防護(hù)和中央分隔帶二至七級(jí)防護(hù)。纜索護(hù)欄是一種柔性護(hù)欄，由端部結(jié)構(gòu)、中間端部結(jié)構(gòu)、中間立柱、托架、纜索和索端錨具等組成。本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了三種模型，分別為無護(hù)欄路堤、波形梁護(hù)欄路堤以及纜索護(hù)欄路堤模型，路堤本體縮尺比采用1∶45，上部護(hù)欄采用1∶25縮尺比，如表1 所示。制作好的模型放置于戶外，2021年12月28日試驗(yàn)情況見圖1。

表1 路堤模型尺寸表Table 1 Model size of embankment

圖1 現(xiàn)場(chǎng)模型圖Fig.1 Site model diagram：embankment model without barrier（a）；embankment model with w-beam barrier（b）；embankment model with cable barrier（c）

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)方法

模型試驗(yàn)場(chǎng)地選在新疆京新高速公路（G7）駱駝井子互通收費(fèi)站附近，該處位于新疆哈密市巴里坤哈薩克自治縣西側(cè)約70 km，與G335 國道在此處相接。試驗(yàn)場(chǎng)地周圍地勢(shì)開闊平整，無遮擋物，降雪量適中，利于風(fēng)雪流發(fā)育。本研究在此處設(shè)立了風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站，通過近兩年的風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)結(jié)果，該地段主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，風(fēng)速較強(qiáng)且穩(wěn)定，滿足試驗(yàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的要求，如圖2 所示。測(cè)得試驗(yàn)時(shí)距離地面1.5 m 高處平均風(fēng)速為4.72 m·s-1，對(duì)比無護(hù)欄、波形梁護(hù)欄和纜索護(hù)欄路堤模型的風(fēng)速和積雪分布，模型間隔一定距離擺放，確保前后無明顯障礙物，如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地風(fēng)玫瑰圖Fig.2 Wind rose diagram of test site

圖3 模型試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.3 Model test site

為減輕模型端部的影響，選取模型中間橫截面測(cè)試風(fēng)速和積雪分布。積雪厚度的測(cè)量點(diǎn)間隔為2 cm，得到較為連續(xù)平滑的積雪輪廓。采用手持式皮托管風(fēng)速儀對(duì)路基模型橫斷面的不同高度的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)場(chǎng)地附近的風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備表明該測(cè)試時(shí)間段內(nèi)風(fēng)速基本保持穩(wěn)定。測(cè)量時(shí)將主機(jī)數(shù)值清零，皮托管全壓孔正對(duì)來流，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)讀取5 s 內(nèi)最大風(fēng)速和最小風(fēng)速，取兩者平均值，以盡量消除脈動(dòng)風(fēng)影響。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 為2021 年12 月28 日不同護(hù)欄模型路堤路面積雪覆蓋的試驗(yàn)效果，2022年1—2月重復(fù)進(jìn)行了3 次試驗(yàn)，得出類似的風(fēng)速及積雪分布規(guī)律。纜索護(hù)欄路堤與無護(hù)欄路堤的風(fēng)速和積雪分布結(jié)果相似，圖4 將僅對(duì)無護(hù)欄路堤與波形梁護(hù)欄路堤橫斷面的風(fēng)速和積雪厚度情況進(jìn)行比較，橫坐標(biāo)原點(diǎn)為模型中間位置，橫坐標(biāo)負(fù)半軸為上風(fēng)側(cè)，正半軸為下風(fēng)側(cè)。

由于測(cè)試時(shí)間和點(diǎn)位不同，圖4 中兩個(gè)風(fēng)速變化不進(jìn)行數(shù)值對(duì)比，而是了解其各自分布規(guī)律。無護(hù)欄的路面積雪主要分布邊坡兩側(cè)，坡腳位置為弱風(fēng)區(qū)，雪堆積較厚。上風(fēng)側(cè)邊坡積雪較多，路面基本無積雪，上風(fēng)側(cè)路肩風(fēng)速較坡腳位置處大，風(fēng)雪流不受阻礙通過整個(gè)路面。波形梁護(hù)欄路堤上風(fēng)側(cè)邊坡坡腳積雪厚度大，下風(fēng)側(cè)邊坡積雪厚度小且較均勻，路面積雪較多，風(fēng)速波動(dòng)較大。波形梁護(hù)欄路堤的路面上積雪輪廓與風(fēng)速分布基本吻合，上風(fēng)側(cè)半幅路面積雪起始位置對(duì)應(yīng)0 cm 高風(fēng)速最低點(diǎn)［圖4（b）］中橫坐標(biāo)-15 cm 左右），積雪厚度最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)1 cm 位置處（護(hù)欄下部空隙中部）為風(fēng)速最低點(diǎn)，下風(fēng)側(cè)半幅路面積雪厚度小且呈均勻分布狀態(tài)，積雪厚度分布與近地面風(fēng)速有很好的關(guān)聯(lián)性。

圖4 有無護(hù)欄路堤風(fēng)速積雪分布對(duì)比圖Fig.4 Comparison of wind speed and snow distribution of embankment with and without barrier：the wind and snow distribution on embankment without barrier on Dec.28，2021（a）；the wind and snow distribution on embankment with w-beam barrier on Jan.10，2022（b）

模型試驗(yàn)測(cè)得的波形梁護(hù)欄和纜索護(hù)欄路堤斷面的積雪分布情況如圖5 所示。其中，波形梁護(hù)欄路堤路面的積雪集中在上風(fēng)側(cè)半幅路面，下半幅路面有均勻的淺層積雪。而纜索護(hù)欄路堤的積雪集中在下風(fēng)側(cè)邊坡，原因是纜索護(hù)欄透風(fēng)率高，風(fēng)雪流能夠順利穿過路面，在下風(fēng)側(cè)邊坡坡腳處堆積，其路面積雪情況與無護(hù)欄的路堤形式相當(dāng)。

圖5 波形梁護(hù)欄與纜索護(hù)欄路堤模型積雪分布圖Fig.5 Snow distribution of embankment model with w-beam barrier and cable barrier

現(xiàn)場(chǎng)雪情調(diào)研顯示，2020 年冬季，新疆京新高速（G7）的BMTJ-5 標(biāo)K214～K216 尚處于建設(shè)期，路面已經(jīng)完工，尚未安裝護(hù)欄，此時(shí)風(fēng)雪流能夠穿過路面，路面沒有積雪存留，如圖6（a）所示。2021 年波形梁護(hù)欄與纜索護(hù)欄等交安設(shè)施完成施工，產(chǎn)生了不同于建設(shè)期的風(fēng)吹雪現(xiàn)象，此時(shí)波形梁護(hù)欄與纜索護(hù)欄積雪情況與上文模型試驗(yàn)結(jié)果相符，如圖6（b）所示。該圖左側(cè)為路堤上風(fēng)側(cè)，安裝了纜索護(hù)欄，中央分隔帶為波形梁護(hù)欄。風(fēng)雪流從左側(cè)穿過路面，因此左幅路面未存留明顯積雪，雪顆粒大量沉積在中央分隔帶右側(cè)即下風(fēng)側(cè)路面上。2021—2022年冬季對(duì)本條高速公路其他里程處調(diào)研發(fā)現(xiàn)較多類似情況出現(xiàn)，風(fēng)吹雪期間路面行車道上大量積雪，嚴(yán)重干擾車輛正常通行。因此，安裝波形梁護(hù)欄后大量雪顆粒沉積在護(hù)欄后側(cè)的路面行車道上，這成為加重高速公路路面風(fēng)吹雪災(zāi)害的主要原因。

圖6 路堤路面實(shí)際積雪情況Fig.6 Actual snow distribution on the expressway：the embankment surface without barrier（a）；the embankment surface with cable barrier at upwind site and w-beam barrier at central divider site（b）

2 流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 流體基本控制方程

數(shù)值模擬是研究風(fēng)吹雪的重要方法，以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析，具有成本低、便于改變研究參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)階段風(fēng)吹雪數(shù)值模擬研究多采用Fluent、CFX 等計(jì)算流體力學(xué)（CFD）求解器求解，一般分為單相流（空氣相）和兩相流（空氣相和雪相）模型。單向流模型模擬風(fēng)場(chǎng)分布，根據(jù)風(fēng)速變化判斷積雪位置；兩相流模型通過建立雪相和空氣相的關(guān)系，直接模擬呈現(xiàn)積雪形態(tài)，其一般分為歐拉-歐拉雙流體模型和歐拉-拉格朗日模型。大氣運(yùn)動(dòng)為湍流運(yùn)動(dòng)，單相流湍流模型較為成熟，與實(shí)際吻合較好。而風(fēng)吹雪兩相流模擬受固氣關(guān)系等影響大，導(dǎo)致護(hù)欄研究中局部位置易與實(shí)際產(chǎn)生偏差，因此，本文采用Fluent（2021R2版）單相流數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)中積雪分布相結(jié)合的研究方法。Fluent 計(jì)算需遵循質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。

（1）質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）

質(zhì)量守恒方程表述為單位時(shí)間內(nèi)流體微元增加的質(zhì)量等于流入該微元的凈質(zhì)量，如式（4）：

對(duì)于定常不可壓縮流動(dòng)，忽略密度ρ變化，連續(xù)性方程可表示為：

式中：t為時(shí)間；u、v、w分別是x、y、z方向上的速度分量。

（2）動(dòng)量守恒方程（N-S方程）

動(dòng)量守恒方程用于描述黏性流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，表述為微元流體動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外力矢量和，如式（6）～（8）：

式中：ρ為流體密度；p為流體微元壓力；μ為流體動(dòng)力黏度；Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)，表示為：

湍流數(shù)值模擬方法主要分為直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和雷諾平均N-S 方程（RANS）。前兩種方法計(jì)算量大，而本研究中主要關(guān)心平均流場(chǎng)變化，雷諾平均N-S 方程方法能夠滿足研究需要，是工程中最常用的方法。RANS 法湍流模型包括k-ω模型、k-ε模型和雷諾應(yīng)力模型等，根據(jù)需求，本文采用k-ε模型中的RNGk-ε模型，能模擬分離流、旋流等復(fù)雜流動(dòng)，對(duì)瞬變流和流線彎曲有較好應(yīng)用。

2.2 數(shù)值模擬工況及邊界條件

設(shè)置波形梁護(hù)欄的目的是降低車輛駛出路外的事故率，通常分為二波形梁護(hù)欄和三波型梁護(hù)欄兩類。二波形梁護(hù)欄主要適用于二至四級(jí)公路和部分一級(jí)公路，不滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)高速公路防護(hù)的要求，因此新建高速公路均不采用。三波形梁護(hù)欄適用于路側(cè)一至八級(jí)防護(hù)和中央分隔帶二至七級(jí)防護(hù)，被大部分高速公路采用。波形梁護(hù)欄是一種保障交通安全的交安設(shè)施，但在其應(yīng)用中缺少對(duì)風(fēng)雪流影響的考慮，波形梁護(hù)欄影響風(fēng)雪流運(yùn)動(dòng)的因素包括梁寬度和梁下部空隙（梁底部至路基面的高度）的大小。

取波形梁護(hù)欄和纜索護(hù)欄路堤的橫斷面進(jìn)行二維流場(chǎng)數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬中的模型尺寸與實(shí)際設(shè)計(jì)中的橫斷面尺寸一致。將三波形、二波形梁護(hù)欄和纜索護(hù)欄的數(shù)值計(jì)算模型簡(jiǎn)化，如圖7 所示，圖中尺寸單位為mm。

圖7 計(jì)算模型Fig.7 The calculation model：three w-beam barrier at roadside（a）；three w-beam barrier at medial divider（b）；two w-beam barrier at roadside（c）；two w-beam barrier at medial divider（d）；cable barrier（e）

路堤數(shù)值計(jì)算模型高為4 m，邊坡坡度為1∶1.5，上下邊界層網(wǎng)格尺寸采用適用于高雷諾數(shù)湍流模型的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算，取完全湍流區(qū)下限為30，計(jì)算得到近壁面網(wǎng)格高度約為0.1 m，網(wǎng)格增長(zhǎng)率為1.1，網(wǎng)格總數(shù)約為9×104個(gè)，如圖8所示。模型的入口邊界采用普朗特-馮卡曼對(duì)數(shù)形式風(fēng)速廓線：

圖8 路堤計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.8 Embankment computational model meshing

式中：u(y)為y高度的風(fēng)速；κ為卡曼常數(shù)，取0.4；u*為摩擦速度，取0.15 m·s-1；z0為3×10-5m［22］。

湍流動(dòng)能k和湍能耗散率：

式中：v為平均速度；I為湍流度，取7.5%；Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取0.09；l為湍流尺度，取0.07L，L為模型高度［23］。

模型的出口邊界采用自由流出口，這是因?yàn)槟M自然環(huán)境中氣流運(yùn)動(dòng)，下游氣流流動(dòng)對(duì)上游風(fēng)場(chǎng)無影響，因此無需關(guān)注出口邊界位置風(fēng)速分布。

數(shù)值模型的上邊界采用自由滑移壁面邊界，下邊界采用無滑移壁面邊界。

求解模型采用壓力-速度耦合的基于壓力的SIMPLE 方法，判定計(jì)算收斂的標(biāo)準(zhǔn)為各項(xiàng)參數(shù)殘差低于10-5。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

風(fēng)吹雪的雪粒大部分集中在2 m 高度以下，80%的雪粒在1 m 以下運(yùn)動(dòng)［24］，三波形梁護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)高度為0.95 m，涵蓋了大部分雪粒運(yùn)動(dòng)范圍，而其梁高度范圍在0.444～0.950 m，更是對(duì)運(yùn)動(dòng)的雪粒有直接的阻擋作用。高速公路在路側(cè)及中央分隔帶共設(shè)置4 道波形梁護(hù)欄。以1 m 高度風(fēng)速為4 m·s-1情況的零填挖地段和4 m 高路堤為例，風(fēng)吹雪經(jīng)過波形梁護(hù)欄路堤和纜索護(hù)欄路堤斷面的風(fēng)場(chǎng)分布如圖9所示。

由圖9（a）～（c）可見，路面近地面的風(fēng)速受上風(fēng)側(cè)第一道護(hù)欄影響最大，上風(fēng)側(cè)從坡腳至路肩處的邊坡對(duì)氣流有抬升作用，導(dǎo)致護(hù)欄前部氣流加速區(qū)范圍增大，風(fēng)速達(dá)到最高。與零填挖路基的護(hù)欄風(fēng)速比較，三波形梁護(hù)欄加速區(qū)范圍由4.0 m 增長(zhǎng)到7.5 m，最高風(fēng)速由4.34 m·s-1增長(zhǎng)為6.87 m·s-1，加速區(qū)后部范圍路面上整體風(fēng)速也大于零填挖地段護(hù)欄對(duì)應(yīng)位置的風(fēng)速。因此，增加路堤高度能夠提高路面上整體風(fēng)速。顯著的氣流加速區(qū)僅位于第一道護(hù)欄后側(cè)，圖10中三波形梁護(hù)欄底部加速區(qū)范圍比圖9（c）的二波形梁護(hù)欄約長(zhǎng)2 m，相應(yīng)三波形梁護(hù)欄上風(fēng)側(cè)弱風(fēng)區(qū)范圍小，積雪范圍小。下風(fēng)側(cè)半幅路面的二波形梁護(hù)欄對(duì)近地面風(fēng)速近乎無影響，風(fēng)速維持一定的水平，變化較??；三波形梁護(hù)欄近地面風(fēng)速進(jìn)一步降低，在路中央風(fēng)速有一定幅度回升，距離下風(fēng)路側(cè)護(hù)欄約1/3 處風(fēng)速達(dá)極大值而后減小。設(shè)置二波形梁護(hù)欄的路面近地面風(fēng)速波動(dòng)較小，整體風(fēng)速較三波形梁護(hù)欄路面大，理論上風(fēng)吹雪的積雪量較少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，相鄰的奇木高速設(shè)置了二波形梁護(hù)欄，相比設(shè)置三波形梁護(hù)欄的新疆京新高速伊吾至木壘段，路面總體積雪量少，風(fēng)吹雪造成的交通封閉時(shí)間較短。

設(shè)置纜索護(hù)欄的路面風(fēng)速分布如圖9（d）所示，相比設(shè)置三波形梁護(hù)欄的路面風(fēng)速起伏變化的情況，纜索護(hù)欄路堤斷面的風(fēng)速在全幅路面均保持較大值，基本不受護(hù)欄影響，路面最大風(fēng)速位于上風(fēng)側(cè)邊坡的路肩位置。

圖9 風(fēng)速分布云圖Fig.9 Wind speed distribution cloud map：zero embankment section with w-beam barrier（a）；embankment section with three w-beam barrier（b）；embankment with two w-beam barrier（c）；embankment with cable barrier（d）

2021 年11 月20 日新疆京新高速公路沿線降雪，雪后隨除雪車對(duì)下澇壩至大浪沙區(qū)段K203～K2 19 進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。圖10（a）為無護(hù)欄與波形梁護(hù)欄交界處，來流方向?yàn)橛覀?cè)，無護(hù)欄區(qū)風(fēng)雪流能夠通過，路面積雪較少，而前方波形梁護(hù)欄的路幅中積雪多。圖10（b）來流方向?yàn)樽髠?cè)，受中央分隔帶波形梁護(hù)欄影響，積雪集中在右幅路面。上述積雪分布與數(shù)值模擬計(jì)算中不同風(fēng)速引起積雪厚度不同的規(guī)律是對(duì)應(yīng)和吻合的。

圖10 K205附近不同護(hù)欄影響下的積雪分布圖Fig.10 Snow distribution under different barriers’ influence near K205：the upwind direction is from the right（a）；the upwind direction is from the left（b）

3 減小波形梁護(hù)欄對(duì)高速公路風(fēng)吹雪災(zāi)害影響的相關(guān)措施

考慮到全球氣候變化復(fù)雜的大趨勢(shì)，極端氣候?qū)е卤?zāi)害和危險(xiǎn)程度持續(xù)增加，已有氣象資料表明近十年以來，新疆東部天山北麓伊吾、巴里坤和木壘的年降雪量變化很大，在本工程修建的2019—2021 年屬于降雪量較少的年份。因此，為保證本路線的長(zhǎng)期安全運(yùn)營，需要以動(dòng)態(tài)思維指導(dǎo)路線防治風(fēng)吹雪措施的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

根據(jù)本文進(jìn)行的模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬及新疆京新高速公路（G7）2021 年6 月30 日通車以來經(jīng)歷第一個(gè)冬季的現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)吹雪情況調(diào)研，從定性和定量的角度對(duì)波形梁護(hù)欄加深風(fēng)吹雪災(zāi)害有了更深入的了解，如何改進(jìn)、更換或采取其他措施來防治高速公路的風(fēng)吹雪災(zāi)害是需要解決的實(shí)際問題。通過參考《新疆公路雪害防治技術(shù)規(guī)范》（DB65/T 4185—2019）、《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）以及《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)及設(shè)置要求》（JTG D81—2017）的有關(guān)規(guī)定，了解到目前已有科研和生產(chǎn)單位研制出SB 級(jí)地錨式自張拉纜索護(hù)欄滿足上述規(guī)范要求，可作為雪害地區(qū)的路側(cè)及中央分隔帶防護(hù)措施，且已在新疆克塔高速公路上應(yīng)用，為新疆京新高速公路伊吾至木壘段波形梁護(hù)欄的改進(jìn)或更換提供了借鑒。此外，在不具備更換條件的地段，還可考慮在路線一定位置設(shè)置防雪柵、擋雪板、擋雪墻或防雪網(wǎng)等防（擋）雪措施，以保障冬季路線安全運(yùn)營。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)高速公路波形梁護(hù)欄加深道路風(fēng)吹雪災(zāi)害、阻礙高速公路通行及加大運(yùn)營除雪保暢工作難度的現(xiàn)狀，采用現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)方法得到了不同護(hù)欄類型下的路堤路面不同位置的風(fēng)速和積雪分布規(guī)律，這些規(guī)律與勘察設(shè)計(jì)及施工階段的認(rèn)識(shí)存在不同，可為今后本條高速公路冬季安全運(yùn)營及后續(xù)在新疆風(fēng)吹雪多發(fā)地區(qū)建設(shè)高速公路時(shí)提供參考。

（2）數(shù)值模擬從路面的近地面流場(chǎng)變化角度闡述了波形梁護(hù)欄引起路面積雪的原理。波形梁護(hù)欄是引起路堤路面風(fēng)吹雪災(zāi)害的主要原因，因其設(shè)置在路基面兩側(cè)路肩處或中央分隔帶處，風(fēng)雪流從路基坡腳處增速，到達(dá)路肩處通過波形梁護(hù)欄下部空隙運(yùn)動(dòng)至路面，波形梁護(hù)欄對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，出現(xiàn)弱風(fēng)區(qū)，導(dǎo)致大量雪粒沉積在路面上。尤其當(dāng)波形梁護(hù)欄下部空隙被雪填滿后，波形梁后側(cè)的路面積雪覆蓋行車道，嚴(yán)重影響公路通行能力，而不設(shè)置護(hù)欄或者設(shè)置纜索護(hù)欄的地段有利于風(fēng)雪流通過。

（3）模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果較好吻合，考慮到工程實(shí)際以及未來全球氣候變化對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懙牟淮_定性，為更好防范高速公路運(yùn)營期間風(fēng)吹雪影響路面通行的問題，給出了在風(fēng)吹雪災(zāi)害嚴(yán)重地段將波形梁護(hù)欄更換為符合安全要求的纜索護(hù)欄的初步建議。