青藏高原公路路基周邊風場特征風洞實驗研究

陳 領， 馬 巍， 穆彥虎， 虞 洪， 張 坤， 栗曉林

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 2.中國科學大學，北京 100049；3.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050； 4.甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

青藏工程走廊全長1 120 km，穿越多年凍土區632 km，大片連續多年凍土區約550 km［1-2］。在區域社會經濟發展需求推動下，走廊內陸續修筑了大量線性工程。這些重大工程不僅是內地通往西藏的生命線，也是維護國防安全、區域社會穩定的國家戰略工程［3-4］。在多年凍土區，工程建設和賦存嚴重影響原有地-氣能量的交換過程，使得工程活動區域內多年凍土升溫退化、上限下移、融化夾層發育，由此可導致構筑物基礎出現不均勻沉降、路基路面縱向裂縫發育和邊坡滑塌等一系列工程病害問題［5-10］。此外，在氣候變暖及人類工程活動加劇雙重影響下，凍土升溫和地下水水位下降導致走廊內植被退化，土地沙漠化趨勢加劇，風沙災害日益嚴重。沙粒在塊石結構中的填充，將導致其內部多孔介質孔隙率降低，對流換熱效率下降，進而影響到塊石結構類凍土路基的長期冷卻降溫效果［11-16］。

在青藏工程走廊內，多風氣候條件對地表能量收支平衡起著關鍵作用［12］，流場特征的改變將影響工程走廊內凍土路基冷卻降溫措施（塊石、通風管）的應用效果。目前，針對凍土路基的主動降溫措施，研究人員從冷卻降溫機制、工程結構措施、環境因素影響等方面開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、塊石護坡及U型塊石路基下部凍土溫度場的變化過程，發現冷季的對流降溫在保護凍土中發揮著主要作用。吳青柏等［19］、張明義等［20］、賴遠明等［21］通過現場實體實驗和室內模型實驗，研究了封閉與開放邊界條件下塊石氣冷路基的降溫機理與過程，并對比了兩種條件下的降溫效果。針對青藏工程走廊內日益嚴重的風積沙災害問題，多位學者結合現場監測及數值模擬分析了沙粒差異化堆積狀態對路基下部多年凍土的熱影響［22-26］，結果表明薄沙層有利于保護凍土、而厚沙層將加速凍土的退化。上述研究重點關注塊石類冷卻路基結構自身以及其內部的對流換熱過程對下部多年凍土的熱影響，但對于風場繞流路基過程及流場速度分區側向范圍較少關注。風場不僅是地-氣能量交換及物質運輸的主要媒介，也是塊石、通風管等凍土路基降溫效果的主要環境邊界。因此，對于塊石、通風管等凍土路基，研究路基迎風坡、路面和背風坡風場分布特征將有助于準確分析塊石、通風管等路基的對流換熱機制及降溫效果。同時，對于多年凍土區線性工程而言，基于雙線凍土路基不同布局條件下，探討雙線凍土路基側向流場分區可為雙線路基合理間距布局提供參考依據［27-28］。此外，對于多年凍土區風沙災害頻發區域，凍土路基周邊流場速度分區水平范圍將直接影響其周圍沙粒運移和沉積過程。因此，開展多年凍土區路基周邊流場速度分區研究，對于路基工程風沙災害防治和多年凍土保護同樣具有重要意義。

路基高度是影響凍土路基工程熱力穩定性的一個重要因素［29］。同時，不同高度的路基其周邊風場分布特征也將不同，這會進一步影響到局地的地-氣能量交換過程。為此，以青藏公路為研究對象，選取三種典型路基高度，研究不同高度路基周邊風場分布特征并進行分區量化。利用中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室大型風洞設備，開展了不同環境風速、路基高度條件下，單幅路基周邊風場的分布特征，考察在路基阻礙條件下周邊風場的分布特征，以及環境風速和路基高度對風場分布的影響規律及程度，以期為青藏工程走廊路基工程的選線、設計和維護以及沙害頻發地區風沙防治提供科學依據。

1 實驗設計及方法

1.1 實驗設備介紹

本文開展的風洞實驗于中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室進行。該風洞為室內閉口直流式風洞，全長37.78 m，實驗設備包括實驗段、驅動系統和測試系統三部分內容。驅動系統位于實驗設備前端由動力段及整流段兩部分，前者為實驗提供來流流場，流場風速可實現1～40 m·s-1連續可調，后者是將動力段產生的來流進行處理為實驗段提供穩定流場，如圖1（a）所示。實驗段位于驅動系統后側，全長16.23 m，橫斷面尺寸為0.6 m×1.0 m，如圖1（b）所示。風洞邊界層厚度約為12 cm［30］。

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

1.2 實驗原理及設計

為保證風洞實驗的可靠性，模型實驗需要與野外實際情況相似，滿足三大相似準則，即幾何相似、運動相似和動力相似，相似度越高，實驗結果可靠性越高。

（1）幾何相似

即模型路基參數（高度、寬度和粗糙度）滿足同一比例縮尺，根據已有研究結果和青藏公路路基高度實際統計數據，青藏高原凍土區段路基一般在2～5 m 以內［31］。因此，實驗選取路基高度為3、4 和5 m，考慮到風洞中邊界層厚度及實驗段橫斷面尺寸，幾何相似比取為1∶50，對應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。由于實驗條件的有限，模型尺寸存在誤差，實驗段表面粗糙度不能完全滿足野外實際情況。因此，幾何相似條件僅能部分滿足。

圖2 實驗模型路基設計圖Fig.2 Schematic of the embankment models with different heights：6 cm（a），8 cm（b）and 10 cm（c）

（2）運動相似

風速廓線形式及流動狀態相似（即雷洛數Re相等）。Re定義為

風洞實驗中選取的三種風速分別為10、15 和20 m·s-1。根據流體力學定義可得，當Re值大于Recr（臨界雷洛數）時，流場運動為湍流狀態。由式（1）可知，當實驗風速大于2 m·s-1時，實驗段流場的運動狀態均為湍流運動，即實驗段流場可模擬自然狀態下流場湍流運動形式。關于風速廓線形式，根據風洞實驗段初始風速的測定結果（圖3），在3種實驗風速條件下，實驗段的風速廓線均能滿足指數型分布，該廓線形式與青藏高原野外觀測風速廓線吻合［32］。

圖3 風洞初始流場測定結果Fig.3 Initial wind flow profiles measured in the wind tunnel test

（3）動力相似

即模型流動與原型流動應該受同種外力作用，且對應點上的應力成比例。即滿足

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

動力相似條件下兩種流場中力場必定相似，且動力相似是力學相似的重要條件，是實現運動相似的主導因素。本次實驗在中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室風沙環境風洞完成，該風洞能夠滿足風沙環境動力過程模擬的動力相似準則。

1.3 數據采集及處理方法

為研究不同高度單幅路基對周邊風場分布與風速分區的影響，將實驗區設置于所選實驗段中部。實驗區長度介于4～5 m，以保證路基迎風坡和背風坡兩側受擾動流場能恢復到環境風速狀態。圖4 給出了實驗段測量布設方案。如圖所示，在沿洞體軸線水平方向，路基模型迎風坡一側布設5 個測量點，分別為-1H、-3H、-5H、-8H和-10H（H為模型路基高度，-表示迎風坡側）；路基背風坡一側布設10 個測量點，分別為+1H、+3H、+5H、+7H、+9H、+11H、+13H、+15H、+17H和+19H（+表示背風坡側）。對于路基迎風坡坡面、背風坡坡面和路面，分別均勻布置3個測量點。風速的測定采用可移動畢托管，畢托管共計設置10 個測量高度，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。實驗過程中通過移動畢托管的位置來測定不同位置風速廓線變化。實驗數據的采集使用FSKX-10 數字式風速廓線采集儀，該儀器由設備由中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室研制，結合配套的數據采集軟件可得到每一個測點的風速廓線，數據采集時間間隔為2 s，采集時間為30 s，實驗數據通過配套的軟件可得到該測點在該時間段內的平均值風速。

圖4 風洞路基風速測點布設Fig.4 The layout of test sites around the embankment in the wind tunnel test

2 結果與分析

2.1 不同高度條件下路基周邊流場特征

圖5中給出實際路基高度為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），環境風速為10 m·s-1條件下路基周邊流場速度云圖。由圖中可以看出，流場在靠近、翻越、遠離路基過程中，在路基的影響下坡前、路面及坡后不同區域內流場變化趨勢不同。其主要表現為：路基迎風坡前側，流場速度降低在迎風坡坡前形成減速區（Ⅰ）。隨后，在迎風坡坡面上，流場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明顯的加速區（Ⅱ），且受路肩“集中”效應影響，迎風坡路肩處風速增長幅度達到最大值。當風場越過路基后，流場與路基路面分離，流場氣流下沉，形成坡后擾動區（Ⅲ），該區域存在流場速度的最小值，且受路基高度及環境風速影響，甚至在坡腳附近出現流場回流現象。而隨著流場背向遠離路基，路基對流場的擾動減弱消散，流場風速逐漸恢復原始運動狀態。

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

為掌握不同高度路基對其周邊流場速度分區范圍的影響，圖6 給出了實際路基路面寬度為10 m（模型路面寬度為20 cm）、環境風速為10 m·s-1，實際路基高度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速分布云圖。從圖6 可以看出，不同路基高度周邊流場速度變化形式基本相同，但受路基高度影響，路基周邊速度分區的側向范圍存在顯著差異性。路基坡前擾動區為流場減速區（Ⅰ），該區域風速值小于初始環境風速下同高度處風速值，且由圖6中可知，三種高度路基坡前擾動風速最大達到8 m·s-1。因此，根據8 m·s-1的風速等值線變化可以看出，當路基高度H=3 m時，坡前減速區（Ⅰ）水平范圍約為1.8H，而當路基高度H=4 和5 m 時，減速區（Ⅰ）水平范圍分別為2.2H和2.5H。對于路基上部加速區，由于路基坡面上流場遇阻抬升，風速值逐漸增大，路基高度為3 m 時，迎風坡路肩對應的風速值約為10.7 m·s-1，路基高度增加到4和5 m時，路基迎風坡路肩對應風速分別為12.2 和13.4 m·s-1。與環境風速中同一高度處風速值相比，三種路基迎風坡路肩對應風速分別增加了24%、34%和41%，其說明路基高度越大迎風坡路肩“集中”效應越顯著，風速增加幅度越大。而對于路基坡后擾動區而言，3、4和5 m高度路基所對應擾動區水平范圍分別為11.0H、12.2H和12.9H。

圖6 環境風速為10 m·s-1條件下不同高度路基周邊流場分布云圖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中坡后擾動區（Ⅲ）可以看出，在背風坡坡面和坡腳附近流場風速下降趨勢明顯，并隨著流場背向遠離路基，路基對流場的擾動效應逐漸弱化直至消失，流場逐漸恢復初始運動狀態。因此，根據坡后流場風速值大小及風向，可進一步將坡后擾動區流場劃分為低速回流區和消散恢復區。受實驗畢托管限制，實驗無法測得背風坡坡面處流場的回流風速，但結合已有的研究結果［33］及流場氣壓分布梯度可以看出，三種高度路基背風坡坡面及坡腳附近均存在流場風速回流現象，當路基高度為3、4和5 m時，其坡后低速回流區水平范圍分別為2.0H、3.0H和4.1H。消散恢復區位于回流區后側，3、4和5 m路基對應消散恢復區水平范圍均約為9.8H。

對比分析10 m·s-1環境風速條件下三種高度路基迎風坡前減速擾動區與坡后低風速擾動區可以看出，路基高度與路基兩側擾動范圍存在良好的線性關系（圖7）。隨著路基高度增加，路基坡前減速區、坡后低速回流區水平范圍均逐漸增加，說明隨著路基高度的增加，其對原始流場運動狀態的擾動越顯著。

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

2.2 不同環境風速條件下路基周邊流場特征

圖8 給出了環境風速為10、15 和20 m·s-1條件下，3 m 高路基（模型路基高為6 cm）周邊流場分布云圖。由圖8 可以看出，環境風速為10、15 和20 m·s-1時，路基對其周邊近地表流場的最大擾動速度分別為8、12 和18 m·s-1，對應豎向高度分別為1.1、1.4和3.0 m。以最大擾動速度為標準來看，隨環境風速增加，同一路基高度條件下路基坡前、路面、坡后速度分區范圍差異較大。環境風速為10、15 和20 m·s-1時，3 m 高路基坡前風速減速區（Ⅰ）水平范圍分別為1.8H、2.2H和5.5H。在路基迎風坡坡面上風速梯度逐漸增加，等值線分布愈加密集。流場平均風速（實驗所測10 個高度處風速的平均值）最大值出現在路基迎風坡路肩處（圖9）。然而，在路基坡后，環境風速的增加對坡后低速回流區影響較小，其影響水平范圍主要集中在坡后2.0H內。

圖8 不同環境風速條件下6 cm高路基周邊流場分布云圖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 不同風速條件下路基周邊平均風速變化曲線Fig.9 Variations of average wind speeds around the embankment under different ambient wind speeds

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

表1 H=4 m路基周邊風速分區相關參數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速變化特征

為掌握不同環境風速條件下，路基坡前減速區（Ⅰ）范圍內不同高度處流場風速變化情況，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0.3、0.6、1.1 m 高度處風速沿水平方向的變化。由圖9 中可以看出，隨著流場距離路基坡腳距離的減小，流場風速受路基擾動狀態越顯著。因此，通過引入速度曲線平均變化率來衡量流場在坡前減速區（Ⅰ）范圍內擾動風速平均變化率。表達式為

表2 H=5 m路基周邊風場分區相關參數Table 2 Zoning parameters of wind flow around the 5-m high embankment

圖10 不同環境風速條件下6 cm高路基坡前不同高度處風速變化曲線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為流場水平方向速度；Umax和Umin分別為某一高度水平方向上流場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）。

根據擾動區內流場風速的變化趨勢，式（3）中三種高度處Umax均為5H處對應的風速值，Umin為坡腳處對應風速值。因此，由式（3）可得，當環境風速為10 m·s-1時，坡前三種高度處風速的平均變化率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 應0.3、0.6、1.1 m 高度處速度變化曲線的K值）。當環境風速增加時，坡前減速區（Ⅰ）內風速的變化總體規律基本不變。不同高度處，隨著風場距路基坡腳距離的減小，風速呈下降趨勢。然而，對比同一高度處風速變化率，隨著環境風速的增加，風速變化率逐漸降低（表3）。因此，通過對比不同環境風速條件下三種高度處的風速變化率可以得出，流場在朝向路基運移過程中，在三種環境風速下，不同高度處風速的衰減率不同，最大衰減率出現的位置為0.6 m 處，衰減幅度為對應高度處初始環境風速的27%～30%。

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

3 結論

針對多年凍土區線性工程周邊流場風速的分布特征，以青藏公路路基為對象，通過室內風洞實驗，研究了不同高度、不同環境風速條件下路基周邊流場風速分布特征并進行了分區量化，結論如下：

（1）未受擾動流場自遠場靠近、翻越、遠離路基過程中，根據路基周邊流場風速變化特征可分為3個區域，即坡前減速區、路面加速區和坡后擾動區。針對塊石、通風管等氣冷凍土路基而言，路基坡前減速區、坡后擾動區流場風速變化應當重點關注，該區域速度大小及方向將影響氣冷類凍土路基內部的對流換熱效率。此外，在風沙災害頻發區域，路基坡前減速區和坡后擾動區沙粒沉積可能存在差異。

（2）同一環境風速條件下，隨著路基高度增加風場擾動水平范圍逐漸擴大。當環境風速為10 m·s-1時，3、4和5 m高模型路基坡前減速區水平范圍分別為1.8H、2.2H和2.5H；坡后低速回流區分別為2.0H、3.0H和4.2H。在凍土區修筑分幅路基時，建議考慮流場分布對主動冷卻路基降溫效果，分幅路基布設間距應大于低速回流區范圍。

（3）隨環境風速增加，路基坡前風速擾動水平范圍逐漸擴大，環境風速由10 m·s-1增加至20 m·s-1時，3 m 高路基坡前減區水平范圍由1.8H增加至5.5H。此外，在坡前減速區內，同一高度處，隨環境風速的增加，風速沿水平方向衰減幅度呈下降趨勢。對于坡后低速回流區，環境風速的增加對其分區影響較小，10、15和20 m·s-1環境風速條件下，3 m高路基低速回流區水平范圍均集中在坡后1.8H內。此外，環境風速增加將強化路肩處流場“集中”效應，風速越大路肩處風速增加幅度越大。

（4）路基對風場的最大擾動水平范圍包括低速回流區和消散恢復區兩部分。同一環境風速條件下，在擾動區水平范圍內，路基高度的增加，對低速回流區水平范圍的影響大于消散恢復區。當環境風速為10 m·s-1，3、4 和5 m 路基坡后水平擾動范圍分別為11.0H、12.2H和12.9H，而對應的消散恢復區水平范圍均約為9.8H。

致謝：感謝中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室屈建軍、李宏、謝勝波和譚立海四位老師在實驗過程中的指導與幫助。