高速公路風(fēng)害防控與信息管理系統(tǒng)研究

韋振勛，馬志福，馬韞娟，馬淑紅

（1.新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006；2.國家發(fā)改委宏觀院，北京 100037；3.清華大學(xué)，北京 100084；4.北京大學(xué)，北京 100871）

0 引言

在全球氣候變化背景下，風(fēng)害以其發(fā)生頻率高、影響范圍廣、危害程度大，對(duì)交通運(yùn)輸及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來不利影響。而風(fēng)害中最大瞬時(shí)風(fēng)速是主導(dǎo)和動(dòng)力因素，新疆地域遼闊，地形復(fù)雜，地形地貌具有“三山夾二盆”的獨(dú)特特征，構(gòu)筑“五橫七縱”高速、高等級(jí)公路網(wǎng)，其中“五橫”基本是E—W走向，“七縱”基本是S—N走向。每次冷空氣南下都可造成強(qiáng)勁風(fēng)力，特別是線路走向與主風(fēng)之間夾角垂直的強(qiáng)橫風(fēng)，受強(qiáng)橫風(fēng)天氣的影響，車輛停運(yùn)、中斷交通常有發(fā)生。大風(fēng)天氣對(duì)公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)以及安全行車影響極大。本研究對(duì)提高公路通行能力和服務(wù)水平，減少風(fēng)害對(duì)交通安全的影響，具有十分重要工程應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 資料來源與方法

1.1 資料選取

依據(jù)《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 074—94）［1］、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）（2006年版）［2］、《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60—01—2004）［3］、《地面氣象觀測規(guī)范》（中國氣象局2003年版）［4］有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選取新疆高速公路沿線100個(gè)氣象站近50年（1951～2010年）風(fēng)向、風(fēng)速長期歷史資料與高速公路沿線10個(gè)鐵塔梯度風(fēng)監(jiān)測資料、蘭新二線三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)2個(gè)6要素5層梯度風(fēng)強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測資料，以及30個(gè)大風(fēng)監(jiān)測站近10年（2001～2010年）風(fēng)速和風(fēng)向監(jiān)測資料相結(jié)合，進(jìn)行信息化和規(guī)范化整編。

1.2 研究方法

本文采用采用工程氣象學(xué)、流體模擬、風(fēng)監(jiān)測技術(shù)、公路工程技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)及概率論相結(jié)合方法，對(duì)高速公路沿線大風(fēng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，提出了全球氣候變化背景下，公路強(qiáng)風(fēng)害防控技術(shù)，為我國高速公路安全行車提供了技術(shù)保障。

2 高速公路沿線大風(fēng)規(guī)律

2.1 高速公路沿線大風(fēng)日數(shù)分布規(guī)律

近50年大風(fēng)歷史資料研究結(jié)果表明：新疆高速公路沿線大風(fēng)日數(shù)的分布規(guī)律受天氣系統(tǒng)和地形影響的制約，以山口、埡口、峽谷、河谷、特大橋和高路基彎道區(qū)間強(qiáng)風(fēng)和大風(fēng)日數(shù)最多。連霍主干線百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間大風(fēng)日數(shù)在157～209d，是我國乃至世界高速公路風(fēng)害之冠；阿拉山口風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間次之，年平均大風(fēng)日數(shù)148～155d；高速公路沿線的綠洲區(qū)間全年大風(fēng)日數(shù)不足10d；沙漠公路中部大風(fēng)日數(shù)明顯多于公路沿線的綠洲區(qū)間。

2.2 高速公路沿線大風(fēng)日數(shù)月分布

新疆高速公路沿線大多數(shù)路段春秋季冷暖空氣交替頻繁，地區(qū)間氣壓梯度加大，常出現(xiàn)強(qiáng)勁的大風(fēng)。夏季氣層不穩(wěn)定，多陣性大風(fēng)天氣，高速公路沿線大多數(shù)區(qū)間大風(fēng)呈現(xiàn)單峰分布，一年中以3～9月大風(fēng)最多，占全年大風(fēng)日數(shù)70%～90%以上。其中連霍主干線百里風(fēng)區(qū)十三間房18～25d，紅山口14～20d，達(dá)坂城區(qū)間和三十里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間為11～20d。

2.3 高速公路沿線最大風(fēng)速的垂直分布特征

近10年鐵塔和5層梯度風(fēng)監(jiān)測站風(fēng)速資料分析結(jié)果顯示：最大風(fēng)速垂直分布遵循冪指數(shù)規(guī)律［5］，冪指數(shù)α取值1/4～1/12。連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)最大風(fēng)速隨高度變化遵循冪指數(shù)分布α在0.08～0.10，以α=0.10出現(xiàn)頻率最高。建議增加0類（沙漠、礫漠風(fēng)區(qū)、戈壁等區(qū)間）下墊面下α系數(shù)，α取值為0.10。

2.4 高速公路沿線最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值水平分布特征

高速公路沿線距路面4m高處V4_2 max水平分布與地形關(guān)系密切，隨著特殊環(huán)境呈現(xiàn)獨(dú)特特征，以埡口、峽谷、高架橋、特大橋、高路堤區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速最大，深路塹瞬時(shí)風(fēng)速最小。

3 高速公路風(fēng)害防控與信息管理系統(tǒng)

在高速公路沿線大風(fēng)規(guī)律研究基礎(chǔ)上，提出全球氣候變化背景下，高速公路風(fēng)害防控技術(shù)由風(fēng)害防控信息管理系統(tǒng)和防風(fēng)柵防護(hù)技術(shù)組成（如圖1所示）。通過防風(fēng)柵減小作用在不同類型汽車上的氣動(dòng)力，防止不同類型汽車傾覆翻車事故的發(fā)生。風(fēng)害防控信息管理系統(tǒng)是指強(qiáng)風(fēng)天氣下不同類型汽車行車過程中實(shí)行運(yùn)行管制的手段，運(yùn)行管制是指風(fēng)速超過一定值后不同類型汽車減速運(yùn)行或停止運(yùn)行的制度。

圖1 高速公路風(fēng)害防控技術(shù)示意圖

4 高速公路風(fēng)害防控信息管理系統(tǒng)運(yùn)行管制

依據(jù)連霍主干線百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間不同類型汽車強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測技術(shù)和流體模擬結(jié)果，設(shè)定高速公路強(qiáng)風(fēng)天氣下風(fēng)害防控管理技術(shù)規(guī)則和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)［6］，具體如表1所示。

表1 高速公路強(qiáng)風(fēng)天氣下風(fēng)害防控管理技術(shù)規(guī)則和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)（柔性防護(hù)網(wǎng)設(shè)置后）

5 結(jié)論

5.1 百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間是我國乃至世界高速公路風(fēng)害之冠；阿拉山口風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間次之；公路沿線的綠洲區(qū)間全年大風(fēng)日數(shù)最少不足10d；沙漠公路中部大風(fēng)日數(shù)明顯多于公路沿線的綠洲區(qū)間。

5.2 高速公路沿線最大風(fēng)速垂直分布遵循冪指數(shù)規(guī)律，冪指數(shù)α取值1/4～1/12，其中礫漠風(fēng)區(qū)α在0.08～0.10，以α=0.10出現(xiàn)頻率最高。

5.3 高速公路沿線距路面4m高處V4_2 max水平分布與地形關(guān)系密切，是隨著特殊環(huán)境呈現(xiàn)獨(dú)特特征，以埡口、峽谷、高架橋、特大橋、高路堤區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速最大，深路塹瞬時(shí)風(fēng)速最小。

5.4 提出全球氣候變化背景下，高速公路風(fēng)害防控技術(shù)由風(fēng)害防控信息管理系統(tǒng)和防風(fēng)柵防護(hù)技術(shù)組成。

［1］JTJ 074—94，高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］GB 50009—2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［3］JTG/T D60—01—2004，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范［M］.北京：北京氣象出版社，2003.

［5］馬韞娟，馬淑紅.我國高速鐵路客運(yùn)專線橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速研究［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2009，37（10）：34-37.

［6］馬韞娟，馬淑紅，張?jiān)苹荩?新疆高速公路強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間安全行車對(duì)策研究［J］.干旱區(qū)地理，2012，35（2）：210-221.