高速公路波形梁護欄對風吹雪災害的影響研究

魏佳北

（中鐵建蘇州設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

風吹雪也稱風雪流，是積雪在風力的作用下沿流向輸運的一種常見自然現象［1］，在全球分布廣泛，頻繁發生，對自然環境和社會經濟的影響很大，其涉及到風場-雪顆粒-溫度-濕度場的多場耦合，且具有隨機性和多尺度的科學共性，至今尚缺乏系統化的解決方法［2-4］。我國新疆阿爾泰山和天山西部、北部及東北地區是風吹雪現象高發地區［5］，風吹雪對道路交通的影響體現在降低行車能見度和導致路面大量積雪中斷交通。新疆地區道路沿線風吹雪災害呈現出“點多線長面廣”且時空分布不均勻的特點。由于早期道路建設等級低，缺少針對性的防雪設施，風吹雪發生時多采取封閉道路的方式來清除雪害。近年來，我國西部地區大力開展交通基礎設施建設，寒區的高速公路具有等級高、運營條件嚴格、受風吹雪影響大的特點，因此在高速公路工程設計、建設與運營全生命周期中，風吹雪災害防治是需引起重視和亟待解決的現實問題。

風吹雪作為世界性難題，在國外研究的百年歷史中，主要側重于風吹雪機理等基礎理論和交通風雪災害防治技術應用。例如，一些國外學者在南北極附近以及加拿大、瑞士等地測試了風吹雪發生時的風速、風向、溫濕度、雪粒濃度、風吹雪頻率、風吹雪輸運總量和懸移通量等參數［6-10］，在交通防雪工程中采用擋雪墻、防雪柵欄以及防雪網等措施［11］，均可為防雪工程設計提供借鑒。我國對風吹雪的研究始于20 世紀60 年代。1967 年，中國科學院蘭州冰川凍土研究所和蘭州沙漠研究所（現為中國科學院西北生態環境資源研究院）、新疆交通廳公路管理局、中國科學院新疆地理研究所（現為中國科學院新疆生態與地理研究所）等單位系統開展了天山風雪流的野外觀測和風洞模擬實驗研究，得出了天山西部山區雪粒起動速度、時空分布與運動特征，提出了不同地形地貌和路基形式的風雪流場結構及防雪技術。隨后與新疆、黑龍江、西藏等?。▍^）交通廳和農牧廳共同研究了我國西北、西南和東北地區的風雪流。2002 年，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所（現為中國科學院西北生態環境資源研究院）主持的“中國天山公路風吹雪研究和大型創新防治工程”項目獲國家科學技術進步獎二等獎，發明的造價低、利用自然風力吹走路面積雪和吹刮寬度更大的透風式下導風等新技術，在新疆218 國道天山艾肯達坂成功實施［12］。2002—2006年，內蒙古錫林郭勒盟交通科學研究所、黑龍江省交通科學研究所、新疆生產建設兵團勘測設計院公路勘察設計分院開展了“公路風吹雪雪害防治技術研究”，在風吹雪形成機理、運動規律、時空分布及其災害防治等方面取得較多成果［13］。近年來，高寒地區大量的交通基礎設施建設和運營中面臨的風吹雪問題逐漸增多，因此在風吹雪基礎理論及工程應用上的研究進展較快，例如，張家平等［14］通過現場調研發現地面起伏對地表風速流場改變影響較大，山地較丘陵發生風吹雪災害頻率大，平原發生風吹雪可能性較??；施佳譽等［15］分析了白茫雪山走廊段的雪阻災害，得出道路周邊地形和植被覆蓋情況影響風吹雪災害形成，以及迎風半路塹和全路塹路基會加劇風吹雪災害的結論；劉慶寬等［16］基于模型試驗和數值分析認為路堤迎風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°；陳領等［17］基于風洞試驗研究了青藏高原公路路基周邊風場特征等，上述成果為道路工程防風吹雪設計提供了理論支持。

風吹雪的發生受多種因素制約，包括地形地貌、風場條件、地面粗糙度、降雪量以及雪的物理力學性質等，對于風吹雪多發地區的高速公路而言，近年來由于波形梁護欄導致的道路路面積雪問題更加突出［18-19］，但是目前尚缺乏對波形梁護欄這種高速公路附屬設施加深風吹雪災害的深入研究。本文基于新疆京新高速公路（G7）實際，采用模型試驗、數值分析和現場調研的方法，研究了波形梁護欄對高速公路風吹雪的影響，并根據高速公路波形梁護欄的安全防護要求，結合新疆其他高速公路護欄應用情況，給出采用新型纜索護欄或者增設防雪柵和擋雪板等防雪設施的建議。

1 現場模型試驗

1.1 試驗原理及相似性

現場模型試驗一般通過小比例尺模型試驗獲取相關數據，其具有實際結構的部分特征，與采用模擬雪介質和恒定風場的室內風洞試驗以及現場實體工程試驗相比，在野外風雪環境中開展風吹雪現場模型試驗的主要優點有：可以控制主要試驗參數而不受環境條件的限制與影響，便于改變試驗參數并進行對比等。Tabler［20］在1986 年進行了6 cm高的擋雪板縮尺模型與實際3.8 m 高的擋雪板對比試驗，結果表明二者積雪形狀幾何相似。這為現場采用縮小比例模型研究風吹雪積雪問題提供了思路。

本研究將模型和實際結構物風吹雪形成的時間對應，以滿足時間尺度相似。根據風洞試驗中的雪粒運動時間相似，即基于顆粒的漂移質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p和m分別代表原型與模型；L是幾何長度。

由于現場試驗中風速u、顆粒密度ρ、模型ρp與原型相同，因此式（1）和式（2）統一簡化為：

模型與原型的風雪流作用時間以及幾何比例相同?？紤]到現場不同時間段風速有差異，在平均風速大致相同的情況下，時間比尺僅可用于估算達到某一積雪程度的模型與原型的時間比。為避免關鍵構件尺寸過小導致試驗結果失真，部分小尺寸部件采用較大的縮尺比。Peterson 等［21］進行現場灌木阻雪試驗時，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，對試驗結果無明顯影響。

新疆京新高速公路（G7）伊吾-木壘段的護欄形式主要包括，波形梁護欄，纜索護欄以及某些特殊地段的無護欄形式。波形梁護欄是一種半剛性護欄，本條高速公路大量采用三波形梁護欄，梁高為506 mm，下部空隙離地高為444 mm，總高950 mm，適用于路側一至八級防護和中央分隔帶二至七級防護。纜索護欄是一種柔性護欄，由端部結構、中間端部結構、中間立柱、托架、纜索和索端錨具等組成。本文根據實際應用，設計了三種模型，分別為無護欄路堤、波形梁護欄路堤以及纜索護欄路堤模型，路堤本體縮尺比采用1∶45，上部護欄采用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日試驗情況見圖1。

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

圖1 現場模型圖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 試驗場地及試驗方法

模型試驗場地選在新疆京新高速公路（G7）駱駝井子互通收費站附近，該處位于新疆哈密市巴里坤哈薩克自治縣西側約70 km，與G335 國道在此處相接。試驗場地周圍地勢開闊平整，無遮擋物，降雪量適中，利于風雪流發育。本研究在此處設立了風場監測站，通過近兩年的風速風向監測結果，該地段主導風向為西北風，風速較強且穩定，滿足試驗對風場的要求，如圖2 所示。測得試驗時距離地面1.5 m 高處平均風速為4.72 m·s-1，對比無護欄、波形梁護欄和纜索護欄路堤模型的風速和積雪分布，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 試驗場地風玫瑰圖Fig.2 Wind rose diagram of test site

圖3 模型試驗場地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試風速和積雪分布。積雪厚度的測量點間隔為2 cm，得到較為連續平滑的積雪輪廓。采用手持式皮托管風速儀對路基模型橫斷面的不同高度的風速進行測量，試驗場地附近的風場監測設備表明該測試時間段內風速基本保持穩定。測量時將主機數值清零，皮托管全壓孔正對來流，待數據穩定時讀取5 s 內最大風速和最小風速，取兩者平均值，以盡量消除脈動風影響。

1.3 試驗結果分析

圖1 為2021 年12 月28 日不同護欄模型路堤路面積雪覆蓋的試驗效果，2022年1—2月重復進行了3 次試驗，得出類似的風速及積雪分布規律。纜索護欄路堤與無護欄路堤的風速和積雪分布結果相似，圖4 將僅對無護欄路堤與波形梁護欄路堤橫斷面的風速和積雪厚度情況進行比較，橫坐標原點為模型中間位置，橫坐標負半軸為上風側，正半軸為下風側。

由于測試時間和點位不同，圖4 中兩個風速變化不進行數值對比，而是了解其各自分布規律。無護欄的路面積雪主要分布邊坡兩側，坡腳位置為弱風區，雪堆積較厚。上風側邊坡積雪較多，路面基本無積雪，上風側路肩風速較坡腳位置處大，風雪流不受阻礙通過整個路面。波形梁護欄路堤上風側邊坡坡腳積雪厚度大，下風側邊坡積雪厚度小且較均勻，路面積雪較多，風速波動較大。波形梁護欄路堤的路面上積雪輪廓與風速分布基本吻合，上風側半幅路面積雪起始位置對應0 cm 高風速最低點［圖4（b）］中橫坐標-15 cm 左右），積雪厚度最高點對應1 cm 位置處（護欄下部空隙中部）為風速最低點，下風側半幅路面積雪厚度小且呈均勻分布狀態，積雪厚度分布與近地面風速有很好的關聯性。

圖4 有無護欄路堤風速積雪分布對比圖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）

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

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

現場雪情調研顯示，2020 年冬季，新疆京新高速（G7）的BMTJ-5 標K214～K216 尚處于建設期，路面已經完工，尚未安裝護欄，此時風雪流能夠穿過路面，路面沒有積雪存留，如圖6（a）所示。2021 年波形梁護欄與纜索護欄等交安設施完成施工，產生了不同于建設期的風吹雪現象，此時波形梁護欄與纜索護欄積雪情況與上文模型試驗結果相符，如圖6（b）所示。該圖左側為路堤上風側，安裝了纜索護欄，中央分隔帶為波形梁護欄。風雪流從左側穿過路面，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即下風側路面上。2021—2022年冬季對本條高速公路其他里程處調研發現較多類似情況出現，風吹雪期間路面行車道上大量積雪，嚴重干擾車輛正常通行。因此，安裝波形梁護欄后大量雪顆粒沉積在護欄后側的路面行車道上，這成為加重高速公路路面風吹雪災害的主要原因。

圖6 路堤路面實際積雪情況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 流場數值模擬

2.1 流體基本控制方程

數值模擬是研究風吹雪的重要方法，以流體力學理論為基礎，建立數學模型進行計算分析，具有成本低、便于改變研究參數等優點?，F階段風吹雪數值模擬研究多采用Fluent、CFX 等計算流體力學（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。單向流模型模擬風場分布，根據風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系，直接模擬呈現積雪形態，其一般分為歐拉-歐拉雙流體模型和歐拉-拉格朗日模型。大氣運動為湍流運動，單相流湍流模型較為成熟，與實際吻合較好。而風吹雪兩相流模擬受固氣關系等影響大，導致護欄研究中局部位置易與實際產生偏差，因此，本文采用Fluent（2021R2版）單相流數值模擬與模型試驗中積雪分布相結合的研究方法。Fluent 計算需遵循質量守恒定律和動量守恒定律。

（1）質量守恒方程（連續性方程）

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

對于定常不可壓縮流動，忽略密度ρ變化，連續性方程可表示為：

式中：t為時間；u、v、w分別是x、y、z方向上的速度分量。

（2）動量守恒方程（N-S方程）

動量守恒方程用于描述黏性流體運動規律，表述為微元流體動量對時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為流體動力黏度；Su、Sv、Sw為動量守恒方程的廣義源項，表示為：

湍流數值模擬方法主要分為直接數值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和雷諾平均N-S 方程（RANS）。前兩種方法計算量大，而本研究中主要關心平均流場變化，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模型和雷諾應力模型等，根據需求，本文采用k-ε模型中的RNGk-ε模型，能模擬分離流、旋流等復雜流動，對瞬變流和流線彎曲有較好應用。

2.2 數值模擬工況及邊界條件

設置波形梁護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欄和三波型梁護欄兩類。二波形梁護欄主要適用于二至四級公路和部分一級公路，不滿足現行規范對高速公路防護的要求，因此新建高速公路均不采用。三波形梁護欄適用于路側一至八級防護和中央分隔帶二至七級防護，被大部分高速公路采用。波形梁護欄是一種保障交通安全的交安設施，但在其應用中缺少對風雪流影響的考慮，波形梁護欄影響風雪流運動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。

取波形梁護欄和纜索護欄路堤的橫斷面進行二維流場數值模擬研究，數值模擬中的模型尺寸與實際設計中的橫斷面尺寸一致。將三波形、二波形梁護欄和纜索護欄的數值計算模型簡化，如圖7 所示，圖中尺寸單位為mm。

圖7 計算模型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）

路堤數值計算模型高為4 m，邊坡坡度為1∶1.5，上下邊界層網格尺寸采用適用于高雷諾數湍流模型的標準壁面函數計算，取完全湍流區下限為30，計算得到近壁面網格高度約為0.1 m，網格增長率為1.1，網格總數約為9×104個，如圖8所示。模型的入口邊界采用普朗特-馮卡曼對數形式風速廓線：

圖8 路堤計算模型網格劃分Fig.8 Embankment computational model meshing

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

湍流動能k和湍能耗散率：

式中：v為平均速度；I為湍流度，取7.5%；Cμ為經驗常數，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，這是因為模擬自然環境中氣流運動，下游氣流流動對上游風場無影響，因此無需關注出口邊界位置風速分布。

數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，判定計算收斂的標準為各項參數殘差低于10-5。

2.3 數值模擬結果及分析

風吹雪的雪粒大部分集中在2 m 高度以下，80%的雪粒在1 m 以下運動［24］，三波形梁護欄整體結構高度為0.95 m，涵蓋了大部分雪粒運動范圍，而其梁高度范圍在0.444～0.950 m，更是對運動的雪粒有直接的阻擋作用。高速公路在路側及中央分隔帶共設置4 道波形梁護欄。以1 m 高度風速為4 m·s-1情況的零填挖地段和4 m 高路堤為例，風吹雪經過波形梁護欄路堤和纜索護欄路堤斷面的風場分布如圖9所示。

由圖9（a）～（c）可見，路面近地面的風速受上風側第一道護欄影響最大，上風側從坡腳至路肩處的邊坡對氣流有抬升作用，導致護欄前部氣流加速區范圍增大，風速達到最高。與零填挖路基的護欄風速比較，三波形梁護欄加速區范圍由4.0 m 增長到7.5 m，最高風速由4.34 m·s-1增長為6.87 m·s-1，加速區后部范圍路面上整體風速也大于零填挖地段護欄對應位置的風速。因此，增加路堤高度能夠提高路面上整體風速。顯著的氣流加速區僅位于第一道護欄后側，圖10中三波形梁護欄底部加速區范圍比圖9（c）的二波形梁護欄約長2 m，相應三波形梁護欄上風側弱風區范圍小，積雪范圍小。下風側半幅路面的二波形梁護欄對近地面風速近乎無影響，風速維持一定的水平，變化較??；三波形梁護欄近地面風速進一步降低，在路中央風速有一定幅度回升，距離下風路側護欄約1/3 處風速達極大值而后減小。設置二波形梁護欄的路面近地面風速波動較小，整體風速較三波形梁護欄路面大，理論上風吹雪的積雪量較少。據統計，相鄰的奇木高速設置了二波形梁護欄，相比設置三波形梁護欄的新疆京新高速伊吾至木壘段，路面總體積雪量少，風吹雪造成的交通封閉時間較短。

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

圖9 風速分布云圖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，雪后隨除雪車對下澇壩至大浪沙區段K203～K2 19 進行了現場調研。圖10（a）為無護欄與波形梁護欄交界處，來流方向為右側，無護欄區風雪流能夠通過，路面積雪較少，而前方波形梁護欄的路幅中積雪多。圖10（b）來流方向為左側，受中央分隔帶波形梁護欄影響，積雪集中在右幅路面。上述積雪分布與數值模擬計算中不同風速引起積雪厚度不同的規律是對應和吻合的。

圖10 K205附近不同護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 減小波形梁護欄對高速公路風吹雪災害影響的相關措施

考慮到全球氣候變化復雜的大趨勢，極端氣候導致冰雪災害和危險程度持續增加，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，為保證本路線的長期安全運營，需要以動態思維指導路線防治風吹雪措施的設計和優化。

根據本文進行的模型試驗、數值模擬及新疆京新高速公路（G7）2021 年6 月30 日通車以來經歷第一個冬季的現場風吹雪情況調研，從定性和定量的角度對波形梁護欄加深風吹雪災害有了更深入的了解，如何改進、更換或采取其他措施來防治高速公路的風吹雪災害是需要解決的實際問題。通過參考《新疆公路雪害防治技術規范》（DB65/T 4185—2019）、《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）以及《公路交通安全設施設計規范設計及設置要求》（JTG D81—2017）的有關規定，了解到目前已有科研和生產單位研制出SB 級地錨式自張拉纜索護欄滿足上述規范要求，可作為雪害地區的路側及中央分隔帶防護措施，且已在新疆克塔高速公路上應用，為新疆京新高速公路伊吾至木壘段波形梁護欄的改進或更換提供了借鑒。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置防雪柵、擋雪板、擋雪墻或防雪網等防（擋）雪措施，以保障冬季路線安全運營。

4 結論

（1）針對高速公路波形梁護欄加深道路風吹雪災害、阻礙高速公路通行及加大運營除雪保暢工作難度的現狀，采用現場模型試驗方法得到了不同護欄類型下的路堤路面不同位置的風速和積雪分布規律，這些規律與勘察設計及施工階段的認識存在不同，可為今后本條高速公路冬季安全運營及后續在新疆風吹雪多發地區建設高速公路時提供參考。

（2）數值模擬從路面的近地面流場變化角度闡述了波形梁護欄引起路面積雪的原理。波形梁護欄是引起路堤路面風吹雪災害的主要原因，因其設置在路基面兩側路肩處或中央分隔帶處，風雪流從路基坡腳處增速，到達路肩處通過波形梁護欄下部空隙運動至路面，波形梁護欄對近地面風場產生擾動，出現弱風區，導致大量雪粒沉積在路面上。尤其當波形梁護欄下部空隙被雪填滿后，波形梁后側的路面積雪覆蓋行車道，嚴重影響公路通行能力，而不設置護欄或者設置纜索護欄的地段有利于風雪流通過。

（3）模型試驗和數值模擬結果與現場調研結果較好吻合，考慮到工程實際以及未來全球氣候變化對當地氣候影響的不確定性，為更好防范高速公路運營期間風吹雪影響路面通行的問題，給出了在風吹雪災害嚴重地段將波形梁護欄更換為符合安全要求的纜索護欄的初步建議。