公路防風結構物實測效果比較與優(yōu)化設置模擬研究

白　璐，申愛琴，韋振勛

(1.長安大學　公路學院，陜西　西安　710064；2.新疆維吾爾自治區(qū)交通運輸廳，新疆　烏魯木齊　830000；

3.新疆公路規(guī)劃勘察設計院，新疆　烏魯木齊　830000)

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公路防風結構物實測效果比較與優(yōu)化設置模擬研究

白璐1,2，申愛琴1，韋振勛3

(1.長安大學公路學院，陜西西安710064；2.新疆維吾爾自治區(qū)交通運輸廳，新疆烏魯木齊830000；

3.新疆公路規(guī)劃勘察設計院，新疆烏魯木齊830000)

摘要：為提高新疆風區(qū)公路，特別是高速公路的行車穩(wěn)定性和安全性，研究基于不同防風構造物的現場觀測結果，對其防風效果進行了比較，推薦了防風效果較優(yōu)的結構形式。在此基礎之上，對防風效果優(yōu)良并在實際工程中使用最為廣泛的開口板式防風柵進行了深入的分析；利用計算流體模擬軟件對防風柵的設置和風速的影響進行了分析，對3種典型車輛(小轎車、大客車和大貨車)在不同組合條件下的風場中受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進行分析和比較，提出了擋風墻的最佳設置方案，并推薦了臨界設計風速，對風害防控設計提出了參考意見。

關鍵詞：道路工程；公路風害；流體模擬；防風結構物；流場

0引言

大風天氣對行車安全影響極大，近年來，新疆風區(qū)公路，尤其是高速公路上由于大風引發(fā)的車輛停運、安全事故以及公路設施損壞時有發(fā)生[1-2]，造成了一定的經濟損失和不良社會影響；通過對新疆全區(qū)范圍內近100個氣象站進行篩選，研究中選擇了高速、高等級公路沿線具有代表性的50個自記錄代表站，采用概率模式、氣候傾向率、低通濾波、滑動平均濾波等方法對各氣象站近50 a來的觀測數值進行了分析，結果表明自20世紀90年代以來，除沙漠公路中段、百里風區(qū)戈壁路段以外的絕大多數地區(qū)，大風強度和年平均大風日數呈現上升和增加趨勢，由于自然環(huán)境發(fā)生變化，公路風害防治應當被提到更高的高度。

基于不同防風構造物的現場觀測結果，本文對其防風效果進行了比較，推薦了防風效果較優(yōu)的結構形式。在此基礎之上，對防風效果優(yōu)良并在實際工程中使用最為廣泛的開口板式防風柵進行了深入的分析；研究利用流體模擬軟件對防風柵的設置和風速的影響進行了分析，對3種典型車輛在不同組合條件下的風場中的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進行分析和比較，提出了擋風墻的最佳設置方案，對風害防控設計提出了參考意見。

1防風結構物防風效果研究

1.1防風結構物類型和防風機理

目前，我國風區(qū)廣泛應用的防風結構物從類型區(qū)分主要分為非透風式和透風式[3-4]，非透風式結構主要有對拉式擋風墻、承插式防風墻、土堤式防風墻、筑板式防風墻和防風明洞；透風式結構主要包括橋梁純鋼板式防風柵、公路純鋼板透風式防風柵和柔性防護網等。其中除柔性防護網外，其他均為剛性結構。

從防風機理上，非透風式結構物主要依靠阻斷風力、減小側向力、降低車底風壓來減小風害[5-8]，由于需要承受全部風力作用，其結構一般為水泥混凝土、砌體結構或者土石方工程，結構較為簡單，維護方便，但是工程量較大，一般適用于相對平坦開闊地區(qū)的低路基公路。透風式結構物除了適當減小風速外，還能夠適度壓迫氣流上升，起到風力抬升的作用，從而減少作用在不同類型汽車上的風力作用，由于其不需承受全部風力作用，其結構多為較輕便的鋼結構，造價相對較高[9-10]。

1.2不同防風結構物現場監(jiān)測

1.2.1風沙邊界層高度和風場梯度擬定

空氣流過地面時，地面上的粗糙度會使空氣流動受阻，這種摩擦阻力由于大氣中的湍流而向上傳遞，并隨高度的增加而逐漸減弱，達到一定高度以上便可忽略，此高度稱為風沙邊界層，其厚度隨地點、時間而變化，薄時可為6 m，最厚時可達15 m，平均而言，風沙邊界層厚度為10 m以下。風沙邊界層內又可分為: A1為集沙層，即緊貼地表面(小于0.5 m以下)的氣層，95%以上集積沙量出現在這層。B1為貼地層，2 m以下的氣層(包括集沙層)。這一層大氣受下墊面粗糙的影響，有明顯的湍流特征，這層2 m高度處為起沙風速高度。C1為風沙邊界層，10 m高度以下稱為風沙邊界層，其中2～10 m 以上高度為摩擦層底部，10 m高度為風沙邊界層頂部。這一層除了下墊面的湍流黏性力外，還有地面摩擦作用影響以及盛行風向輸送沙的特征。在風沙邊界層中，風速隨地形、高度、風向變化而變化，具有獨特特征。風沙邊界層內通常都存在湍流，因而氣塊在運動時總要受到湍流摩擦力的作用，故也常稱風沙邊界層為湍流摩擦層[11-13]。

在上述理論基礎上，擬定防風結構物防風效果監(jiān)測技術方案，確定監(jiān)測瞬時風場固定站采用5層橫斷面監(jiān)測梯度風，觀測高度結合實際情況選取0.15，0.5，2.0，3.0，4.0，6.0，10.0 m。

1.2.2不同類型防風結構物瞬時風場橫斷面風監(jiān)測點布設

為比較不同類型防風結構物對風場的影響，分別在新疆連霍高速公路百里風區(qū)(K3781+600-K3781+800)設置防風柵、防風網的路段分別布設了15個橫斷面瞬時風場監(jiān)測點。同時選取同處于百里風區(qū)的蘭新二線鐵路(DK1451+870-DK1451+960)設置擋風墻路的段布設了13個橫斷面瞬時風場監(jiān)測點，監(jiān)測點橫斷面布設見圖1和圖2。

注：1號監(jiān)測點設置10 m高監(jiān)測站，測量0.5，2.0，4.0，6.0，10 m 梯度風;2～15號測點設置4.0 m高監(jiān)測站，測量0.15，0.5，1.0，2.0，4.0 m梯度風。圖1　防風柵、防風網橫斷面瞬時風場5層梯度風監(jiān)測設置Fig.1　Locations of sensors for monitoring instantcross-sectional wind field on windbreak fence and wind net at 5 levels

注：1～13號監(jiān)測點設置4.0 m高監(jiān)測站，測量0.15，0.5，1.0，2.0，4.0 m梯度風。圖2　擋風墻橫斷面瞬時風場5層梯度風監(jiān)測設置Fig.2　Locations of sensors for monitoring instant cross-sectional wind field on windbreak wall at 5 levels

1.3不同防風結構物作用下風場特征

依據連續(xù)3個月對連霍高速公路百里風區(qū)強橫風區(qū)間設置防風柵、防風網的K3781+600-K3781+700路段15個橫斷面瞬時風場5層梯度風監(jiān)測(監(jiān)測期間氣壓差+3.9 Pa，最低氣溫24.0 ℃，最高氣溫28.0 ℃)；并對蘭新二線百里風區(qū)設置擋風墻的DK1451+870-DK1451+960路段13個橫斷面瞬時風場5層梯度風監(jiān)測(監(jiān)測期間氣壓差+3.1 Pa，最低氣溫25.0 ℃，最高氣溫29.0 ℃)，繪制出了不同防風結構物遮蔽下典型橫斷面瞬時風速剖面圖，曲線為垂直風速的等值線，垂直風速單位取m/s。對設置防風網、防風柵、擋風墻情況下典型橫斷面瞬時風速垂直分布特征分別分析如圖1～圖2所示。

1.3.1設置防風網路段

連霍國道K3781+600樁號處設置了柔性防風網，透風率50%。從表1可以看出，監(jiān)測期間瞬時最大風速達到11.6 m/s，最大風速出現在防風網迎風側-10 m處4.0 m高度處；距防風網-2 m處，風速降低至10.2 m/s，防風網后路肩瞬時最大平均風速進一步降低至6.0 m/s，防風網的背風處延伸至65 m外瞬時平均風速達到11.6 m/s，接近迎風側最大值。對風場變化分析得知距防風網距離越近，風速降低越顯著。如圖3所示，在防風網底部出現湍流，風向變化紊亂，防風網防風效果達到4.6 m/s(平均風速降低)，有效遮蔽距離16 m。

表1　連霍高速公路K3781+600設置防風網路段瞬時風速

圖3　設置防風網路段橫斷面瞬時最大風速剖面圖(單位：m)Fig.3　Counter plot of instant maximum wind speed on road section with wind net(unit:m)

1.3.2設置防風柵路段

連霍國道K3781+700樁號處設置了防風柵，透風率為30%。分析表2可知，監(jiān)測期間瞬時最大風速為19.6 m/s，出現在防風柵迎風側-20 m處4.0 m 高度；距防風柵-2 m處4.0 m高度瞬時最大風速降為16.0 m/s，防風柵后路肩瞬時最大風速驟降至6.0 m/s，距防風柵距離越近，風速降低越明顯，防風柵迎風側路中瞬時風速12.0 m/s，向路兩側遞減，瞬時最大風速隨隔離帶地形起伏變化而變化，背風處瞬時最大風速達到19.3 m/s。

表2　連霍高速公路K3781+700設置防風柵路段瞬時風速

如圖4所示，純鋼板式防風柵的防風效果顯著，防風效果達到8.8 m/s(平均風速降低)，有效遮蔽距離為20 m。

圖4　設置鋼板式防風柵路段橫斷面瞬時最大風速剖面圖(單位：m)Fig.4　Counter plot of instant maximum wind speeds on road section with steel plate windbreak fence(unit:m)

1.3.3設置擋風墻路段

蘭新鐵路二線DK1451+910段設置了筑板式擋風墻，分析表3可知，監(jiān)測期間瞬時最大風速為19 m/s，出現在背風側，迎風側-10 m處4.0 m高度瞬時最大風速達到17.4 m/s，迎風側-5～-2 m隨地形高度變化風速有所減小，-1 m處由于路基擠壓4.0 m高處瞬時風速達到16.7 m/s，筑板式擋風墻后風速驟降，平均降幅達到6.3。

如圖5所示，瞬時風場監(jiān)測結果表明：蘭新二線百里風區(qū)強橫風區(qū)DK1451+910筑板式擋風墻的防風效果可達到6.3 m/s(平均風速降低)，有效遮蔽距離接近20 m。

表3　蘭新二線DK1451+910設置筑板式擋風墻段瞬時風速

圖5　設置筑板式擋風墻路段橫斷面瞬時最大風速剖面圖(單位：m)Fig. 5　Counter plot of maximum instant wind speed on cross-section of road section with casted board wind break wall(unit:m)

對不同類型防風結構物防風效果風監(jiān)測對比分析結果表明，透風式防風柵防風效果最佳，其次是板式防風墻，再次是柔性防風網，從現場觀測看，柔性防護網的阻擋砂石效果較為顯著。

2防風柵最佳布置參數模擬研究

監(jiān)測數據表明在3種防風構造物中，板式防風柵具有最佳的防風效果。在實際工程應用中，防風柵可以設置在道路橫斷面的不同位置(如路基底部或路肩)。為了達到最佳的防風效果，研究采用計算流體力學(CFD)軟件(FLUENT)模擬設置在不同位置防風柵的擋風效果。

設置防風柵的主要目的是降低行車道上的風速，減少作用在車輛上的風壓，提高行車穩(wěn)定性與安全。行車過程中，車輛所受最不利風向為側風。強風作用下的側向力將影響車輛行駛的穩(wěn)定性，甚至導致傾覆。因此，模擬選取了3種典型車輛(小轎車、大客車和大卡車)為研究對象，模擬行駛車輛(擬定時速100 km/h)在不同側風風速，不同防風柵設置情況下的道路橫斷面的風場，得到了車輛周圍的流線場、壓力場；研究和分析不同的防風柵的設置引起的風場變化以及對車輛穩(wěn)定性的影響，為防風柵的設置提供優(yōu)化方案，并推薦最佳布設位置。

2.1模型幾何參數選取

2.1.1汽車幾何模型建立

參考《公路工程技術標準》(JTG B01—2003)的規(guī)定，各種車型的外廓尺寸設定見表4?！豆饭こ碳夹g標準》中沒有明確的大客車的外廓尺寸，研究參照了蘇州金龍客車的尺寸。其他細部結構部件的幾何參數，如車輪的大小、軸的粗細、外表面的弧度等，均采用最常見的幾何參數進行建模，見表4。

表4　車輛外廓尺寸(單位：m)

在保證計算結果的前提下為簡化模型以減小數值模擬的復雜程度，提高計算效率，建立汽車模型時忽略了一些受風力影響較小的部件，如雨刮器、后視鏡等；輪胎與地面接觸面按照規(guī)范選取[14-15]。研究采用GAMBIT軟件建立不同車型簡化后的1∶1幾何數字模型。

2.1.2防風柵幾何模型建立

實際工程中使用的防風柵高4 m，透風孔直徑僅為5 cm，由于透風空數量過多，若嚴格按照工程實際建模，模擬將耗費大量的計算資源，不宜采用。因此，建模過程中對透風孔做了簡化處理，用一個等面積的大孔代替塊面上的小孔，大孔直徑在進風面為32.4 cm，出風面7.9 cm，最終建模的防風柵模型見圖6。

圖6　防風柵幾何模型Fig.6　Geometric model of wind break wall

2.3防風柵設置距離對車輛的影響

研究選取了新疆地區(qū)的典型道路橫斷面結構，防風柵沿著道路方向縱向平行布置，在道路橫斷面上的布設位置以路肩為原點，遠離道路方向取正值，靠近路面方向取負值。模擬共選取了6個布設位置：-0.5，0，2.1，2.4，2.7 m和3.0 m。受施工條件限制，防風構造物通常不在路基邊坡上設置，因此在0 m和2.1 m之間沒有設置防風柵。研究采用的側向風速分別為：10，15，20，25，30 m/s和35 m/s，共6個風速，其中最大風速35 m/s以超過12級颶風的臨界風速32.7 m/s。

為了清楚地說明車體的流場特征，需要選取整個流場的典型位置截面進行分析，由于風場對汽車的作用力呈非均勻分部，且沿著車身方向，迎風面從車頭至車尾逐漸減小，因此所選截面靠近車體前部具有代表性。圖7為研究選擇不同車型的防風柵設置在2.1 m(路基邊坡坡腳處)的流場截面位置示意圖。

圖7　不同車型流場截面Fig.7　Cross-sections of wind field of different types of vehicle

圖7(a)為小轎車的流場分析，風場中流線的箭頭表示風向。風從左側進入，由于防風柵的阻擋，構造物附近的風場發(fā)生明顯的變化。圖中車輛區(qū)域背風和車底為負壓區(qū)，迎風區(qū)為正壓區(qū)。防風柵迎風面由于風壓作用而形成明顯的正壓力區(qū)域。擋風墻背風面，由于路基抬高，路肩上部位置風場變化明顯。

由于小轎車的體型較小，且車體形狀圓滑，圖中車體周圍的流場跡線平滑，表明流體能夠較為順暢地通過。車體迎風面和背風面正負風壓的絕對值均較小。為了節(jié)約計算資源，模擬分析中小汽車的外形采用較為簡單的幾何形狀，而實際行駛在道路上的小轎車外形更加圓滑，風阻更小，所以小轎車實際受到的側向力更小。

圖7(b)為大客車的流場分析。擋風墻迎風側正風壓較大，在0～5 m之間，正壓力區(qū)域接近成矩形區(qū)域。在擋風墻背風側與路肩之間，形成漩渦。車身迎風側，形成接近矩形正壓力區(qū)域，背風側與路肩之間，擋風墻下部形成渦流區(qū)，繞過路堤的風場由下向上，與擋風墻登高處改變方向，向車體流動。車身周圍，風場分為兩部分，一部分沿車身向上流動，另一部分從車體底部流過，形成負壓區(qū)。在車身頂部和背側，風場發(fā)生較大變化，從車身底部流過的風場改變流向，沿背風側向上流動，在此形成絕對值較大的負壓區(qū)。之后，在距離車身4 m處，風場恢復層流，流動趨于一致。

圖7(c)為大貨車的流場分析，擋風墻迎風側形成正壓力區(qū)域。背風側流場變化明顯，形成平行的一大一小兩處渦流，靠近車體處渦流影響范圍大。風場達到車體處，由上而下，沿車體向下運動，經車底部繞過車體，車體底部形成負壓區(qū)。繞過車體底部的風場，在輪胎處形成一渦流區(qū)域。沿車體向上運動，在車頂邊緣形成小渦流區(qū)域。距離車體3 m處，繞過車體底部和中部的風場匯合，流場趨于一致。

圖8對比了在20 m/s風速下，3種車輛在不同防風柵設置條件下的側向力。如圖所示：小轎車由于體積小且外形圓滑，有較小的風阻，所受到的側向力遠小于其他兩種大型車輛，因此行駛中受風力影響最小，行駛穩(wěn)定性最強；大客車由于其較大的整體箱式結構，所受側風力最大。

圖8　不同設置距離下的側向力Fig.8　Lateral forces at different distances

隨著防風柵與路肩距離的增加，3種車輛所受的側向力均顯著增加。當防風柵設置在路基頂部時(距離路肩0 m和-0.5 m)，3種車輛所受的側向力都相對較小，且數值接近。不可否認，模擬結果與實際情況相比存在一定誤差，雖然數值模擬結果顯示：當防風柵設置在路肩頂部(距離為0 m)時，小轎車和大客車所受到側向力最小，但與距離路肩-0.5 m時的側向力相差較小，不排除由于模擬系統(tǒng)誤差的影響，因此當建議實際設置防風柵時，應在距離路肩頂部(0 m)到-0.5 m的距離范圍內，依據實際工程施工的便宜性確定防風柵布設位置。

此外，本研究未考慮強風對路基的侵蝕作用。當路基采用細粒土填筑，且氣候干燥時，應首先考慮采用邊坡防護措施降低風蝕。

2.4設計臨界風速

研究還比較了當防風柵設置在路基頂部(0 m)時，3種不同車型在不同風速(10～35 m/s)時受到的側向力，結果見圖9。

圖9　不同車型側向力Fig.9　Lateral forces on different types of vehicle

如圖所示，小轎車在不同風速作用下所受的側向力最小，當風速小于等于20 m/s時，側向力在1 100～1 250 N之間，變化幅度不大；當風速大于20 m/s時，隨著風速的增加，小轎車受到的側向力顯著增加。

比較大貨車和大客車的模擬數據發(fā)現，當風速小于等于20 m/s時，兩種車輛所受側向力較接近，并且數值相對較??；當風速大于等于20 m/s時，大貨車和大客車所受的側向力顯著增加，并且大貨車受到的側向力高于大客車受到的側向力。

通過以上分析，研究建議以20 m/s(八級風)為公路風害控制設計的臨界值。大客車和大貨車在大于20 m/s側風條件下的受力狀態(tài)為公路風害設計的主要分析對象。

3結論

本研究選取處于新疆百里風區(qū)的連霍高速公路K3781+600-K3781+800設置防風柵、防風網的路段以及同處于百里風區(qū)的蘭新二線鐵路DK1451+870-DK1451+960設置擋風墻路路段，建立觀測站研究不同防風構造物的實際防風效果，結果顯示:3種防風構造物都能夠大幅度降低公路區(qū)域的風速，提高了行車安全性。

從防風效果(平均風速降低)來看，防風網降低4.6 m/s<筑板式擋風墻降低6.3 m/s<純鋼板式防風柵降低8.8 m/s，從有效遮蔽距離來看，防風網約16 m<筑板式擋風墻約18 m<純鋼板式防風柵約20 m?？梢钥闯鐾革L式擋風墻通過阻滯和透風作用，形成渦流、耗散了風能，使得其防風效果較非透風式防風結構物更優(yōu)；從現場觀測看，柔性防護網防風效果和有效遮蔽距離相較其它結構差，但是其阻擋砂石作用較為顯著；對于所有結構，隨著風速的增大，擋風結構物的有效遮蔽距離也有所增加，其一般有效遮蔽距離為4.5～8倍防風結構物的高度，且距離防風結構物越近，風速減弱效果越明顯，行車越安全。

在此基礎之上，對防風效果最佳的防風柵進行了深入的分析；利用計算流體模擬軟件(FLUENT)對3種典型車輛(小轎車、大客車和大貨車)在不同組合條件下(風速和防風柵設置距離)的風場中的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進行分析和比較，研究發(fā)現：由于小轎車的體型較小且車體形狀圓滑，強風能夠較為順暢地通過車體，使得小轎車在強風作用下具有最佳的行車穩(wěn)定性與安全性。

當防風柵設置在路基頂部時(距離路肩0 m和-0.5 m)，3種車輛所受的側向力都相對較小，且數值相對接近。研究建議實際工程中，防風柵應設置在道路迎風側距離路肩0～0.5 m的距離范圍內，并依據實際工程施工的便宜性確定防風柵布設位置。需要指出的是：本研究未考慮強風對路基的侵蝕作用；當路基采用細粒土填筑且氣候干燥時，應首先考慮采用邊坡防護措施降低風蝕。

大客車和大貨車受側風影響較大，且隨風速增加，車體所受側向力顯著增加?？紤]到大貨車和大客車的行車安全性，建議設計時將20 m/s風速(八級風)做為臨界風速進行考慮。

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Comparison of In-situ Observation Effect of Highway Windbreak Structures and Simulation of Installation Optimization BAI Lu1,2，SHEN Ai-qin1，WEI Zhen-xun3

(1. School of Highway, Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064, China；

2.Transport Department of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumchi Xinjiang 830000, China；

3.Highway Planning, Surveying and Design Institute of Xinjiang，Urumchi Xinjiang 830000, China)

Abstract：In order to improve the vehicle running stability and safety on the windy-zone highways in Xinjiang, especially on expressways, the windbreak effect is studied based on the in-situ observation data of different windbreak structures. The comparison is made among different windbreak structures and the optimal one is recommended due to its best performance. On this basis, the windbreak fence with on-board opening，the open-board windbreak fence is further analysed due to its good windbreak effect and wide field engineering applications. The windbreak fence installed at different distances and the effect under different wind speeds are further studied through fluid simulation software. The force statuses and stability of 3 typical kinds of vehicle (passenger car, bus and large truck) in wind field under different conditions are analyzed and compared. The optimum installation scheme of windbreak fence is put forward, the critical design wind speed is recommended, and a reference opinion for designing wind hazarder control is put forward.

Key words：road engineering; wind damage in highway；fluid simulation; windbreak structure; flow field

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)02-0039-07

中圖分類號：U417.1

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.02.007

作者簡介：白璐(1981-)，男，天津武清人，博士研究生.(32483890@qq.com)

收稿日期：2015-05-22