高速公路附屬設(shè)施對加深風(fēng)吹雪災(zāi)害程度的數(shù)值模擬研究

林起飛 張立群 楊歡歡 周 輝 熊 航 張學(xué)峰 余澤韜

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

公路是現(xiàn)代社會重要的交通方式，我國公路交通經(jīng)過幾個時期的發(fā)展，得到了長足的進(jìn)步.截止到2019年我國公路總里程已達(dá)到485萬公里，高速公路達(dá)14.26萬公里，居世界第一位.但是，由于我國幅員遼闊，氣候條件復(fù)雜，氣候災(zāi)害對公路的影響也不容忽視.

風(fēng)吹雪為空氣中挾帶著雪粒子運(yùn)行的非典型的氣-固兩相流，而風(fēng)吹雪災(zāi)害是中國北方常見的一種自然災(zāi)害，分布較為廣泛，約占全國總面積的55.2%.它影響行車視線，容易造成交通事故，又易形成公路路面積雪，阻礙交通的正常運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失.現(xiàn)今，已有大量針對公路風(fēng)吹雪災(zāi)害的形成機(jī)理和防治措施的研究.張霞[1]主要對典型路基斷面雪害形成機(jī)理、雪害選線和典型路基斷面設(shè)計及路側(cè)設(shè)計進(jìn)行了研究.認(rèn)為路基多采用路堤形式，盡量不用路塹形式，選線時應(yīng)盡量與風(fēng)向平行.張海峰[2]過對鐵路不同路基形式進(jìn)行試驗，得到采用較高路堤高度、較小邊坡比和有較大風(fēng)速條件時可有效減輕路面風(fēng)吹雪災(zāi)害，較深的路塹、半路塹的邊坡有利于儲存積雪.

但是在針對公路風(fēng)吹雪的研究過程中，主要對公路的邊坡坡度和路基高度等影響因素進(jìn)行研究，忽略了公路附屬設(shè)施對加深風(fēng)吹雪災(zāi)害程度的影響，因此，本文利用Fluent軟件為工具，就高速公路護(hù)欄對公路風(fēng)吹雪災(zāi)害的形成的影響進(jìn)行研究，探究不同形式的公路護(hù)欄對公路路面風(fēng)速的影響，并判斷容易積雪的主要位置.

1 模型分析

1.1 物理模型

圖1 公路積雪災(zāi)害

圖2 公路波形護(hù)欄

本文數(shù)值模擬采用ICEM建模并劃分網(wǎng)格，將路基及周圍流場作為二維模型進(jìn)行計算，將計算域長度確定為路基前方取20m，后方取80m，高度取30m，試驗?zāi)M的工況為路基的四種不同截面形式即路堤、迎風(fēng)半路塹、背風(fēng)半路塹、全路塹結(jié)合三波形護(hù)欄、兩波形護(hù)欄、高度分別為0.9m、1m的混凝土護(hù)欄.路基邊坡坡度為1:1.5，路基高度8m，并設(shè)定x軸為水平風(fēng)流方向，y軸為豎直方向，用Fluent軟件對不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬.

1.2 邊界條件

模型左側(cè)為速度入口邊界，速度為14m/s,右側(cè)為自由出流邊界條件，頂部采用對稱邊界，底部為壁面條件，介質(zhì)類型為流體，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，離散格式采用二階離散格式，求解算法采用SIMPLEC算法，計算收斂誤差為10-5.

1.3 控制方程

將空氣看做不可壓縮流體.控制方程包括：1)連續(xù)性方程；2)動量方程；3)湍動能方程；4)耗散率方程

(1)

(2)

其中湍流脈動力為：

粘性系數(shù)：

(3)

其中湍動能生成項：

(4)

式中：湍動能k：耗散率為ε，紊流系數(shù)σk，Cμ，C1ε，C2ε，σε分別為1,0.09,1.44,1.92,和1.3.

圖3 混凝土防護(hù)欄 圖4 三波防護(hù)欄 圖5 雙波防護(hù)欄

2 模擬結(jié)果分析

2.1 不同路基截面形式下各防護(hù)欄公路路面風(fēng)速的結(jié)果分析

風(fēng)吹雪的形成條件主要包括充足的雪源和能夠使雪粒沉積的低風(fēng)速區(qū)，數(shù)值模擬中由于無法測出風(fēng)雪流的流體力學(xué)參數(shù)，因此，本文主要以空氣為研究對象，通過觀察公路周圍風(fēng)速的分布來判斷積雪災(zāi)害發(fā)生的主要位置和面積大小.由于躍移層的雪粒搬運(yùn)占總雪粒沉降量的90%，因此對路面垂直高度y=0.1m處風(fēng)速進(jìn)行主要分析，比較四種路基形式下五種工況的風(fēng)速.

由圖6可以看出，在全路塹形式中，無防護(hù)欄路面風(fēng)速為負(fù)值，說明此時的風(fēng)速方向與入口風(fēng)速相反，此處有較強(qiáng)的渦流產(chǎn)生，但是由于風(fēng)速的絕對值較大，此處并不容易積雪，在增設(shè)防護(hù)欄之后，四種防護(hù)欄對路面風(fēng)速都有較大影響，風(fēng)速整體降低，降低最大絕對值約7m/s，相同形式的防護(hù)欄路面風(fēng)速分布規(guī)律有很大的相似性，風(fēng)速相差不大.通過增設(shè)防護(hù)欄前后的對比，無防護(hù)欄時公路兩邊的路塹坡腳處4m范圍內(nèi)容易積雪，但是增加防護(hù)欄后，整個公路路面風(fēng)速都小于5m/s，雖有渦流區(qū)產(chǎn)生，但速度較低，不易裹走雪粒，容易產(chǎn)生大面積積雪.

圖6 全路塹y=0.1高度風(fēng)速折線圖 圖7 路堤y=0.1高度風(fēng)速折線圖

通過圖7可以看出，防護(hù)欄對迎風(fēng)坡坡腳和坡面處的風(fēng)速幾乎沒有影響，圖8中迎風(fēng)半路塹也有相同的規(guī)律.但是，在路堤中，氣流通過經(jīng)過坡面遇到坡頂時，改變了氣流走向，部分氣流加速并向上發(fā)展，也使路面風(fēng)速急劇增加，并隨著距離的增加，風(fēng)速不斷減小，雖在經(jīng)過中央隔離帶后，由于隔離帶的阻礙擠壓作用，特別是波形防護(hù)欄，風(fēng)速有所增加，但仍然只能達(dá)到氣流初到路面時風(fēng)速的20%左右，特別是混凝土防護(hù)欄，在氣流離開路面時風(fēng)速幾乎為0，與無防護(hù)欄時的20m/s相差較大.另外，未設(shè)防護(hù)欄時，路面風(fēng)速都在15m/s以上，都大于雪粒的啟動風(fēng)速，不會產(chǎn)生積雪，在設(shè)施防護(hù)欄后，不管何種形式的防護(hù)欄，風(fēng)速絕對值在5m/s范圍內(nèi)的路面長度約10m，這說明設(shè)置防護(hù)欄會增加路堤式公路的風(fēng)積雪災(zāi)害的風(fēng)險.圖8中迎風(fēng)半路塹路面的風(fēng)速分布規(guī)律和路堤具有極大相似性，只是由于路塹邊坡的阻擋作用，在氣流到達(dá)路塹坡腳前風(fēng)速下降，降幅約5m/s.在背風(fēng)半路塹工況中由于氣流經(jīng)過公路上空時，風(fēng)速較大，與地面形成風(fēng)速梯度，在路面附近形成了低速渦流.但是，由于在無防護(hù)欄的情況下路面風(fēng)速最高只有6m/s，風(fēng)速較小，波形防護(hù)欄下部的提速作用沒有得到充分發(fā)揮，提高速度只有2m/s左右，所以具有透風(fēng)性的波形防護(hù)欄相較于混凝土護(hù)欄對路面風(fēng)速的影響較小.

圖8 迎風(fēng)半路塹y=0.1高度風(fēng)速折線圖 圖9 背風(fēng)半路塹y=0.1 高度風(fēng)速折線圖

2.2 不同路基截面形式下各防護(hù)欄積雪情況分析

由于本次模擬采用單相流，無法從模擬結(jié)果中直接得到公路積雪曲線，但是風(fēng)積雪的形成需要較低的風(fēng)速，因此，本次主要通過各種工況下的風(fēng)速云圖進(jìn)行積雪情況的大致分析，通過低于雪粒啟動風(fēng)速的區(qū)域范圍進(jìn)行判斷，得到積雪分布情況.

圖10迎風(fēng)半路塹在不設(shè)防護(hù)欄的情況下，在迎風(fēng)面坡腳處有面積較小的低風(fēng)速區(qū)，會有利于雪粒沉積，但是整個路面的風(fēng)速較大，不會形成較大積雪，設(shè)置波形防護(hù)欄后，只有在迎風(fēng)側(cè)路面由于防護(hù)欄底部透風(fēng)，氣流收到擠壓，使路面風(fēng)速提高，隨著距離不斷增大和中央隔離帶的阻擋，路面風(fēng)速逐漸降低，容易造成路面積雪，而混凝土防護(hù)欄沒有透風(fēng)性，相當(dāng)于小尺寸“擋雪墻”，風(fēng)速降低明顯，積雪災(zāi)害更為嚴(yán)重.

圖10-1 無防護(hù)欄

圖11中背風(fēng)半路塹中氣流經(jīng)過路面上空時，上部風(fēng)速較大，在垂直方向產(chǎn)生了較大的風(fēng)速梯度，使路面附近產(chǎn)生渦流，但渦流的風(fēng)速較小，不能裹挾雪粒，因此整個路面都會產(chǎn)生積雪，設(shè)置防護(hù)欄對路面風(fēng)速分布不會產(chǎn)生較大影響，但會增大坡腳處的積雪區(qū)域面積.圖12深路塹底部會產(chǎn)生風(fēng)速較高的渦流，不容易產(chǎn)生積雪，設(shè)置防護(hù)欄后會影響渦流發(fā)展，由于防護(hù)欄的阻擋及加速作用，使渦流發(fā)展的位置整體右移，渦流區(qū)風(fēng)速降低，容易產(chǎn)生積雪.圖13路堤中防護(hù)欄設(shè)置對路面風(fēng)速影響較為明顯，若無防護(hù)欄，路面風(fēng)速能達(dá)到12m/s，在這種風(fēng)速條件下，路面積雪會被卷走，主要積雪區(qū)域位于背風(fēng)側(cè)的坡腳處，路面積雪災(zāi)害發(fā)生概率較低，增設(shè)防護(hù)欄后，特別是混凝土防護(hù)欄，使路面成為積雪重災(zāi)區(qū)，也使背風(fēng)側(cè)路基以下區(qū)域的積雪長度和面積增加.

圖11-1 無防護(hù)欄

圖12-1 無防護(hù)欄

圖13-1 無防護(hù)欄

3 結(jié) 論

(1)防護(hù)欄等附屬設(shè)施會明顯加深公路積雪災(zāi)害程度，在今后的公路風(fēng)積雪災(zāi)害的研究過程中，應(yīng)該考慮防護(hù)欄和中央隔離帶等附屬設(shè)施的影響.

(2)附屬設(shè)施能夠降低路面風(fēng)速，風(fēng)速降低最大位置在中央隔離帶前后，最大降幅在10m/s.

(3)與其它三種路基截面形式相比，背風(fēng)半路塹中防護(hù)欄對路面風(fēng)速的影響相對較小，降低平均風(fēng)速約2m/s，但路基下的積雪長度和面積有所增大.