青藏高原公路路基周邊風(fēng)場(chǎng)特征風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究

陳 領(lǐng)， 馬 巍， 穆彥虎， 虞 洪， 張 坤， 栗曉林

（1.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； 2.中國(guó)科學(xué)大學(xué)，北京 100049；3.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 4.甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

青藏工程走廊全長(zhǎng)1 120 km，穿越多年凍土區(qū)632 km，大片連續(xù)多年凍土區(qū)約550 km［1-2］。在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求推動(dòng)下，走廊內(nèi)陸續(xù)修筑了大量線性工程。這些重大工程不僅是內(nèi)地通往西藏的生命線，也是維護(hù)國(guó)防安全、區(qū)域社會(huì)穩(wěn)定的國(guó)家戰(zhàn)略工程［3-4］。在多年凍土區(qū)，工程建設(shè)和賦存嚴(yán)重影響原有地-氣能量的交換過(guò)程，使得工程活動(dòng)區(qū)域內(nèi)多年凍土升溫退化、上限下移、融化夾層發(fā)育，由此可導(dǎo)致構(gòu)筑物基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降、路基路面縱向裂縫發(fā)育和邊坡滑塌等一系列工程病害問(wèn)題［5-10］。此外，在氣候變暖及人類(lèi)工程活動(dòng)加劇雙重影響下，凍土升溫和地下水水位下降導(dǎo)致走廊內(nèi)植被退化，土地沙漠化趨勢(shì)加劇，風(fēng)沙災(zāi)害日益嚴(yán)重。沙粒在塊石結(jié)構(gòu)中的填充，將導(dǎo)致其內(nèi)部多孔介質(zhì)孔隙率降低，對(duì)流換熱效率下降，進(jìn)而影響到塊石結(jié)構(gòu)類(lèi)凍土路基的長(zhǎng)期冷卻降溫效果［11-16］。

在青藏工程走廊內(nèi)，多風(fēng)氣候條件對(duì)地表能量收支平衡起著關(guān)鍵作用［12］，流場(chǎng)特征的改變將影響工程走廊內(nèi)凍土路基冷卻降溫措施（塊石、通風(fēng)管）的應(yīng)用效果。目前，針對(duì)凍土路基的主動(dòng)降溫措施，研究人員從冷卻降溫機(jī)制、工程結(jié)構(gòu)措施、環(huán)境因素影響等方面開(kāi)展了大量的研究工作。穆彥虎等［17］、孫志忠等［18］研究了塊石基底、塊石護(hù)坡及U型塊石路基下部?jī)鐾翜囟葓?chǎng)的變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)冷季的對(duì)流降溫在保護(hù)凍土中發(fā)揮著主要作用。吳青柏等［19］、張明義等［20］、賴(lài)遠(yuǎn)明等［21］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，研究了封閉與開(kāi)放邊界條件下塊石氣冷路基的降溫機(jī)理與過(guò)程，并對(duì)比了兩種條件下的降溫效果。針對(duì)青藏工程走廊內(nèi)日益嚴(yán)重的風(fēng)積沙災(zāi)害問(wèn)題，多位學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬分析了沙粒差異化堆積狀態(tài)對(duì)路基下部多年凍土的熱影響［22-26］，結(jié)果表明薄沙層有利于保護(hù)凍土、而厚沙層將加速凍土的退化。上述研究重點(diǎn)關(guān)注塊石類(lèi)冷卻路基結(jié)構(gòu)自身以及其內(nèi)部的對(duì)流換熱過(guò)程對(duì)下部多年凍土的熱影響，但對(duì)于風(fēng)場(chǎng)繞流路基過(guò)程及流場(chǎng)速度分區(qū)側(cè)向范圍較少關(guān)注。風(fēng)場(chǎng)不僅是地-氣能量交換及物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹饕浇?，也是塊石、通風(fēng)管等凍土路基降溫效果的主要環(huán)境邊界。因此，對(duì)于塊石、通風(fēng)管等凍土路基，研究路基迎風(fēng)坡、路面和背風(fēng)坡風(fēng)場(chǎng)分布特征將有助于準(zhǔn)確分析塊石、通風(fēng)管等路基的對(duì)流換熱機(jī)制及降溫效果。同時(shí)，對(duì)于多年凍土區(qū)線性工程而言，基于雙線凍土路基不同布局條件下，探討雙線凍土路基側(cè)向流場(chǎng)分區(qū)可為雙線路基合理間距布局提供參考依據(jù)［27-28］。此外，對(duì)于多年凍土區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域，凍土路基周邊流場(chǎng)速度分區(qū)水平范圍將直接影響其周?chē)沉＿\(yùn)移和沉積過(guò)程。因此，開(kāi)展多年凍土區(qū)路基周邊流場(chǎng)速度分區(qū)研究，對(duì)于路基工程風(fēng)沙災(zāi)害防治和多年凍土保護(hù)同樣具有重要意義。

路基高度是影響凍土路基工程熱力穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素［29］。同時(shí)，不同高度的路基其周邊風(fēng)場(chǎng)分布特征也將不同，這會(huì)進(jìn)一步影響到局地的地-氣能量交換過(guò)程。為此，以青藏公路為研究對(duì)象，選取三種典型路基高度，研究不同高度路基周邊風(fēng)場(chǎng)分布特征并進(jìn)行分區(qū)量化。利用中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型風(fēng)洞設(shè)備，開(kāi)展了不同環(huán)境風(fēng)速、路基高度條件下，單幅路基周邊風(fēng)場(chǎng)的分布特征，考察在路基阻礙條件下周邊風(fēng)場(chǎng)的分布特征，以及環(huán)境風(fēng)速和路基高度對(duì)風(fēng)場(chǎng)分布的影響規(guī)律及程度，以期為青藏工程走廊路基工程的選線、設(shè)計(jì)和維護(hù)以及沙害頻發(fā)地區(qū)風(fēng)沙防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

本文開(kāi)展的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)于中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞為室內(nèi)閉口直流式風(fēng)洞，全長(zhǎng)37.78 m，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)段、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)三部分內(nèi)容。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)位于實(shí)驗(yàn)設(shè)備前端由動(dòng)力段及整流段兩部分，前者為實(shí)驗(yàn)提供來(lái)流流場(chǎng)，流場(chǎng)風(fēng)速可實(shí)現(xiàn)1～40 m·s-1連續(xù)可調(diào)，后者是將動(dòng)力段產(chǎn)生的來(lái)流進(jìn)行處理為實(shí)驗(yàn)段提供穩(wěn)定流場(chǎng)，如圖1（a）所示。實(shí)驗(yàn)段位于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后側(cè)，全長(zhǎng)16.23 m，橫斷面尺寸為0.6 m×1.0 m，如圖1（b）所示。風(fēng)洞邊界層厚度約為12 cm［30］。

圖1 直流式風(fēng)洞Fig.1 Non-circulating blow-type wind tunnel：dynamic system（a）and test section（b）

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)

為保證風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的可靠性，模型實(shí)驗(yàn)需要與野外實(shí)際情況相似，滿(mǎn)足三大相似準(zhǔn)則，即幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，相似度越高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性越高。

（1）幾何相似

即模型路基參數(shù)（高度、寬度和粗糙度）滿(mǎn)足同一比例縮尺，根據(jù)已有研究結(jié)果和青藏公路路基高度實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，青藏高原凍土區(qū)段路基一般在2～5 m 以?xún)?nèi)［31］。因此，實(shí)驗(yàn)選取路基高度為3、4 和5 m，考慮到風(fēng)洞中邊界層厚度及實(shí)驗(yàn)段橫斷面尺寸，幾何相似比取為1∶50，對(duì)應(yīng)模型路基高度分別為6、8和10 cm（均小于邊界層厚度12 cm），路基邊坡坡度為1∶1.5，如圖2所示。由于實(shí)驗(yàn)條件的有限，模型尺寸存在誤差，實(shí)驗(yàn)段表面粗糙度不能完全滿(mǎn)足野外實(shí)際情況。因此，幾何相似條件僅能部分滿(mǎn)足。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吐坊O(shè)計(jì)圖Fig.2 Schematic of the embankment models with different heights：6 cm（a），8 cm（b）and 10 cm（c）

（2）運(yùn)動(dòng)相似

風(fēng)速廓線形式及流動(dòng)狀態(tài)相似（即雷洛數(shù)Re相等）。Re定義為

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中選取的三種風(fēng)速分別為10、15 和20 m·s-1。根據(jù)流體力學(xué)定義可得，當(dāng)Re值大于Recr（臨界雷洛數(shù)）時(shí)，流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)為湍流狀態(tài)。由式（1）可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)風(fēng)速大于2 m·s-1時(shí)，實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均為湍流運(yùn)動(dòng)，即實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)可模擬自然狀態(tài)下流場(chǎng)湍流運(yùn)動(dòng)形式。關(guān)于風(fēng)速廓線形式，根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段初始風(fēng)速的測(cè)定結(jié)果（圖3），在3種實(shí)驗(yàn)風(fēng)速條件下，實(shí)驗(yàn)段的風(fēng)速廓線均能滿(mǎn)足指數(shù)型分布，該廓線形式與青藏高原野外觀測(cè)風(fēng)速廓線吻合［32］。

圖3 風(fēng)洞初始流場(chǎng)測(cè)定結(jié)果Fig.3 Initial wind flow profiles measured in the wind tunnel test

（3）動(dòng)力相似

即模型流動(dòng)與原型流動(dòng)應(yīng)該受同種外力作用，且對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的應(yīng)力成比例。即滿(mǎn)足

式中：F、G、P、R和Fσ分別為合力、重力、阻力及表面張力；下標(biāo)p和m分別表示原型量和模型量。

動(dòng)力相似條件下兩種流場(chǎng)中力場(chǎng)必定相似，且動(dòng)力相似是力學(xué)相似的重要條件，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)相似的主導(dǎo)因素。本次實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞完成，該風(fēng)洞能夠滿(mǎn)足風(fēng)沙環(huán)境動(dòng)力過(guò)程模擬的動(dòng)力相似準(zhǔn)則。

1.3 數(shù)據(jù)采集及處理方法

為研究不同高度單幅路基對(duì)周邊風(fēng)場(chǎng)分布與風(fēng)速分區(qū)的影響，將實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)置于所選實(shí)驗(yàn)段中部。實(shí)驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度介于4～5 m，以保證路基迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡兩側(cè)受擾動(dòng)流場(chǎng)能恢復(fù)到環(huán)境風(fēng)速狀態(tài)。圖4 給出了實(shí)驗(yàn)段測(cè)量布設(shè)方案。如圖所示，在沿洞體軸線水平方向，路基模型迎風(fēng)坡一側(cè)布設(shè)5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為-1H、-3H、-5H、-8H和-10H（H為模型路基高度，-表示迎風(fēng)坡側(cè)）；路基背風(fēng)坡一側(cè)布設(shè)10 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為+1H、+3H、+5H、+7H、+9H、+11H、+13H、+15H、+17H和+19H（+表示背風(fēng)坡側(cè)）。對(duì)于路基迎風(fēng)坡坡面、背風(fēng)坡坡面和路面，分別均勻布置3個(gè)測(cè)量點(diǎn)。風(fēng)速的測(cè)定采用可移動(dòng)畢托管，畢托管共計(jì)設(shè)置10 個(gè)測(cè)量高度，沿豎向高度分 別 為0.6、0.9、1.5、2.2、4.3、8.3、12.3、16.2、20.3 和24.2 cm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)移動(dòng)畢托管的位置來(lái)測(cè)定不同位置風(fēng)速廓線變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集使用FSKX-10 數(shù)字式風(fēng)速廓線采集儀，該儀器由設(shè)備由中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制，結(jié)合配套的數(shù)據(jù)采集軟件可得到每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速廓線，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為2 s，采集時(shí)間為30 s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)配套的軟件可得到該測(cè)點(diǎn)在該時(shí)間段內(nèi)的平均值風(fēng)速。

圖4 風(fēng)洞路基風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.4 The layout of test sites around the embankment in the wind tunnel test

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高度條件下路基周邊流場(chǎng)特征

圖5中給出實(shí)際路基高度為3 m（模型路基高度6 cm）、路面寬度為10 m（模型路面寬度20 cm），環(huán)境風(fēng)速為10 m·s-1條件下路基周邊流場(chǎng)速度云圖。由圖中可以看出，流場(chǎng)在靠近、翻越、遠(yuǎn)離路基過(guò)程中，在路基的影響下坡前、路面及坡后不同區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)變化趨勢(shì)不同。其主要表現(xiàn)為：路基迎風(fēng)坡前側(cè)，流場(chǎng)速度降低在迎風(fēng)坡坡前形成減速區(qū)（Ⅰ）。隨后，在迎風(fēng)坡坡面上，流場(chǎng)氣流沿坡面遇阻抬升，速度逐漸增加，在路基路面上部形成一個(gè)明顯的加速區(qū)（Ⅱ），且受路肩“集中”效應(yīng)影響，迎風(fēng)坡路肩處風(fēng)速增長(zhǎng)幅度達(dá)到最大值。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)越過(guò)路基后，流場(chǎng)與路基路面分離，流場(chǎng)氣流下沉，形成坡后擾動(dòng)區(qū)（Ⅲ），該區(qū)域存在流場(chǎng)速度的最小值，且受路基高度及環(huán)境風(fēng)速影響，甚至在坡腳附近出現(xiàn)流場(chǎng)回流現(xiàn)象。而隨著流場(chǎng)背向遠(yuǎn)離路基，路基對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)減弱消散，流場(chǎng)風(fēng)速逐漸恢復(fù)原始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖5 路基周邊風(fēng)速分布云圖Fig.5 Wind speed distribution around the embankment

為掌握不同高度路基對(duì)其周邊流場(chǎng)速度分區(qū)范圍的影響，圖6 給出了實(shí)際路基路面寬度為10 m（模型路面寬度為20 cm）、環(huán)境風(fēng)速為10 m·s-1，實(shí)際路基高度3、4 和5 m（模型路基高度為6、8 和10 cm）路基高度條件下的路基周邊風(fēng)速分布云圖。從圖6 可以看出，不同路基高度周邊流場(chǎng)速度變化形式基本相同，但受路基高度影響，路基周邊速度分區(qū)的側(cè)向范圍存在顯著差異性。路基坡前擾動(dòng)區(qū)為流場(chǎng)減速區(qū)（Ⅰ），該區(qū)域風(fēng)速值小于初始環(huán)境風(fēng)速下同高度處風(fēng)速值，且由圖6中可知，三種高度路基坡前擾動(dòng)風(fēng)速最大達(dá)到8 m·s-1。因此，根據(jù)8 m·s-1的風(fēng)速等值線變化可以看出，當(dāng)路基高度H=3 m時(shí)，坡前減速區(qū)（Ⅰ）水平范圍約為1.8H，而當(dāng)路基高度H=4 和5 m 時(shí)，減速區(qū)（Ⅰ）水平范圍分別為2.2H和2.5H。對(duì)于路基上部加速區(qū)，由于路基坡面上流場(chǎng)遇阻抬升，風(fēng)速值逐漸增大，路基高度為3 m 時(shí)，迎風(fēng)坡路肩對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值約為10.7 m·s-1，路基高度增加到4和5 m時(shí)，路基迎風(fēng)坡路肩對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為12.2 和13.4 m·s-1。與環(huán)境風(fēng)速中同一高度處風(fēng)速值相比，三種路基迎風(fēng)坡路肩對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別增加了24%、34%和41%，其說(shuō)明路基高度越大迎風(fēng)坡路肩“集中”效應(yīng)越顯著，風(fēng)速增加幅度越大。而對(duì)于路基坡后擾動(dòng)區(qū)而言，3、4和5 m高度路基所對(duì)應(yīng)擾動(dòng)區(qū)水平范圍分別為11.0H、12.2H和12.9H。

圖6 環(huán)境風(fēng)速為10 m·s-1條件下不同高度路基周邊流場(chǎng)分布云圖Fig.6 Wind speed distribution around the embankments with different heights under the ambient wind speed of 10 m·s-1：6 cm（a），8 cm（b）and 10 cm（c）

此外，由圖6中坡后擾動(dòng)區(qū)（Ⅲ）可以看出，在背風(fēng)坡坡面和坡腳附近流場(chǎng)風(fēng)速下降趨勢(shì)明顯，并隨著流場(chǎng)背向遠(yuǎn)離路基，路基對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)效應(yīng)逐漸弱化直至消失，流場(chǎng)逐漸恢復(fù)初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，根據(jù)坡后流場(chǎng)風(fēng)速值大小及風(fēng)向，可進(jìn)一步將坡后擾動(dòng)區(qū)流場(chǎng)劃分為低速回流區(qū)和消散恢復(fù)區(qū)。受實(shí)驗(yàn)畢托管限制，實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)得背風(fēng)坡坡面處流場(chǎng)的回流風(fēng)速，但結(jié)合已有的研究結(jié)果［33］及流場(chǎng)氣壓分布梯度可以看出，三種高度路基背風(fēng)坡坡面及坡腳附近均存在流場(chǎng)風(fēng)速回流現(xiàn)象，當(dāng)路基高度為3、4和5 m時(shí)，其坡后低速回流區(qū)水平范圍分別為2.0H、3.0H和4.1H。消散恢復(fù)區(qū)位于回流區(qū)后側(cè)，3、4和5 m路基對(duì)應(yīng)消散恢復(fù)區(qū)水平范圍均約為9.8H。

對(duì)比分析10 m·s-1環(huán)境風(fēng)速條件下三種高度路基迎風(fēng)坡前減速擾動(dòng)區(qū)與坡后低風(fēng)速擾動(dòng)區(qū)可以看出，路基高度與路基兩側(cè)擾動(dòng)范圍存在良好的線性關(guān)系（圖7）。隨著路基高度增加，路基坡前減速區(qū)、坡后低速回流區(qū)水平范圍均逐漸增加，說(shuō)明隨著路基高度的增加，其對(duì)原始流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的擾動(dòng)越顯著。

圖7 坡前/坡后擾動(dòng)水平范圍與路基高度關(guān)系曲線Fig.7 Horizontal range of disturbed area at windward/leeward slope toes vs.embankment hight

2.2 不同環(huán)境風(fēng)速條件下路基周邊流場(chǎng)特征

圖8 給出了環(huán)境風(fēng)速為10、15 和20 m·s-1條件下，3 m 高路基（模型路基高為6 cm）周邊流場(chǎng)分布云圖。由圖8 可以看出，環(huán)境風(fēng)速為10、15 和20 m·s-1時(shí)，路基對(duì)其周邊近地表流場(chǎng)的最大擾動(dòng)速度分別為8、12 和18 m·s-1，對(duì)應(yīng)豎向高度分別為1.1、1.4和3.0 m。以最大擾動(dòng)速度為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，隨環(huán)境風(fēng)速增加，同一路基高度條件下路基坡前、路面、坡后速度分區(qū)范圍差異較大。環(huán)境風(fēng)速為10、15 和20 m·s-1時(shí)，3 m 高路基坡前風(fēng)速減速區(qū)（Ⅰ）水平范圍分別為1.8H、2.2H和5.5H。在路基迎風(fēng)坡坡面上風(fēng)速梯度逐漸增加，等值線分布愈加密集。流場(chǎng)平均風(fēng)速（實(shí)驗(yàn)所測(cè)10 個(gè)高度處風(fēng)速的平均值）最大值出現(xiàn)在路基迎風(fēng)坡路肩處（圖9）。然而，在路基坡后，環(huán)境風(fēng)速的增加對(duì)坡后低速回流區(qū)影響較小，其影響水平范圍主要集中在坡后2.0H內(nèi)。

圖8 不同環(huán)境風(fēng)速條件下6 cm高路基周邊流場(chǎng)分布云圖Fig.8 Wind speed distribution around 6-cm high embankment with different ambient wind speeds：10 m·s-1（a），15 m·s-1（b），and 20 m·s-1（c）

圖9 不同風(fēng)速條件下路基周邊平均風(fēng)速變化曲線Fig.9 Variations of average wind speeds around the embankment under different ambient wind speeds

考慮到路基高度及環(huán)境風(fēng)速對(duì)路基周邊流場(chǎng)速度分區(qū)的共同作用，表1～2 中分別給出不同環(huán)境風(fēng)速條件下，路基高度為4 和5 m 時(shí)，路基周邊風(fēng)速分區(qū)的相關(guān)參數(shù)。從表1、2 和圖8 可以看出，三種路基高度下，坡前減速區(qū)（Ⅰ）水平范圍均隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而增大。此外，環(huán)境風(fēng)速增加，三不同種高度路基路肩處風(fēng)速變化幅度均呈上升趨勢(shì)，表明隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，路肩處的“集中”效應(yīng)越顯著。而在坡后低速回流區(qū)，同一路基高度下，不同環(huán)境風(fēng)速對(duì)低速回流區(qū)的影響較小。因此，對(duì)于普通填土路基而言，布設(shè)合理的防護(hù)措施有利于減小路肩“集中”效應(yīng)對(duì)路基的風(fēng)蝕作用。

表1 H=4 m路基周邊風(fēng)速分區(qū)相關(guān)參數(shù)Table 1 Zoning parameters of wind flow around the 4-m high embankment

2.3 路基坡前不同高度處風(fēng)速變化特征

為掌握不同環(huán)境風(fēng)速條件下，路基坡前減速區(qū)（Ⅰ）范圍內(nèi)不同高度處流場(chǎng)風(fēng)速變化情況，圖10中給H=3 m 高路基（模型路基高度為6 cm）坡前5H范圍內(nèi)0.3、0.6、1.1 m 高度處風(fēng)速沿水平方向的變化。由圖9 中可以看出，隨著流場(chǎng)距離路基坡腳距離的減小，流場(chǎng)風(fēng)速受路基擾動(dòng)狀態(tài)越顯著。因此，通過(guò)引入速度曲線平均變化率來(lái)衡量流場(chǎng)在坡前減速區(qū)（Ⅰ）范圍內(nèi)擾動(dòng)風(fēng)速平均變化率。表達(dá)式為

表2 H=5 m路基周邊風(fēng)場(chǎng)分區(qū)相關(guān)參數(shù)Table 2 Zoning parameters of wind flow around the 5-m high embankment

圖10 不同環(huán)境風(fēng)速條件下6 cm高路基坡前不同高度處風(fēng)速變化曲線Fig.10 The wind speeds at the heights of 0.6 cm，1.2 cm and 2.2 cm before 6-cm high embankment with different ambient wind speeds：10 m·s-1（a），15 m·s-1（b）and 20 m·s-1（c）

式中：U為流場(chǎng)水平方向速度；Umax和Umin分別為某一高度水平方向上流場(chǎng)最大速度和最小速度；ΔH為最大速度與最小速度之間距離（單位為路基高度H）。

根據(jù)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)流場(chǎng)風(fēng)速的變化趨勢(shì)，式（3）中三種高度處Umax均為5H處對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值，Umin為坡腳處對(duì)應(yīng)風(fēng)速值。因此，由式（3）可得，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，坡前三種高度處風(fēng)速的平均變化率K0.3、K0.6和K1.1分別為0.22 m·s-1·H-1、0.30 m·s-1·H-1和0.28 m·s-1·H-1（K0.3、K0.6、K1.1分別對(duì) 應(yīng)0.3、0.6、1.1 m 高度處速度變化曲線的K值）。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加時(shí)，坡前減速區(qū)（Ⅰ）內(nèi)風(fēng)速的變化總體規(guī)律基本不變。不同高度處，隨著風(fēng)場(chǎng)距路基坡腳距離的減小，風(fēng)速呈下降趨勢(shì)。然而，對(duì)比同一高度處風(fēng)速變化率，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，風(fēng)速變化率逐漸降低（表3）。因此，通過(guò)對(duì)比不同環(huán)境風(fēng)速條件下三種高度處的風(fēng)速變化率可以得出，流場(chǎng)在朝向路基運(yùn)移過(guò)程中，在三種環(huán)境風(fēng)速下，不同高度處風(fēng)速的衰減率不同，最大衰減率出現(xiàn)的位置為0.6 m 處，衰減幅度為對(duì)應(yīng)高度處初始環(huán)境風(fēng)速的27%～30%。

表3 環(huán)境風(fēng)速為15和20 m·s-1條件下不同高度處流場(chǎng)的衰減率Table 3 Wind speed attenuation rates at different heights with the ambient wind speeds of 15 and 20 m·s-1

3 結(jié)論

針對(duì)多年凍土區(qū)線性工程周邊流場(chǎng)風(fēng)速的分布特征，以青藏公路路基為對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究了不同高度、不同環(huán)境風(fēng)速條件下路基周邊流場(chǎng)風(fēng)速分布特征并進(jìn)行了分區(qū)量化，結(jié)論如下：

（1）未受擾動(dòng)流場(chǎng)自遠(yuǎn)場(chǎng)靠近、翻越、遠(yuǎn)離路基過(guò)程中，根據(jù)路基周邊流場(chǎng)風(fēng)速變化特征可分為3個(gè)區(qū)域，即坡前減速區(qū)、路面加速區(qū)和坡后擾動(dòng)區(qū)。針對(duì)塊石、通風(fēng)管等氣冷凍土路基而言，路基坡前減速區(qū)、坡后擾動(dòng)區(qū)流場(chǎng)風(fēng)速變化應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注，該區(qū)域速度大小及方向?qū)⒂绊憵饫漕?lèi)凍土路基內(nèi)部的對(duì)流換熱效率。此外，在風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域，路基坡前減速區(qū)和坡后擾動(dòng)區(qū)沙粒沉積可能存在差異。

（2）同一環(huán)境風(fēng)速條件下，隨著路基高度增加風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)水平范圍逐漸擴(kuò)大。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為10 m·s-1時(shí)，3、4和5 m高模型路基坡前減速區(qū)水平范圍分別為1.8H、2.2H和2.5H；坡后低速回流區(qū)分別為2.0H、3.0H和4.2H。在凍土區(qū)修筑分幅路基時(shí)，建議考慮流場(chǎng)分布對(duì)主動(dòng)冷卻路基降溫效果，分幅路基布設(shè)間距應(yīng)大于低速回流區(qū)范圍。

（3）隨環(huán)境風(fēng)速增加，路基坡前風(fēng)速擾動(dòng)水平范圍逐漸擴(kuò)大，環(huán)境風(fēng)速由10 m·s-1增加至20 m·s-1時(shí)，3 m 高路基坡前減區(qū)水平范圍由1.8H增加至5.5H。此外，在坡前減速區(qū)內(nèi)，同一高度處，隨環(huán)境風(fēng)速的增加，風(fēng)速沿水平方向衰減幅度呈下降趨勢(shì)。對(duì)于坡后低速回流區(qū)，環(huán)境風(fēng)速的增加對(duì)其分區(qū)影響較小，10、15和20 m·s-1環(huán)境風(fēng)速條件下，3 m高路基低速回流區(qū)水平范圍均集中在坡后1.8H內(nèi)。此外，環(huán)境風(fēng)速增加將強(qiáng)化路肩處流場(chǎng)“集中”效應(yīng)，風(fēng)速越大路肩處風(fēng)速增加幅度越大。

（4）路基對(duì)風(fēng)場(chǎng)的最大擾動(dòng)水平范圍包括低速回流區(qū)和消散恢復(fù)區(qū)兩部分。同一環(huán)境風(fēng)速條件下，在擾動(dòng)區(qū)水平范圍內(nèi)，路基高度的增加，對(duì)低速回流區(qū)水平范圍的影響大于消散恢復(fù)區(qū)。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為10 m·s-1，3、4 和5 m 路基坡后水平擾動(dòng)范圍分別為11.0H、12.2H和12.9H，而對(duì)應(yīng)的消散恢復(fù)區(qū)水平范圍均約為9.8H。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室屈建軍、李宏、謝勝波和譚立海四位老師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的指導(dǎo)與幫助。