壩陵河大橋橋位深切峽谷風(fēng)剖面實測研究

朱樂東，任鵬杰，陳 偉，3，周 成，王繼全

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，上海 200092）

壩陵河大橋橋位深切峽谷風(fēng)剖面實測研究

朱樂東1，2，3，任鵬杰2，陳 偉2，3，周 成2，王繼全2

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，上海 200092）

用相控陣聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀對壩陵河大橋橋址處深切峽谷中風(fēng)剖面進(jìn)行了實地觀測，結(jié)果表明：在地形復(fù)雜的山區(qū)深切峽谷中，平均風(fēng)剖面受峽谷地形影響較大，形態(tài)有時顯得較為復(fù)雜而不規(guī)則，呈現(xiàn)鋸齒形、正切變形或逆切變形等多樣化。在峽谷的上半部，平均風(fēng)速較大時其剖面相對較為規(guī)則，但不符合規(guī)范中描述平坦地貌平均風(fēng)速剖面的冪函數(shù)形式，而具有e指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律。此外，統(tǒng)計顯示，風(fēng)向角在低空范圍內(nèi)受峽谷地形的影響要比在高空范圍內(nèi)嚴(yán)重，其在低空范圍的變化幅度也要比在高空范圍的變化幅度大。風(fēng)迎角的散布范圍和絕對值大小均隨高度的增加呈減小的趨勢。觀測得到的峽谷湍流度大于平坦地貌湍流度的規(guī)范推薦值，同時峽谷湍流度具有一定的隨機(jī)性，并且這種隨機(jī)性隨高度的增加而變大。

深切峽谷；平均風(fēng)速剖面；湍流度剖面；現(xiàn)場實測；聲雷達(dá)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，西部大開發(fā)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對交通能力的要求不斷提高。西部多山地區(qū)將建立越來越多的跨峽谷大橋，而為了確保橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下能夠安全通行，就必須合理確定橋址處的風(fēng)場特性，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計提供可靠的依據(jù)。現(xiàn)在對山區(qū)風(fēng)場的研究主要集中在山頂風(fēng)速加速效應(yīng)以及山體背風(fēng)區(qū)湍流特性的研究，或者是多重山脈干擾效應(yīng)作用下風(fēng)場特性的研究［1－2］，而對深切峽谷中的風(fēng)場特性研究還很少，陳政清等［3］通過湘西矮寨大橋橋址處地形模型的風(fēng)洞實驗，對峽谷地形的風(fēng)場進(jìn)行了研究，但風(fēng)洞試驗的研究結(jié)果并不能完全準(zhǔn)確地反映山區(qū)峽谷地區(qū)的實際風(fēng)場特性。氣象部門［4］通過現(xiàn)場實測曾對山谷地形的風(fēng)溫輪廓線特征進(jìn)行了一些研究，但是目前還鮮有針對橋梁抗風(fēng)設(shè)計的深切峽谷地形風(fēng)場現(xiàn)場實測研究。作者通過在壩陵河大橋橋址處進(jìn)行現(xiàn)場實測，取得了一些關(guān)于深切峽谷地形風(fēng)場特性的資料。

1 工程概況

壩陵河位于貴州省西南部，屬珠江水系北盤江流域，北部為石山山原山地和盆地，海拔較高，地形起伏較大；南部為低中山，低山丘陵。區(qū)內(nèi)河流切割侵蝕強(qiáng)烈，地形破碎，巖溶發(fā)育明顯，坡度大，地表常處于干旱缺水狀況。按照氣候帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)為典型的中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，雨熱同季，多云寡照，四季分明，具有溫和，春干夏雨的氣候特點。壩陵河大橋地處高山峽谷之間，橋位處峽谷近接南北方向，深約560m，谷頂寬約2～2.5km。橋位處的山地氣象條件與河流、平原地區(qū)存在明顯差異。與沿海和平原地區(qū)風(fēng)速相比，山區(qū)峽谷陣風(fēng)強(qiáng)烈、頻繁，湍流強(qiáng)度大，非平穩(wěn)特性突出。壩陵河大橋為國內(nèi)首座單跨超過千米的鋼桁加勁梁懸索橋，主跨1088m。大橋跨越壩陵河峽谷，結(jié)構(gòu)跨度大、結(jié)構(gòu)自振頻率低，對風(fēng)的作用敏感，運營和施工中的抗風(fēng)安全是壩陵河大橋設(shè)計的一項控制因素。故需要開展橋位處山區(qū)峽谷自然風(fēng)風(fēng)場特性、風(fēng)參數(shù)的實測研究工作，為壩陵河大橋的抗風(fēng)設(shè)計提供合理的風(fēng)場參數(shù)。研究結(jié)果對其它工程具有借鑒價值。

表1 MFAS型SODAR風(fēng)廓線儀主要性能指標(biāo)Table 1 Main parameters of MFAS SODAR wind profiler

2 試驗概況

2.1 試驗儀器和測點位置介紹

本次實地風(fēng)剖面測量采用了由德國SCINTEC公司生產(chǎn)的MFAS型相控陣聲雷達(dá)（SODAR）風(fēng)廓線儀系統(tǒng)（圖1）進(jìn)行風(fēng)廓線的實測。該聲雷達(dá)能夠測量三維風(fēng)速和風(fēng)向及湍流豎向剖面；儀器主要性能指標(biāo)見表1。主要附件有：MFASNS標(biāo)準(zhǔn)聲音屏蔽設(shè)備；MFAPAE主設(shè)備供電單元；MFAHEA天線加熱設(shè)備；MFAPHE天線加熱設(shè)備供電單元。

經(jīng)過對壩陵河大橋橋址附近峽谷地形和橋下三棵樹村房屋條件、供電條件的實地考察，確定了風(fēng)廓線儀的觀測位置，即圖2中的S1，此測點位于大橋的下游約299m處，沿大橋軸向離開跨中向鎮(zhèn)寧側(cè)橋塔偏離距離約103m，海拔高度約758m；測點距峽谷頂面高度約480m，測點距橋面高度約為300m。

2.2 坐標(biāo)系統(tǒng)定義

聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀系統(tǒng)的坐標(biāo)定義見圖3和表2，圖中U、V、W 表示坐標(biāo)系的3個方向。

圖1 測試系統(tǒng)介紹Fig.1 Description of test system

圖2 測點位置Fig.2 The position of measurement

圖3 SODAR坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system of SODAR

表2 風(fēng)偏角與風(fēng)向?qū)?yīng)關(guān)系表Table 2 Relationship between yaw angle and azimuth of wind

2.3 數(shù)據(jù)采集情況

自2006年11月開始，在貴州鎮(zhèn)寧的觀測點進(jìn)行了5次現(xiàn)場風(fēng)廓線觀測，時間分別是：2006年11月28日～12月1日、2007年3月12～14日、2007年4月18～27日、2007年10月10～15日以及2009年12月2～10日。聲雷達(dá)的有效觀測高度在壩陵河大橋主梁施工前基本上都超過了海拔1158m，最大超過了海拔1558m，只有少數(shù)情況低于海拔1158m。但是在2009年12月2～10日期間進(jìn)行最后一次測量時，主梁已經(jīng)合龍，由于主梁對聲雷達(dá)信號干擾，使得測量高度均低于橋面的海拔高度1058m。利用聲雷達(dá)觀測得到的原始樣本包括：高度H（距離聲雷達(dá)）、平均水平風(fēng)速、水平風(fēng)向角、U 方向平均風(fēng)速UU、U 方向風(fēng)速根方差值σU、V方向平均風(fēng)速UV、V方向風(fēng)速根方差值σV、W 方向平均速度UW、W 方向風(fēng)速根方差值σW等9項內(nèi)容。圖4～7給出了2007年10月13日12點20分測得上述各參數(shù)的豎向剖面圖，其中Z為海撥高度。其中數(shù)值為0的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時去除。對此樣本的觀察發(fā)現(xiàn)，V方向的速度分量分布形式與平均水平風(fēng)速方向的分布形式相接近，且V方向代表的沿峽谷南北方向為主要風(fēng)速方向。比較U，V，W3個風(fēng)速分量，V風(fēng)速風(fēng)量對總風(fēng)速大小影響最大，W 風(fēng)速風(fēng)量影響最小。

圖4 平均水平風(fēng)速及水平風(fēng)向角剖面Fig.4 Profiles of hovizontal mean speed and azimuth angle of wind

圖5 U方向平均風(fēng)速及風(fēng)速根方差剖面Fig.5 Profiles of UU ＆σU

圖6 V方向平均風(fēng)速及風(fēng)速根方差剖面Fig.6 Profiles of UV ＆σV

圖7 W 方向平均風(fēng)速及風(fēng)速根方差剖面Fig.7 Profiles of UW ＆σW

3 主要試驗結(jié)果與分析

3.1 平均風(fēng)剖面實測數(shù)據(jù)分析

選擇離測站離測站300m高度（主梁高度）處平均風(fēng)速大于4m／s和有效測試高度超過400m的平均風(fēng)剖面觀測樣本（共計221個）進(jìn)行分析，其中高度是指離開聲雷達(dá)的高度。圖8中給出了幾個典型的原始風(fēng)剖面樣本，其中Utot的定義見式（1），從對風(fēng)廓線的觀察可以看到，在地形復(fù)雜的山區(qū)深切峽谷中，平均風(fēng)廓線的形態(tài)較為復(fù)雜，并且具有多樣性，有時風(fēng)速沿高度呈“鋸齒形”變化；有時在距儀器200～400m高度范圍內(nèi)會出現(xiàn)顯著的風(fēng)速正切變或逆切變現(xiàn)象；此外，對于風(fēng)速較大的情況，有時也觀測到了一些比較規(guī)則的平均風(fēng)廓線，但這些較規(guī)則的平均風(fēng)廓線仍與規(guī)范中冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)所描述的常規(guī)平均風(fēng)廓線有顯著區(qū)別。根據(jù)規(guī)范中的風(fēng)廓線，隨著高度的增加，平均風(fēng)速的增長率逐漸降低，且在超過梯度風(fēng)高度后，平均風(fēng)速不再增加。但在這里所觀測到的較規(guī)則的風(fēng)廓線中，隨著高度的增加，平均風(fēng)速增加的速率不斷增加，特別是在接近谷頂時，速度增長率非常大。此現(xiàn)象與深切峽谷的特征吻合，即：隨著高度的增加，峽谷的寬度增大，山坡在水平方向?qū)︼L(fēng)的阻滯作用越來越弱，使得風(fēng)速的增長率隨之越來越大。

根據(jù)對實測樣本的觀察分析可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速受地形影響很大。對這些相對較大的風(fēng)速樣本進(jìn)行風(fēng)向統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)風(fēng)向都和河谷的走向相近，為北風(fēng)或南風(fēng)。從對不同高度風(fēng)玫瑰圖（圖9～11）的觀察可以看到，在海拔858m（橋塔根以下約100m）處風(fēng)向主要是N、NNE、SSW等3個方向，其頻度分別為40.8%、18.3%、23.4%，在海拔1058m（近橋面高度）處風(fēng)向主要是N、NNE、S等3個方向，其頻度分別為42.5%、14.0%、19.9%，在海拔1158（橋塔頂部高度）處風(fēng)向主要是是N、S兩個方向，其頻度分別為34.7%、20.8%。由此可見壩陵河大橋橋址處峽谷風(fēng)風(fēng)向的離散度隨高度的增加而下降。

圖8 實測的多樣性平均風(fēng)剖面示例Fig.8 Typical examples of measured diverse mean wind profiles

圖9 858m高度處風(fēng)向玫瑰圖Fig.9 Rose diagram of wind azimuth at 858m

圖10 1058m高度處風(fēng)向玫瑰圖Fig.10 Rose diagram of wind azimuth at 1058m

圖11 1158m高度處風(fēng)向玫瑰圖Fig.11 Rose diagram of wind azimuth at 1158m

3.2 平均風(fēng)剖面推薦公式

對有效樣本的平均風(fēng)剖面圖觀察分析顯示，測站上空200m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)變化凌亂，沒有規(guī)律可循，故進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時選擇200m以上的數(shù)據(jù)。對于深切峽谷的平均風(fēng)廓線，規(guī)范中用于表示平坦地區(qū)平均風(fēng)廓線的冪函數(shù)公式或?qū)?shù)函數(shù)公式顯然已不再適用。作者通過對實際觀測樣本的擬合，獲得了代表壩陵河深切峽谷測站上方海拔958～1585m范圍內(nèi)的風(fēng)廓線數(shù)學(xué)表達(dá)式，具體如下：

其中：Z為海拔高度，Zr為參考高度，Ur為參考風(fēng)速，U1058為1058m 處風(fēng)速，p 為擬合參數(shù)，UV，UU，UW為V，U，W3個方向上的速度分量。對于本橋，參考風(fēng)速Ur的值可以通過參考文獻(xiàn)［5］中給出的數(shù)值取用。

擬合中選用了風(fēng)速較大（U1058≥4m／s）且風(fēng)向與河谷走向（南北走向）相近的樣本，共計118個。分別采用兩種方法對樣本進(jìn)行擬合。

（1）統(tǒng)一擬合法，首先將118有效樣本的所有無量綱風(fēng)速－海拔高度數(shù)據(jù)對的實測結(jié)果放在一起構(gòu)成一個實測數(shù)據(jù)對的整體集合（見圖12中的離散方塊）；然后以公式（3）為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行一次性統(tǒng)一最小二乘擬合，得到參數(shù)p的統(tǒng)一擬合值。圖12中實線即為統(tǒng)一擬合法得到的平均風(fēng)剖面曲線，其中p＝573.05。

圖12 平均風(fēng)速剖面擬合結(jié)果Fig.12 Fitted results of mean wind speed profile

（2）獨立擬合參數(shù)平均法，即以公式（3）為目標(biāo)函數(shù)，對所選118個樣本逐個進(jìn)行獨立的最小二乘擬合，分別得到每個樣本對應(yīng)的參數(shù)pi，然后對所有擬合得到pi求平均值得到最終的參數(shù)p。基于不同樣本的擬合結(jié)果離散度較大，其平均值p＝558.97，與統(tǒng)一擬合法得到的結(jié)果接近。根據(jù)平均值得到的風(fēng)剖面曲線用虛線畫在圖12中，由此可發(fā)現(xiàn)，兩種方法得到的平均風(fēng)剖面非常接近。最后，以統(tǒng)一擬合結(jié)果為準(zhǔn)，推薦壩陵河大橋的橋址處的平均風(fēng)剖面公式：

3.3 風(fēng)迎角剖面觀測數(shù)據(jù)分析

實測中得到U，V，W3個方向上的平均風(fēng)速UU，UV，UW，按照公式（5）可以求得相應(yīng)的風(fēng)迎角α，并定義當(dāng)風(fēng)速的垂直分量UW豎直向上時，風(fēng)迎角為正，反之為負(fù)。對海拔1058m高度處風(fēng)速在大于4m／s的樣本進(jìn)行分析可以得到實測平均風(fēng)的迎角隨海拔高度的變化規(guī)律（如圖13所示）。圖中兩條虛線包含的范圍是橋梁塔基到塔頂?shù)姆秶?65m≤Z≤1161m）。

其中，α為風(fēng)迎角，單位為度（°）。

圖13 風(fēng)迎角—海拔高度關(guān)系圖Fig.13 Correlation between attack angle and height

從圖13可以看出，雖然風(fēng)迎角的數(shù)值較為離散，但是，隨著海拔高度增加，風(fēng)迎角的散布范圍和風(fēng)迎角的絕對值大小均有減小的趨勢。大的迎角主要在低空處（海拔高度Z≤900m）出現(xiàn)，低空處風(fēng)速較小，以及風(fēng)特性受地形影響較大是造成此處風(fēng)迎角較大的原因。而隨著海拔高度的增加，風(fēng)速不斷增加且山谷變得開闊，地形對風(fēng)特性影響變小，從而使得風(fēng)迎角的散布范圍變窄。在圖中所示的橋梁設(shè)計的高度范圍內(nèi)風(fēng)迎角分布范圍變化不大，大約在－15°～15°之間。

3.4 湍流度剖面觀測數(shù)據(jù)分析

實測采用的測試儀器MFAS型SODAR相控陣聲雷達(dá)可同時得到湍流度沿高度方向的剖面，對離SODAR 300m高度（海拔1058m）處風(fēng)速在大于4m／s的樣本分析，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)相對湍流度（簡稱為湍流度）是脈動風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差同主風(fēng)速方向上的平均風(fēng)速的比值，但由于本試驗設(shè)備中得到的數(shù)據(jù)不是風(fēng)速時程，而是U，V，W3個方向的10min平均風(fēng)速UU、UV、UW和其對應(yīng)的脈動風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差σU、σV、σW，故利用式（6）得到U、V、W3個方向的湍流度IU、IV、IW：

其中Utot為3個方向的合速度，可由式（1）得到。圖14～16分別為貴州壩陵河大橋橋址處海拔高度為858、1058、1158m的湍流度分布情況。隨著高度的增加，湍流度的離散性增大，在近橋面高度處（海拔1058m）U 方向的湍流度主要集中在區(qū)間［0.1，0.4］，V方向的湍流度較離散。基于實測統(tǒng)計分析得到湍流度U 方向的分量IU平均值為0.365，最大值為0.923，最小值為0.041，標(biāo)準(zhǔn)差為0.246；V 方向的分量IV平均值為0.411，最大值為0.990，最小值為0.042，標(biāo)準(zhǔn)差為0.257。

分析結(jié)果中，V方向的湍流度大于U方向是因為V方向代表的南北方向是峽谷中風(fēng)速方向的主要方向，其更加接近于風(fēng)速的主風(fēng)向，而在相關(guān)文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)主風(fēng)向上的湍流度分量一般大于其它兩個方向的湍流度分量。同時發(fā)現(xiàn)，分析得到的湍流度明顯大于相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的湍流度大小，這是因為規(guī)范中考慮的地貌與本研究的深切峽谷地形相差較大，后者的地貌復(fù)雜，增大了湍流度的值及其隨機(jī)性；同時文中分析的樣本包含的大部分都是小風(fēng)速樣本，一般認(rèn)為小風(fēng)速條件下的風(fēng)特性不確定性要強(qiáng)，使其脈動特性與強(qiáng)風(fēng)相比存在一定的差異。

統(tǒng)計分析表明，壩陵河大橋橋址處的實測脈動風(fēng)湍流度與平均風(fēng)速存在一定的關(guān)系（如圖17所示），隨著平均風(fēng)速的增加，湍流度有減小的趨勢，這與之前的分析一致，進(jìn)一步解釋了小風(fēng)速樣本的湍流度要大于基于強(qiáng)風(fēng)數(shù)據(jù)分析所得的數(shù)值。其主要原因是由于風(fēng)速較小，地表熱應(yīng)力作用增大，邊界層的穩(wěn)定性偏離中性［6］。

4 結(jié) 論

采用相控陣聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀系統(tǒng)對西部山區(qū)風(fēng)剖面進(jìn)行現(xiàn)場實測和研究，通過對測量數(shù)據(jù)的整理分析，現(xiàn)將結(jié)論總結(jié)如下：

（1）壩陵河大橋橋址處峽谷地形的平均風(fēng)廓線與規(guī)范中冪函數(shù)或?qū)?shù)函數(shù)所描述的常規(guī)平均風(fēng)廓線有顯著區(qū)別。山區(qū)風(fēng)輪廓線隨著高度的增加，平均風(fēng)速增加的速率不斷增加，特別是在接近谷頂時，速度增長率非常大；

（2）橋址處峽谷地形的風(fēng)向角與峽谷走向基本一致，其離散度隨高度的增加而下降；

（3）在深切峽谷中，在峽谷下部一半深度范圍內(nèi)，平均風(fēng)速剖面規(guī)律性較差，而在上部一半深度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速剖面可用e指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合；

（4）在深切峽谷中，隨著海拔高度增加，風(fēng)迎角的散布范圍和絕對值大小均有減小的趨勢；

（5）在深切峽谷中湍流度具有一定的隨機(jī)分布特性，并且要大于規(guī)范所推薦的數(shù)值；湍流度有隨著風(fēng)速增大而增大的趨勢。

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朱樂東（1965－），男，浙江寧波人，同濟(jì)大學(xué)橋梁系研究員，博導(dǎo)。1986年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)土建結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，1989年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，2002年香港理工大學(xué)土木及結(jié)構(gòu)工程系博士研究生畢業(yè)，獲哲學(xué)博士學(xué)位。主要從事橋梁與建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)方面的研究。通訊地址：上海市四平路同濟(jì)大學(xué)橋梁系橋梁館309室；E－mail：ledong＠tongji.edu.cn。

Investigation on wind profiles in the deep gorge at the Balinghe bridge site via field measurement

ZHU Le－dong1，2，3，REN Peng－jie2，CHEN Wei2，3，ZHOU Cheng2，WANG Ji－quan2
（1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.Key Laboratory for Wind Resistance Technology of Bridges of the Ministry of Transportation，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Wind profiles in the deep gorge at the Balinghe bridge site were investigated via a field measurement using aphased array sodar wind profiler.It is found that the mean wind speed profiles in a deep gorge are seriously affected by the gorge terrain，and sometimes show complicated，irregular and diverse patterns，such as zigzag patterns，positive or negative shear patterns，etc.In the upper half part of the gorge，the mean wind speed profiles have relatively regular patterns in the relevant cases of large mean wind speeds.The regular profiles，however，are clearly different from the power law specified in codes for common flat terrains，and show variation patters of exponential law.Furthermore，the statistic results show that the wind azimuth is affected by the gorge terrain more significant in the lower part of the gorge than in the upper part of the gorge，and its variation amplitude is thus larger in the lower part than in the upper part of the gorge.Both the scattered range and the absolute value of the wind attack angle display decreasing tendencies with the increase of the height.The observed turbulent intensities in the gorge are larger than those suggested in the relevant codes for common flat terrains，and possess a certain degree of random，which is more violent with the increase of height.

deep gorge；profile of mean wind speed；profile of turbulent intensity；field measurement；sodar

P412.16

A

1672－9897（2011）04－0015－07

2010－10－14；

2011－05－09

科技部國家重點實驗室基礎(chǔ)研究項目（編號SLDRCE 08－02）；交通部西部交通建設(shè)科技項目（項目編號200531800019；200631849426）