高速公路風(fēng)吹雪災(zāi)害分析和擋雪板參數(shù)研究

戴 明

（中國鐵建投資集團有限公司，廣東 珠海 519000）

風(fēng)吹雪是指風(fēng)速超過臨界起動風(fēng)速后，由氣流挾帶起分散的雪粒在近地面向前運動的自然現(xiàn)象，這種典型的兩相流運動導(dǎo)致積雪重新分布.風(fēng)吹雪在全球分布廣泛，頻繁發(fā)生，對自然環(huán)境和社會經(jīng)濟的影響很大［1］.道路交通中的風(fēng)吹雪災(zāi)害主要體現(xiàn)在其降低路面能見度和阻礙車輛通行，我國西北和東北等高緯度和高海拔地區(qū)為風(fēng)吹雪現(xiàn)象高發(fā)地區(qū)，道路交通沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害呈現(xiàn)出“點多面廣線長”且時空分布不均勻的特點.

國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)吹雪災(zāi)害及防治的研究成果主要集中在風(fēng)吹雪機理等基礎(chǔ)理論和交通風(fēng)雪災(zāi)害防治技術(shù)應(yīng)用方面，采用的研究方法有野外觀測、風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬等.通過野外觀測獲得了風(fēng)吹雪發(fā)生時的風(fēng)速風(fēng)向［2］、溫濕度［2］、雪粒濃度［3］、風(fēng)吹雪頻率［4］、吹雪層厚度［5］、雪粒躍移通量［6］、臨界起動摩阻風(fēng)速［6］、風(fēng)吹雪輸運總量和懸移通量與摩阻風(fēng)速的關(guān)系［7］等參數(shù).通過室內(nèi)風(fēng)洞試驗得出了風(fēng)吹雪過程中雪粒粒徑［8］、風(fēng)雪躍移運動的臨界風(fēng)速［9］、躍移長度［10］、雪粒與床面的相互影響規(guī)律［11］，提煉出風(fēng)雪躍移運動的函數(shù)［12-14］，為風(fēng)雪躍移運動數(shù)值模擬提供了基礎(chǔ).數(shù)值模型從經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷诫p流體（E-E）模型［15］，再到風(fēng)雪躍移運動的顆粒軌跡（E-L）模型［16］.目前基于顆粒追蹤的三維風(fēng)吹雪模型逐步建立，但由于湍流的復(fù)雜性，很多工作還需進(jìn)一步探索.上述研究成果部分應(yīng)用到公路鐵路防雪工程設(shè)計中，例如美國懷俄明州高速公路自1971年設(shè)置防雪柵后，道路區(qū)域積雪減少近75%，每年減少由于積雪導(dǎo)致的道路關(guān)閉時間9 d，且顯著減輕道路災(zāi)害事故量［17］.我國的風(fēng)吹雪研究在風(fēng)雪流形成機理、運動規(guī)律、時空分布及其災(zāi)害防治等方面取得較多進(jìn)展［18］.進(jìn)入21世紀(jì)以來，高寒地區(qū)大量公路鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)導(dǎo)致面臨的風(fēng)吹雪問題逐漸增多，在風(fēng)吹雪基礎(chǔ)理論研究及工程應(yīng)用研究上發(fā)展較快［19-21］.其中，防雪柵欄和擋雪板等措施在新疆艾肯達(dá)坂公路、精伊霍鐵路、阿富準(zhǔn)鐵路、克塔公路等交通設(shè)施沿線發(fā)揮作用.但由于防雪設(shè)施的擋雪效果與其高度、底部離地間隙、孔隙率等設(shè)計參數(shù)有關(guān)，不同參數(shù)的組合影響會產(chǎn)生不同的積雪沉積效果.

風(fēng)吹雪的發(fā)生會受到當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?、風(fēng)速風(fēng)向、降雪程度等局部氣候環(huán)境以及路基結(jié)構(gòu)形式等多種因素的共同影響，具有很強的地域性，因此對于已有的相關(guān)理論、技術(shù)和措施不能照搬或直接使用，需要根據(jù)實際情況開展分析研究.

新建京新高速公路（G7）新疆巴里坤至木壘段（以下簡稱巴木段）位于東天山北麓，長約260 km，按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度為120 km/h.項目所經(jīng)部分地段降雪期無人居住和行走，缺乏氣象觀測資料，基于巴木段所經(jīng)區(qū)域風(fēng)雪時空分布復(fù)雜的現(xiàn)狀，本文采用現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬分析，獲取了該路線易發(fā)生風(fēng)吹雪災(zāi)害區(qū)域內(nèi)的風(fēng)雪場和環(huán)境條件，總結(jié)了不同路基結(jié)構(gòu)形式下的風(fēng)吹雪規(guī)律，進(jìn)而依據(jù)實測雪粒參數(shù)建立多相流數(shù)值模型，分析了擋雪板結(jié)構(gòu)參數(shù)對路基內(nèi)外風(fēng)雪場的影響，并給出擋雪板設(shè)置參數(shù)，為工程建設(shè)和運營中風(fēng)吹雪防護提供技術(shù)依據(jù).

1 風(fēng)吹雪特征

1.1 研究背景與監(jiān)測條件

京新高速新疆巴木段屬于大陸性寒冷干旱氣候區(qū)，冬季嚴(yán)寒，降雪量大，亂風(fēng)現(xiàn)象明顯，氣候條件復(fù)雜.根據(jù)歷史氣象和雪害調(diào)查資料，巴里坤縣降雪最大積雪深度達(dá)38 cm，木壘縣最大積雪深度為44 cm，整個冬季降雪日數(shù)平均在40 d，降雪量94.4 mm.巴里坤和木壘地區(qū)風(fēng)向多為南風(fēng)、西南風(fēng)和西風(fēng)，巴木段路線大致為東西走向，風(fēng)向與路線交角較大，極易發(fā)生風(fēng)吹雪害.此外，高速公路沿線地形地貌的較大差異也會導(dǎo)致風(fēng)吹雪害嚴(yán)重程度不一.

綜合考慮高速公路沿線的地形、地貌、主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)吹雪危害程度、填挖高度及橋涵工程等因素，重點選擇淺路塹、深路塹、互通、路堤路塹過渡段、下穿、隧道等風(fēng)吹雪較嚴(yán)重路段具代表性的工點，設(shè)置22處監(jiān)測點.監(jiān)測點位如圖1所示.

圖1 巴木段監(jiān)測點位示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring points in Bamur Railway Station

采用自主設(shè)計的自動氣象站獲取監(jiān)測點位的溫濕度、1.5 m和3 m梯度風(fēng)速以及風(fēng)向數(shù)據(jù)，每套監(jiān)測設(shè)備可分為供電保障系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)等部分.監(jiān)測時間從2020年11月11日 至2021年3月20日，總 計130 d.采集數(shù)據(jù)實時上傳至新疆京新高速風(fēng)吹雪監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)平臺.監(jiān)測設(shè)備如圖2所示.

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備Fig.2 Field monitoring equipment

1.2 現(xiàn)場風(fēng)吹雪特征分析

1.2.1 環(huán)境條件

環(huán)境條件主要包括溫度、濕度、光照、地形地貌等條件，溫濕度與光照條件會明顯改變積雪密度和粒徑，粒徑直接影響雪粒起動風(fēng)速，而雪粒會在蠕移、躍移和懸移運動中相互碰撞，磨去其晶體枝椏結(jié)構(gòu)，在數(shù)值研究中通常簡化為粒徑符合正態(tài)分布的球體結(jié)構(gòu)［22］.

圖3巴里坤縣2020年11月至2021年2月氣溫曲線圖Fig.3 Temperature graph of Barkol from November 2020 to February 2021

圖3 為巴里坤縣氣象站2020年11月至2021年2月氣溫變化數(shù)據(jù)，期間平均氣溫在-15℃～-10℃之間，木壘縣氣象站與巴里坤氣象站溫度變化趨勢一致.文獻(xiàn)［23］指出雪粒起動速度與環(huán)境溫度呈指數(shù)關(guān)系，在溫度低于-6℃時雪粒起動風(fēng)速約為3.4 m/s.沿線區(qū)域氣候干燥，導(dǎo)致低溫條件下雪粒表面難以凍結(jié)形成冰殼，在風(fēng)驅(qū)使下易處于運動狀態(tài).在巴木段沿線取4個測點測量雪后積雪密度、雪粒起動風(fēng)速、雪粒粒徑等后續(xù)試驗必要參數(shù).其中，積雪密度采用稱重法，所得結(jié)果如表1所示.可見高速公路所在區(qū)域沉積雪與我國其他地區(qū)冬季實測積雪密度接近，新雪密度則明顯小于其他地區(qū)，因此后續(xù)數(shù)值計算雪粒密度選定為4個測點的平均值0.127 g/cm3.采用可移動風(fēng)洞對現(xiàn)場風(fēng)吹雪的起動風(fēng)速進(jìn)行測定，當(dāng)高度為5 cm測點（對應(yīng)實際高度3 m）的風(fēng)速為3.37 m/s時，雪粒產(chǎn)生明顯運動，考慮到目視誤差，后續(xù)數(shù)值計算雪粒起動閾值風(fēng)速設(shè)定為3 m/s，如圖4所示.

圖4 風(fēng)速測量設(shè)備和風(fēng)速測量剖面Fig.4 Wind speed measuring equipment and wind speed measuring profile

表1 積雪密度測量結(jié)果Tab.1 Measuring results of snow density

1.2.2 風(fēng)場條件

風(fēng)是風(fēng)吹雪現(xiàn)象的動力來源，以3 m/s為雪粒起動風(fēng)速，K219+540監(jiān)測點降雪期間的30 min平均風(fēng)速大于起動風(fēng)速的占比46.9%，圖5為該監(jiān)測點起動風(fēng)速玫瑰風(fēng)圖.由圖5可知，該區(qū)域盛行西北風(fēng)和北風(fēng)，分別占起動風(fēng)速的52.3%和36.2%，路線呈東-西走向，即區(qū)域內(nèi)主要起動風(fēng)向與路線呈垂直或斜交；監(jiān)測點最大瞬時風(fēng)速在8.3 m/s，平均風(fēng)速2.55 m/s.從風(fēng)速和風(fēng)向角度均可以看出該監(jiān)測點位區(qū)域易出現(xiàn)風(fēng)吹雪現(xiàn)象.

圖5 K219+540監(jiān)測點大于起雪風(fēng)速玫瑰風(fēng)圖Fig.5 Rose wind map of wind greater than starting snow speed during snowfall at K219+540

1.2.3 雪場條件

雪是風(fēng)吹雪的物質(zhì)來源，2021年1月19日，巴里坤縣和木壘縣降水量分別為10.5 mm和14.5 mm，雪后對巴木段里程K198+700～K259+806進(jìn)行了雪情調(diào)查.

K216+000附近路面積雪厚度在50 cm以上，路堤左側(cè)為來流方向，如圖6所示.高速公路波形梁護欄和中央隔離帶對風(fēng)雪流運動產(chǎn)生較大影響，無路側(cè)護欄或纜索護欄路段的風(fēng)雪流通過阻礙小，路面近乎無積雪.

圖6 K216+000附近路段積雪情況Fig.6 Snow accumulation along K216+000 section

2 風(fēng)吹雪與路基形式關(guān)系

2.1 路堤試驗段

連續(xù)填方路段K206+100斷面的高度為5 m，路堤-路塹過渡段K219+540斷面的路堤高度為1 m，分別測試其風(fēng)速流場和積雪分布，結(jié)果如圖7和圖8所示.由圖7可以看出K206+100斷面上風(fēng)側(cè)邊坡坡腳處風(fēng)速最小，沿路堤邊坡向上風(fēng)速逐漸增高，至路肩附近達(dá)到最大.路面風(fēng)速大于來流風(fēng)速.下風(fēng)側(cè)邊坡風(fēng)速順坡向大幅度下降，至坡腳處風(fēng)速降低到最小值.路基邊坡積雪面傾角為56°，符合雪粒子休止角的范圍.路堤斷面各處風(fēng)速分布的不均勻性直接影響到積雪分布特征，雪粒主要堆積于路堤兩側(cè)坡腳位置，如圖8所示，積雪深度最大達(dá)到71 cm，路面雪深僅為2～3 cm.

圖7 路堤斷面風(fēng)速分布Fig.7 Distribution of wind speed at the cross section of embankment

圖8 路堤積雪雪深分布Fig.8 Distribution of snow depth at the cross section of embankment

K219+540斷面所在區(qū)域被積雪完全覆蓋，道路輪廓不清楚，受風(fēng)吹雪影響很大.路堤各部位風(fēng)速變化情況與K206+100斷面一致，但路面風(fēng)速較小且波動幅度不明顯.下風(fēng)側(cè)坡腳積雪厚度達(dá)到101 cm，路面積雪平均厚度為12 cm，分別是K206+100路段的1.4倍和4.8倍.由此可見，風(fēng)速對積雪分布的影響顯著.風(fēng)速越低，產(chǎn)生的驅(qū)動力不足以平衡雪粒之間和雪粒與地面之間的摩阻力，往往產(chǎn)生較為明顯的積雪分布，因此工程中應(yīng)注意對低風(fēng)速地區(qū)的防雪除雪.此外，低路堤易受到路側(cè)障礙物的影響，應(yīng)清除路基兩側(cè)凸出的亂石堆、小土丘、草墩、灌木叢等障礙物，避免路基或路面范圍出現(xiàn)低風(fēng)區(qū).

2.2 路塹試驗段

分別測試填挖過渡路段K164+000斷面和連續(xù)路塹路段K219+940斷面的風(fēng)速流場和積雪分布，結(jié)果如圖9和圖10所示.K164+000斷面路塹深度約5 m，從上風(fēng)側(cè)邊坡開始風(fēng)速下降，在坡頂附面層分離，風(fēng)速急劇減弱.上風(fēng)側(cè)路肩處風(fēng)速分別為1.4 m/s和1.7 m/s，僅為來流風(fēng)速的46%和32%，雪粒子堆積在上風(fēng)側(cè)邊坡，積雪形成沉積鋒面，在鋒面前緣形成新的減速區(qū)，并逐漸向路面推進(jìn).位于上風(fēng)側(cè)邊坡坡腳和路基坡腳之間的左側(cè)積雪平臺處風(fēng)速變化明顯，積雪較厚，最大積雪深度為35.5 cm.路面平均風(fēng)速分別為1.5 m/s和2 m/s，明顯低于來流風(fēng)速，風(fēng)雪流經(jīng)過路面時有少量雪粒子沉積.下風(fēng)側(cè)邊坡風(fēng)速再次減小，在右側(cè)積雪平臺處形成減速區(qū)，該處最大積雪深度為24 cm.風(fēng)雪流到達(dá)坡頂后，風(fēng)速逐漸恢復(fù).

圖9 路塹斷面風(fēng)速分布Fig.9 Comparison of wind speed at the cross section of cutting

圖10 路塹積雪雪深分布Fig.10 Distribution of snow depth at the cross section of cutting

K219+940與K164+000斷面路塹深度接近，但是前者路塹內(nèi)積雪更為嚴(yán)重，分析原因是其位于長度300 m的連續(xù)路塹，地形對風(fēng)雪流的擾動范圍遠(yuǎn)大于連續(xù)填挖過渡路段路塹.

3 數(shù)值模型的建立與驗證

3.1 運動模型與方程

本文采用不可壓縮流雷諾時均方程（Reynolds-Average Navier-Stokes，RANS）表示流場特征，其動量方程為

在其中加入重整化群的k-ε湍流模型，以封閉RANS方程中的時均項進(jìn)行求解，其中湍流模型的湍動能k為

式中：t為計算時間；ρ為空氣密度，取值為1.225 g/cm3；p為 壓 強；xi和xj表 示 流 場 和 重 力 方 向上的長度分量；ui和uj為平均速度分量；u′i和u′j為脈動速度分量；σij為應(yīng)力張量分量；μ表示空氣動力黏度，取值為17.9×10-6Pa/s，μt由Cμ計算得出，Cμ取值為0.084 5；Gk表示層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；αk和αε分別表示ε方程的湍流普朗特常數(shù)和湍流額外波動，取值均為1.39；C1ε和C2ε分別為經(jīng)驗系數(shù)，取值為1.42和1.68.

上述方法對小范圍內(nèi)流場劇烈變化的情況有較好的模擬精確度［24-25］.

將雪粒視為連續(xù)體，采用歐拉多相流模型，引入雪粒體積分?jǐn)?shù)的概念，添加雪相運動控制方程如下，

式中：ρs為雪粒密度，設(shè)為現(xiàn)場實測值0.127 g/cm3；fs為雪粒體積分?jǐn)?shù)；Sc為施密特數(shù)，取值為1.

公式中的每一項表示雪粒的不同運動狀態(tài)，其中等式左邊第一項為非定常項，表示與時間相關(guān)的物理變化量，在定常計算中可忽略該項，等式左邊第二項和右邊第一項共同表示雪粒運動的對流-擴散特征.計算中各相體積分?jǐn)?shù)之和恒為1，將風(fēng)吹雪視為不可壓縮流，采用Syamlal-Obrien模型考慮氣體對雪粒的曳力.

3.2 計算域模型建立

建立高速公路路基與擋雪板模型如圖11所示，路基面寬度27 m，邊坡坡度1∶4，擋雪板具體尺寸隨工況變化，不同工況擋雪板尺寸如表2所示.為保證進(jìn)口流場的充分發(fā)展和減少計算域邊界壁面對主要模型域的影響，計算域整體尺寸較主要模型域至少擴大10倍，設(shè)定流場方向1 000 m，線路方向500 m，高度50 m.

表2 不同形式擋雪板計算工況Tab.2 Calculation conditions for different forms of snow guards

圖11 路基與擋雪板區(qū)域模型Fig.11 Mixed mesh of snow snow guard

擋雪板處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時減小網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率.為考慮極端風(fēng)雪災(zāi)害，假定來流風(fēng)向均垂直于擋雪板與線路方向.計算模型的邊界條件如表3所示.

表3 邊界條件Tab.3 Boundary conditions

式中：v(z)為高度z處的風(fēng)速；u*t為閾值摩擦速度，取值為0.26 m/s，對應(yīng)流場入口高度3 m處風(fēng)速為6 m/s；κ為卡曼常數(shù)，取值為0.4；z0為壁面粗糙度高度，取值為3.0×10-4m.

計算中采用SIMPLEC算法求解不可壓縮流，實現(xiàn)耦合代數(shù)方程組的解耦及速度場和壓力場的修正，其中壓力差值采用Standard格式，其他選用精度較高的二階迎風(fēng)格式.

3.3 結(jié)果可靠性檢驗

3.3.1 網(wǎng)格無關(guān)性分析

本文采用的Fluent 18.0軟件中求解質(zhì)量方程和動量方程均是以有限體積法為基礎(chǔ)，其單元節(jié)點位于網(wǎng)格邊的中點及網(wǎng)格體的中心，因此模型網(wǎng)格單元尺寸與數(shù)量會直接影響結(jié)果.由于風(fēng)吹雪現(xiàn)象涉及明顯的湍流作用，因此近地面和主要模型近壁面處采用邊界層網(wǎng)格，壁面函數(shù)計算要求第一層網(wǎng)格尺寸y+在30～300之間，本文模型y+為34.05，符合計算要求.

表4為不同網(wǎng)格尺寸下的計算條件和計算結(jié)果，選取4組不同的網(wǎng)格尺寸，每組中最大結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格尺寸均設(shè)置為最大非結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格的10倍，各組模擬時長均為300 s以保證流場的充分發(fā)展和積雪的穩(wěn)定分布.可以看出當(dāng)稀疏處結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格尺寸為0.5和0.2時，相鄰網(wǎng)格間誤差值最大達(dá)到18.0%和9.6%，當(dāng)稀疏處結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格尺寸為0.1和0.05時，誤差值低于5%，4組網(wǎng)格尺寸中加密處非結(jié)構(gòu)型相鄰網(wǎng)格間的誤差值均小于3%.綜合結(jié)構(gòu)型和非結(jié)構(gòu)型相鄰網(wǎng)格的計算誤差，可以認(rèn)為第3組和第4組網(wǎng)格尺寸的計算結(jié)果精度已滿足要求，且隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計算

表4 不同網(wǎng)格尺寸下計算條件與結(jié)果Tab.4 Calculation conditions and results under different mesh sizes

結(jié)果與網(wǎng)格不再保持顯著的敏感性.

3.3.2 計算時間相關(guān)性分析

在多相流瞬態(tài)計算中積雪分布與計算時間呈現(xiàn)出相關(guān)性，圖12為不同計算時間下無孔隙3m高擋雪墻兩側(cè)的積雪分布.對應(yīng)圖12中的雪粒體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)見表5.由表5可知，計算初期，擋雪板兩側(cè)雪量堆積迅速增加，隨著模擬時長的增加擋雪板兩側(cè)雪量也會不斷增長，但增長率越來越慢，同時出口邊界的雪量則迅速增加.綜合考慮積雪分布穩(wěn)定性和計算時長條件，本文選擇t=300 s作為后續(xù)模擬時長.

表5 各點位雪粒體積分?jǐn)?shù)Tab.5 Volume fraction of snow particle at different points

圖12 不同模擬時長下的雪量分布Fig.12 Distribution of snow under different simulation durations

為了提高計算效率，計算中首先開展單向流場模擬，待其達(dá)到收斂后，添加雪粒進(jìn)行多相流瞬態(tài)計算.瞬態(tài)計算中時間時長為5×10-2s，單時間步長內(nèi)迭代次數(shù)為20，保證每一個時間步長內(nèi)殘差曲線均達(dá)到收斂.

根據(jù)上述試算與分析，綜合考慮計算時長，最終選定計算域稀疏處結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格最大值為0.1，加密處非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格最大值為0.01，網(wǎng)格間取1.05的遞增率進(jìn)行加密，模擬時長為300 s.

3.3.3 路堤段對比分析

將K206+100路堤斷面風(fēng)速和雪深的數(shù)值計算結(jié)果與實際值對比，如圖13和圖14所示.可以看出，二者變化趨勢較為一致，路堤路基風(fēng)場廓線形狀近似于“n”形，積雪分布則與風(fēng)速分布相反呈“u”形分布.由于路堤的阻礙作用，路基上風(fēng)側(cè)坡腳處風(fēng)速劇烈衰減，順著坡面風(fēng)速持續(xù)增加至坡頂，風(fēng)速到達(dá)路面中央略有減小，道路表面積雪少.背風(fēng)坡坡腳因存在渦旋減速區(qū)，風(fēng)速再一次衰減，路基兩側(cè)雪深較大.

圖13 K206+100路堤斷面實測風(fēng)速與數(shù)值計算結(jié)果對比Fig.13 Wind distribution comparison of measured value and numerical results at K206+100 embankment cross section

圖14 K206+100路堤斷面實測積雪深度分布與數(shù)值計算結(jié)果對比Fig.14 Snow depth distribution comparison of measured value and numerical results at K206+100 embankment cross section

3.3.4 路塹段對比分析

對比分析K164+000路塹段風(fēng)速和雪深的數(shù)值計算結(jié)果與實際測量值，如圖15和圖16所示.可以看出兩者變化趨勢較為一致，路塹路基風(fēng)場廓線形狀近似于“w”形，路塹內(nèi)積雪分布表現(xiàn)為“m”形.順來流方向，路塹邊坡坡頂風(fēng)速增大，然后在積雪平臺內(nèi)風(fēng)速衰減，而道路表面的風(fēng)速相對積雪平臺則有所增大，這種風(fēng)速變化趨勢使得路塹外吹向路塹內(nèi)的雪粒較多地沉積于積雪平臺，有效地減少了道路表面的積雪量.

圖15 K164+000路塹斷面實測風(fēng)速與數(shù)值計算結(jié)果對比Fig.15 Wind distribution comparison of measured value and numerical results at K164+000 cutting cross section

圖16 K164+000路塹斷面實測積雪深度分布與數(shù)值計算結(jié)果對比Fig.16 Snow depth distribution comparison of measured value and numerical results at K164+000 cutting cross section

4 擋雪板設(shè)計參數(shù)分析

4.1 擋雪板底部間隙對風(fēng)雪場影響

為避免擋雪板底部間隙d的變化引起整體孔隙率的變化，模型中擋雪板孔隙率β設(shè)為0，擋雪板高度H為4 m.圖17為擋雪板不同底部間隙工況下的風(fēng)速流場分布云圖.可以發(fā)現(xiàn)，在d=0時，擋雪板上風(fēng)側(cè)流場受到完全的阻礙作用，底部速度幾乎衰減至0；下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)單個尺度相對較大的渦旋，其中心風(fēng)速減弱最為明顯，而在渦旋外側(cè)風(fēng)速恢復(fù)較快.隨著d增大，氣流的壓縮作用使得近地面存在流場加速區(qū)，擋雪板下部流速明顯增強，上風(fēng)側(cè)雪粒更多地通過擋雪板進(jìn)入下風(fēng)側(cè)，同時形成的渦旋數(shù)量逐漸增多，分布范圍也越來越廣泛.

圖17不同擋雪板底部間隙下風(fēng)速云圖Fig.17 Contour of wind speed under different bottom gaps of snow guard

圖18 為擋雪板不同底部間隙工況下的積雪分布云圖.可以發(fā)現(xiàn)，隨著底部間隙從無到有并逐步增大，積雪逐漸由擋雪板前向擋雪板后移動，并且積雪堆積趨勢越來越平緩.當(dāng)d=0時，越過擋雪板上方的雪粒較少，積雪主要集中在擋雪板前大約8m左右位置；隨著d增大，擋雪板后并緊靠擋雪板的位置積雪相對無底部間隙時減少，原因是渦旋影響積雪的分布.

圖18擋雪板不同底部間隙下雪量體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.18 Contour of snow volume fraction under different bottom gaps of snow guard

4.2 擋雪板高度對風(fēng)雪場影響

圖19為擋雪板不同高度下雪粒體積分?jǐn)?shù)云圖，其中β=0.25，d=0.2 m.可以發(fā)現(xiàn)，不同高度擋雪板附近雪粒體積分?jǐn)?shù)最大值隨擋雪板高度的增加而向板后偏移，后移距離約為2H.

圖19 不同擋雪板高度下雪粒體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.19 Contour of snow volume fraction under different heights of snow guard

圖20為不同高度擋雪板工況下的水平風(fēng)速分布.在低于擋雪板高度（距離地面0.2 m高）的區(qū)域，板后減速效果均較為明顯，并且擋雪板后的渦旋區(qū)范圍隨擋雪板高度的增加而增大.隨著擋雪板高度的增加，渦旋中心逐漸右移，積雪覆蓋范圍逐漸增大.H=2 m時，擋雪板的下風(fēng)側(cè)存在長約25 m，高1 m的渦旋區(qū)范圍；H=3 m時，擋雪板的下風(fēng)側(cè)存在長約30 m，高約2.5 m的渦旋區(qū)；H=4 m時，擋雪板下風(fēng)側(cè)存在長約40 m，高約3 m的渦旋區(qū).當(dāng)監(jiān)測位置高于擋雪板高度時（距離地面4 m高），板后減速效果隨擋雪板高度的增加而愈加明顯，在高于擋雪板H時，板后風(fēng)速變化較小，即擋雪板阻風(fēng)的影響高度約為H.

圖20 不同高度擋雪板兩側(cè)流速分布Fig.20 Velocity distribution on both sides of snow guard with different heights

不同高度擋雪板工況下雪量分布如圖21所示.可以發(fā)現(xiàn)，擋雪板越高，有效阻雪距離及阻雪量越大.β=0.25時，不同高度擋雪板下風(fēng)側(cè)積雪沉積范圍在10H～14H之間.H=2 m時，雪粒體積分?jǐn)?shù)在20～30 m位置逐漸穩(wěn)定，H=3 m和4 m時，雪顆粒體積分?jǐn)?shù)分別在30～40 m、40～50 m位置減緩.

圖21 擋雪板高度對雪量的影響Fig.21 Effect of snow guard height on snow volume

4.3 擋雪板孔隙率對風(fēng)雪場影響

孔隙率為擋雪板區(qū)別于實心擋雪板（β=0）最主要的結(jié)構(gòu)特征.圖22為不同孔隙率擋雪板的雪粒體積分?jǐn)?shù)云圖，其中H=4 m，d=0.2 m.可以發(fā)現(xiàn)由于低孔隙率擋雪板附近風(fēng)場減速效果明顯，雪粒沉積往往較多.β=0的擋雪板的積雪主要分布在上風(fēng)側(cè)以及下風(fēng)側(cè)距離擋雪板較近的位置，積雪高度存在一個明顯的峰值，但積雪距離較短.β=0.25的擋雪板上風(fēng)側(cè)的雪量有所降低，下風(fēng)側(cè)積雪長度有所增加.隨著孔隙率的增加，積雪更多的向下風(fēng)側(cè)堆積，積雪分布范圍更為廣泛，積雪形態(tài)也更加平緩.

圖22 不同擋雪板孔隙率下雪粒體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.22 Contour of snow volume fraction under different porosities of snow guard

不同孔隙率擋雪板風(fēng)速分布如圖23所示.可以發(fā)現(xiàn)，實心擋雪板下風(fēng)側(cè)對風(fēng)場的影響最為顯著.在擋雪板下風(fēng)側(cè)存在一個長約35 m，高約3 m的風(fēng)速衰減區(qū)，其中最大回流速度為2.6 m/s，在40 m之后風(fēng)速快速回升；當(dāng)β=0.25、0.4和0.6時，擋雪板下風(fēng)側(cè)風(fēng)速衰減相對減緩，但風(fēng)速回升點位達(dá)到了擋雪板下風(fēng)側(cè)50、60和80 m左右，即隨著β的增大，渦流由小范圍的劇烈作用轉(zhuǎn)變?yōu)榇蠓秶鷥?nèi)的平緩影響，擋雪板下風(fēng)側(cè)的渦旋區(qū)中心向更遠(yuǎn)處偏移，減速范圍增大，最大回流速度減小.

圖23 擋雪板孔隙率對風(fēng)速的影響Fig.23 Effect of snow guard porosity on wind velocity

不同孔隙率擋雪板工況下雪量分布如圖24所示.可以發(fā)現(xiàn)，實心擋雪板的下風(fēng)側(cè)積雪沉積范圍在35 m左右，隨后雪粒體積分?jǐn)?shù)趨于平緩；β=0.25和0.4時板后積雪沉積范圍約為45 m（11H）、60 m（15H），這與β=0.25時擋雪板高度H和風(fēng)雪分布特征研究的結(jié)論一致.即隨著β增加，板后積雪分布曲線變化波動減緩，雪粒沉積范圍增大；擋雪板下風(fēng)側(cè)需要增加儲雪距離，避免路基面與擋雪板過近使得路基面處于風(fēng)速減弱區(qū).

圖24 擋雪板孔隙率對雪量的影響Fig.24 Effect of snow guard porosity on snow volume

5 結(jié)論

1）高速公路沿線復(fù)雜的地形地貌和氣候條件使得風(fēng)吹雪災(zāi)害在空間和時間上呈現(xiàn)不均勻分布差異.巴里坤、木壘地區(qū)冬季降雪充足，雪密度較小，風(fēng)力強勁，沿線空氣干燥，冬季全天氣溫在零度以下的條件均促進(jìn)風(fēng)吹雪災(zāi)害的發(fā)生.

2）高路堤受到風(fēng)吹雪災(zāi)害影響較小，路塹路基最易出現(xiàn)路面雪粒沉積，積雪最初堆積在兩側(cè)坡腳位置并逐漸向路面蔓延.積雪平臺的設(shè)置可承載較多被吹向路塹內(nèi)的雪粒，同時能夠增大路面流速，減少沉積于路面的雪粒.

3）擋雪板底部間隙的存在使近地面流場加速，雪粒向下風(fēng)側(cè)延伸，避免了積雪過多堆積在擋雪板兩側(cè)而減弱擋雪板作用.隨著底部間隙的增大，雪堤向后移動，積雪沉積范圍增大，但擋雪板下風(fēng)側(cè)和路基間所需的沉積距離也相應(yīng)增加.

4）增加擋雪板高度會增加擋雪板下風(fēng)側(cè)積雪沉積范圍，β=0.25時，不同高度擋雪板下風(fēng)側(cè)積雪沉積范圍約為11H；增加β會增加擋雪板下風(fēng)側(cè)沉積距離，使得積雪更趨于平緩分布，β=0.4和0.6的擋雪板與路基間距離應(yīng)大于15H和20H.