高速公路交通噪聲仿真模擬及聲屏障設(shè)計研究

劉月紅，程為波，李國旗

（1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟南250031；2.山東省環(huán)境保護科學研究設(shè)計院，山東 濟南250013）

高速公路方便了人們出行，加速了物流，在拉動經(jīng)濟的同時，交通噪聲污染問題也相當嚴重。沿線居民深受影響，易出現(xiàn)諸如聽力損傷、失眠、情緒暴躁等癥狀。因此，如何防治交通噪聲污染，應當引起足夠的重視。

不少學者對交通噪聲強度、特點、傳播規(guī)律等做過相關(guān)研究[1－4]。除現(xiàn)場實測外，也有采用數(shù)學計算公式法或計算機仿真數(shù)學模型分析噪聲污染分布特點[5－6]。湖南大學翟云波[7]等根據(jù)高速公路周邊噪聲敏感點的分布特點，構(gòu)建真實的模擬場景。李彥[8]等系統(tǒng)地分析了聲屏障設(shè)計過程中需要考慮的問題，以及跨專業(yè)的綜合應用。重慶交通大學陳永光[9]等針對不同頂部造型的聲屏障，采用聲學軟件對聲屏障的降噪效果進行模擬。唐松林[10]以道路噪聲實測數(shù)據(jù)為依據(jù)利用有限元方法綜合分析了不同高度聲屏障對不同頻段道路噪聲的抑制作用。徐志勝[11]建立了基于Cadna/A軟件的高速鐵路噪聲預測模型。李方園[12]、陳淑燕[13]等分析了交通噪聲的危害及防治措施，李妍[14]論證了聲屏障的降噪效果。

本文針對某高速公路及其西側(cè)向陽村，以道路中心線外200m范圍的居住建筑為研究對象[15]。首先對向陽村晝間和夜間噪聲背景值進行現(xiàn)場監(jiān)測[16]和分析。然后采用Cadna/A噪聲模擬軟件建立噪聲預測模型分析交通噪聲達標距離及傳播衰減規(guī)律。再將環(huán)境噪聲背景值與交通噪聲貢獻值進行能量疊加計算，研究噪聲污染特點及發(fā)展趨勢。最終確定采用聲屏障來降低噪聲污染對居民生活的影響，并計算確定聲屏障設(shè)計參數(shù)。根據(jù)仿真模擬分析結(jié)果，提出應進行跟蹤監(jiān)測及預留資金安裝隔聲窗的建議。

1 工程概況

高速公路設(shè)計車速為120km/h，雙向四車道，路基寬度為28m。對2014年通行車輛監(jiān)測，分析了小貨車、中貨車、小客車、大客車等各種車輛所占比例。通過對中貨車、大貨車、拖掛車等按重量折算，分別得到2014年和2028年小、中及大型車的交通數(shù)量。根據(jù)觀測站車流量統(tǒng)計結(jié)果，按照晝間16 h與全天24h車流量之比得出晝間系數(shù)。具體數(shù)值如表1所示。

表1 高速公路交通數(shù)量表 單位:輛/h

向陽村位于高速公路西側(cè)，沿道路方向延伸側(cè)對道路，長度為350m。最前排四戶距離道路中心線約60m，其它位于130m之外。該村地勢低于高速公路，全年主導風向是SSW風。該村全部為磚瓦結(jié)構(gòu)的平房。該區(qū)域執(zhí)行《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[17]（GB3096－2008）中2類標準，即晝間60dB（A），夜間50dB（A）。

向陽村與高速公路位置關(guān)系圖如圖1所示，分別為衛(wèi)星地圖和實測地形。

圖1 向陽村與公路位置關(guān)系地圖

2 聲環(huán)境背景值監(jiān)測

（1）監(jiān)測項目:L10、L50、L90、等效連續(xù) A 聲級Leq

（2）監(jiān)測方法:將高速公路中心線兩側(cè)200m以內(nèi)范圍作為研究對象。測量方法按《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[17]（GB3096－2008）及有關(guān)測量規(guī)范規(guī)定執(zhí)行。監(jiān)測時間分別在晝間（6∶00～18∶00）和夜間（22∶00～次日6∶00）進行。測量期間無雨雪，風力小于5m/s，將傳聲器加戴防風罩。為保證測量結(jié)果的準確性，在等效的情況下，至少在各測點測量3次。

（3）評價方法:《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[17]（GB3096－2008）中2類標準噪聲值為晝間60dB（A），夜間50dB（A）。對晝間和夜間等效連續(xù)A聲級Leq與標準值作差比較。聲環(huán)境背景監(jiān)測數(shù)值及評價結(jié)果如表2所示。正值表示監(jiān)測值高于標準值；負值表示監(jiān)測值低于標準值。

表2 噪聲背景值監(jiān)測數(shù)值及評價結(jié)果 單位:dB（A）

從表2可以看出，向陽村晝間聲環(huán)境背景值為51dB（A），比標準值低9dB（A）；夜間聲環(huán)境背景值為43.1dB（A），比標準值低6.9dB（A）。可見，向陽村晝、夜間聲環(huán)境噪聲均能夠滿足《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[17]（GB3096－2008）中2類標準，不存在噪聲污染問題。

3 交通噪聲仿真模擬

為了更全面掌握向陽村交通噪聲污染情況，采用Cadna/A噪聲模擬軟件進行環(huán)境噪聲計算機仿真模擬。

本文Cadna/A仿真計算模型采用的參數(shù)為:（1）技術(shù)標準:高速公路，雙向四車道，全路封閉；（2）車流量與車型比:2014年及2028年各種車型交通量見表1所示；（3）設(shè)計車速:120km/h；（4）道路寬度:路基寬度28m，行車道寬19.5m（含中央分隔帶3.5m）；（5）房屋高度:均為平房，高度取4.5m。仿真模擬成果如圖2～圖5所示，以不同顏色表示不同噪聲水平。顏色越深，噪聲污染越嚴重。

圖2 2014年晝間噪聲疊加值等值線圖

圖3 2014年夜間噪聲疊加值等值線圖

從圖2～圖5中可以看出，要滿足《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[17]（GB3096－2008）中2類標準，高速公路空曠地域噪聲達標距離:2014年晝間約為70m，夜間約為260m；2028年晝間約為100m，夜間約為390 m。可見，夜間噪聲達標距離大于晝間噪聲達標距離，2028年噪聲達標距離大于2014年噪聲達標距離。

圖4 2028年晝間噪聲疊加值等值線圖

圖5 2028年夜間噪聲疊加值等值線圖

在與道路垂直方向，隨著距離增大，噪聲值逐漸衰減。第一排的四戶居民受噪聲污染較重。由于建筑物的遮蔽作用和距離衰減使得位于第一排之后的建筑物噪聲污染減弱。

2014年晝間和夜間交通噪聲貢獻值分別為61.5dB（A）和60.0dB（A）；2028年晝間和夜間交通噪聲貢獻值分別為64.7dB（A）和63.2dB（A）。由此可以預測，隨著高速公路運營時間延續(xù)，交通流量越來越大，噪聲達標距離會越來越大，噪聲污染也會越發(fā)嚴重。

4 交通噪聲疊加值計算

參照《環(huán)境影響評價技術(shù)導則聲環(huán)境》[15]（HJ 2.4—2009）提供的公路交通運輸噪聲公式計算方法，將機動車分為大、中、小車，采用公式（1），將其交通噪聲聲壓級值進行疊加計算。

式中:Leq為聲環(huán)境敏感點接收到的噪聲（dB（A））；Leqb為大型車輛在聲環(huán)境敏感點的交通噪聲（dB（A））；Leqm為中型車輛在聲環(huán)境敏感點的交通噪聲（dB（A））；Leqs為小型車輛在聲環(huán)境敏感點的交通噪聲（dB（A））。

采用公式（1）分別計算了2014年和2028年向陽村晝間、夜間環(huán)境噪聲疊加值。將疊加值與《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[17]（GB3096－2008）中標準值作差計算噪聲超標值。正值表示噪聲疊加值高于標準值；負值表示噪聲疊加值低于標準值。噪聲疊加值及評價結(jié)果如表3所示。

表3 環(huán)境噪聲疊加值與評價結(jié)果 單位:dB（A）

從表3可以看出，2014年晝、夜間及2028年晝、夜間交通噪聲聲壓級值分別為61.9dB（A）、60.1dB（A）和64.9dB（A）、63.2dB（A）；噪聲超標值分別為1.9dB（A）、10.1dB（A）和4.9dB（A）、13.2 dB（A）。向陽村聲環(huán)境已經(jīng)不滿足《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[17]（GB3096－2008）中2類標準要求，出現(xiàn)噪聲污染問題。2014年夜間交通噪聲超標值比晝間交通噪聲超標值高8.2dB（A）；2028年夜間交通噪聲超標值比晝間交通噪聲超標值高8.3dB（A），可見夜間噪聲污染重于晝間。2028年比2014年的晝間及夜間的超標值分別增長3dB（A）和3.1dB（A）。隨著交通量增大，噪聲超標值呈上漲趨勢，噪聲污染呈嚴重趨勢。因此，需要采取措施降噪措施。

5 聲屏障的設(shè)置

聲屏障是設(shè)置于噪聲污染源和聲環(huán)境敏感點之間的聲學障板，利用其后的影區(qū)達到降噪的目的。聲屏障的材質(zhì)、高度、長度、設(shè)置位置直接決定降噪效果。聲屏障的降噪效果用插入損失ΔL表示，可用公式（2）計算。聲屏障設(shè)置長度采用公式（3）計算。）式中:ΔL為插入損失（dB（A））；LP1為安裝聲屏障前受聲點的聲壓級（dB（A））；LP2為安裝聲屏障后受聲點的聲壓級（dB（A））。

式中:L為聲屏障的總長度（m）；L1為聲屏障的端部長度（m）；L2為聲環(huán)境敏感保護區(qū)長度（m）；H為接收點至聲屏障的垂直距離（m）。

由計算及仿真模擬結(jié)果可知，若要滿足噪聲污染防治需求，插入損失ΔL至少為13dB（A），向陽村沿高速公路方式長度為350m，通行車輛至聲屏障距離約為5m，采用公式（3）可計算得到向陽村應設(shè)置的聲屏障長度為490m。

聲屏障采用3.2m高弧形結(jié)構(gòu)，地面以上1.7 m至頂端采用百葉窗式吸聲屏以增強降噪效果。聲屏障的降噪結(jié)構(gòu)及立柱采用除銹防腐措施，以防止酸雨等對結(jié)構(gòu)造成破壞，延長使用壽命。聲屏障設(shè)計圖如圖6所示。

國家環(huán)保部[2010]7號文《地面交通噪聲污染防治技術(shù)政策》指出:“地面交通設(shè)施的建設(shè)或運行造成噪聲敏感建筑物室外環(huán)境超標，如采取室外達標技術(shù)手段不可行，應考慮對噪聲敏感建筑物采取被動防護措施（如隔聲門窗、通風消聲窗等），對室內(nèi)聲環(huán)境質(zhì)量進行合理保護。”通過以上分析可知，2028年夜間噪聲超標值已經(jīng)達到13.2dB（A）。因此，需要對交通噪聲跟蹤監(jiān)測，噪聲超標值超過聲屏障的降噪能力時，需要為居民安裝隔聲門窗。

6 結(jié) 論

（1）高速公路空曠地域噪聲達標距離，2014年晝間約為70m，夜間約為260m；2028年晝間約為100m，夜間約為390m。夜間噪聲達標距離大于晝間噪聲達標距離；2028年噪聲達標距離大于2014年噪聲達標距離。

（2）夜間噪聲污染更為嚴重。2014年，夜間交通噪聲超標值比晝間交通噪聲超標值高8.2dB（A），2028年，夜間交通噪聲超標值比晝間交通噪聲超標值高8.3dB（A），夜間比晝間噪聲污染更為嚴重。

圖6 聲屏障設(shè)計圖

（3）隨著高速公路運營時間延續(xù)，交通量增大，噪聲污染會越發(fā)嚴重。2014年晝間超標值為1.9 dB（A），夜間超標值為10.1dB（A）。2028年晝間超標值為4.9dB（A），夜間超標值為13.2dB（A）。

（4）采用高3.2m，長490m的隔聲吸聲一體化聲屏障，可以滿足向陽村2028年之前的噪聲污染防治要求。

（5）應該對交通噪聲進行跟蹤監(jiān)測，并預留部分資金，以備在噪聲超標值超過聲屏障的降噪能力時，為居民安裝隔聲門窗。

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