公路風吹雪防治棚洞的風洞實驗研究

馬 磊， 劉 健， 冉武平， 胡智軒， 李在藍， 俞祥祥

（1.新疆交通科學研究院干旱荒漠區公路工程技術交通運輸行業重點實驗室，新疆烏魯木齊830000； 2.新疆大學建筑工程學院，新疆烏魯木齊830047； 3.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆烏魯木齊830011）

0 引言

中國有風吹雪區域的面積占陸地國土面積的55.2%，主要分布在青藏高原及周邊山區、北疆和天山、內蒙古與東北地區。風吹雪對自然環境和社會經濟影響較大，直接給經濟建設與人們的生命財產造成嚴重損失［1］。受公路風吹雪影響，新疆地區G3015線鐵廠溝至額敏段2014—2018年期間冬季交通中斷時間平均占比為41.2%，S201 線鐵廠溝至額敏段冬季交通中斷時間平均占比為30.8%［2］。當前風吹雪的研究較為成熟，國際上美國學者Tabler［3］、日本學者竹內政夫［4］編制了防雪柵欄設計手冊，在風吹雪運動機理和防雪柵欄實踐方面進行了較為系統的研究。在理論研究方面，國內學者呂曉輝等［5-6］利用自然降雪進行了風洞實驗，提出風吹雪過程中雪粒徑與高度的關系；王正師［7］通過大渦模擬控制方程的改進研究了復雜地形的風吹雪分布特征；席建鋒等［8］采用力學分析手段，初步實現了對風吹雪積雪深度的定量化描述；時光磊［9］通過研究風吹雪綜合運動模型，總結了風吹雪過程中懸移和躍移運動的有關特征。在工程實踐方面，國內學者王中隆［1］系統總結了中國風雪流的特征，提出風吹雪區劃；劉健等［2］、馬磊等［10］結合新疆地區典型公路風吹雪災害實際，提出綜合防治措施和計算體系；張家平［11］提出黑龍江省風吹雪災害時空分布及其防治措施。總的來看，國內外對風吹雪防治工程的研究大多集中在防雪柵欄、路基斷面方面，相關措施對路面風積雪有一定改善作用，但隨著風速和移雪量不斷增大，二者均難以徹底根治風吹雪問題。針對于此，本文結合新疆瑪依塔斯風區S201 線風吹雪災害特點，提出采用棚洞工程進行風吹雪防治的思路并就有關方案進行了風洞模擬實驗研究。

1 實驗方法

1.1 風洞設備

風洞設備采用中國科學院新疆生態與地理研究所莫索灣多功能環境風洞。風洞實驗段長8 m，水平寬1.3 m，高1 m。本次實驗的邊界層厚度約為22 cm，湍流度約為1%，采用皮托管測定風速（圖1）。實驗中模型高度低于邊界層厚度，袁鑫鑫等［12］在該風洞開展了阻沙網實驗，譚鳳翥等［13］開展了檉柳灌叢沙堆流場實驗，均表明該風洞滿足相似條件。

圖1 風洞實驗示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the wind tunnel experiment

1.2 實驗模型

本次實驗根據S201 線擬實施的工程實際尺寸縮小一定比例制作了實驗模型，模型縮尺比為1∶60，所有實驗模型均照此比例制作。

（1）棚洞模型

棚洞模型在3Dmax建模后，采用PLA 材質以熔融堆積的方式3D 打印成型。依據實驗需求，共制作三種棚洞模型：第一種是利用洞側孔隙抑制吹雪且頂部封閉的透風式棚洞，洞側透風率分別為25%、35%、45%［圖2（a）］；第二種是利用弧形引導氣流原理的上挑式棚洞［圖2（b）］；第三種是常規全封閉式棚洞［圖2（a）］。棚洞模型內側寬21.7 cm，側墻高9.2 cm，洞頂弧面高14.0 cm。為表述方便，下文中用H代替棚洞弧頂高度。

圖2 3D打印棚洞的模型結構Fig. 2 Model structure of the 3D printing shed tunnel：fully enclosed（ventilated）shed tunnel（a）and overhanging shed tunnel（b）

（2）擋雪板模型

擋雪板模型依據對應縮尺比，采用細木條制作，模型高10 cm，透風率為25%，實驗中將擋雪板高度設計為0.73H。路基模型依據對應縮尺比采用木板切割制作，高2.5 cm，長100 cm，坡率為1∶3。

1.3 實驗材料

實驗中采用的精鹽為日常食用鹽，細砂為干砂。采用的鋸末粒徑在1～3 mm 之間，多為片狀，實驗前用2 mm 篩孔進行篩分，控制實驗鋸末最大粒徑不大于2 mm，濕度介于15%～20%。

實驗風洞設備在溫度低于10 ℃時無法保證湍流度，因此無法直接利用雪為介質進行吹雪低溫實驗，故本次實驗采用鋸末、鹽、細砂作為介質模擬吹雪堆積。為保證實驗的有效性，選用多種相似要素判定模擬介質與雪之間的相似性。由于介質堆積實驗主要用于驗證棚洞洞口可能的吹雪堆積和擋雪板的吹雪阻攔功能，因此堆積形態相似度是最重要的要素。堆積形態相似性判定，主要以擋雪板模型前后的介質堆積情況與瑪依塔斯區域已經實施的擋雪板前后吹雪堆積形態為參照對象進行對比。實驗過程中，先將介質平鋪在風洞實驗區上游，入流風速緩慢均勻提升至介質起動風速后保持，至介質無明顯移動后結束。實驗完成后測量典型介質堆積斷面，再放大60 倍后與參照對象進行量化對比，并按照相似度在0～1 中間取值。考慮到介質本身物理性質與雪的相似性，實驗還選取介質密度和粒徑作為補充要素進行相似性判定（表1）。經專家打分求算術平均后，密度權重為0.25，介質粒徑權重為0.25，堆積形態權重為0.50。

表1 實驗測定的模擬介質參數Table 1 Parameters of simulation medium measured by experiments

相似性判定采用加權歐氏距離的計算方法［14］。當i、j坐標分別為（xi1，xi2，xi3）、（xj1，xj2，xj3）時，令a1＞a2＞a3，且a1+a2+a3=1，則有

式中：dij為i、j間的加權歐氏距離；a1、a2、a3為權重。

本例中，堆積形態權重為a1，密度權重為a2，介質粒徑權重為a3，將每種模擬介質的不同要素加權后計算與吹雪的歐氏距離（表2）。

表2 模擬介質與吹雪的加權歐氏距離Table 2 Weighted Euclidean distance between simulation medium and blowing snow

Setoguchi［15］在風吹雪介質模擬實驗中采用白土模擬雪，采用自然坍落底角的相似性來證實白土與吹雪的相似度。在上述風吹雪模擬介質相似性論證的基礎上，經分析實驗影像數據，鋸末在篩分過程中自然坍落底角約為49°，而雪的坍落角度在45°～50°之間。

加權歐式距離和坍落底角法均表明，當前濕度條件下的鋸末與雪具有極高的相似度，可以采用鋸末替代積雪進行風洞模擬實驗。

1.4 三類棚洞堆積定性實驗方案

堆積定性實驗主要通過模擬風吹雪中的吹雪沉積情況，來判定具有較好效果棚洞的型式。實驗過程中棚洞迎風側洞口不設擋雪板，參照瑪依塔斯區域風向與路向夾角，將路基和棚洞組合模型與風向成90°布置，實驗過程與介質相關性實驗基本相同，實驗結束后測定各類棚洞迎風側、洞內、背風側介質堆積的體積。

1.5 封閉式棚洞有無擋雪板堆積定量對比實驗方案

對堆積定性實驗中的封閉式棚洞進行有無擋雪板的對照組實驗，通過對比堆積實驗中無擋雪板工況下的介質堆積情況與有擋雪板工況下的情況，來驗證擋雪板的洞口吹雪防治效果。實驗中，棚洞與風向的角度按照擬實施棚洞工程的瑪依塔斯區域S201 線K34～K35 段實際情況設置為30°。擋雪板平面布置與流場實驗相同（圖3）。

圖3 洞口無防護措施（a）與有防護措施（b）的對比堆積實驗Fig. 3 Comparative stacking experiment without（a）and with（b）protective measures at the entrance

1.6 封閉式棚洞流場實驗方案

（1）洞外流場實驗

洞外流場實驗采用對比有無擋雪板的方法來研究。棚洞、擋雪板布設方案等與堆積實驗相同。實驗入流風速為8 m·s-1、10 m·s-1和12 m·s-1，流場實驗每條風持續3 min，采用每組數據的平均值作為實驗值。實驗測點分別位于棚洞兩端0H～5H距離，測點高度為0.07H～3.57H。本實驗中由于棚洞為30°放置，因此棚洞截面寬度為3.1H，繪圖時以迎風側棚洞0H處為坐標原點，實驗測點垂直布設9 層，沿棚洞上下風向位置水平布設8 層（表3、圖4）。實驗過程中先測定無擋雪板時三種風速流場的分布，再測定有擋雪板時的三種風速流場。

圖4 風洞內模型布置方案（I-I為流場觀測斷面）Fig. 4 Model layout scheme in the wind tunnel（I-I is the flow field observation section）

表3 測點設置Table 3 Setting of the measured points

（2）洞內流場實驗

洞內流場實驗與洞外流場實驗方案基本一致，只是在測點布設方面不同。洞內流場實驗均在洞內布設測點，實驗共測定了5組斷面，分別在兩側洞口、洞身1/4、1/2、3/4位置（表4、圖5）。

圖5 棚洞洞內實驗斷面測點布置圖（a）和現場照片（b）Fig. 5 Layout of measuring points of experimental section in shed tunnel（a）and site photos（b）

表4 棚洞洞內實驗斷面測點設置Table 4 Setting of measuring points of experimental section in shed tunnel

2 實驗結果

2.1 三類棚洞堆積定性實驗

堆積實驗過程中由于不同棚洞阻滯效應的差異，部分介質會被直接吹出風洞，因此堆積總量不一定與源介質總量相同。實驗結束后通過分析迎風側、洞內、背風側介質堆積體積得出有關結論（圖6）。

圖6 各類棚洞堆積實驗數據統計Fig. 6 Statistics of various types of shed tunnel stacking experiments

（1）封閉式棚洞

洞身迎風側堆積為源介質體積的50%，洞內堆積為源介質體積的0.1%，洞身背風側堆積為0。

（2）透風式棚洞

不同透風率堆積情況不同，以45%透風率的棚洞為例，迎風側堆積質量為源介質體積的23%，洞內堆積質量為源介質體積的4%，洞身背風側堆積體積為源介質質量的16%。在洞側透風率從45%向25%降低過程中，相應指標存在規律性變化：洞內介質堆積質量隨透風率降低而降低，背風側介質堆積質量隨透風率降低而降低。

（3）上挑式棚洞

洞身迎風側堆積體積為源介質質量的48%，洞內堆積介質為源介質體積的0.1%，洞身背風側為0。從阻雪性能上來講，上挑式棚洞洞體阻雪性能與封閉式相當，洞內產生的堆積極少。

2.2 封閉式棚洞有無擋雪板堆積定量對比實驗

在堆積實驗中，未設置擋雪板的棚洞洞口有較多介質堆積，堆積寬度為棚洞寬度的3/4，寬度隨深入洞內逐漸減小。設置擋雪板的棚洞洞口有少量介質堆積，堆積寬度為未設置擋雪板工況的1/3，堆積質量為未設置擋雪板的1/30。

2.3 封閉式棚洞流場實驗

（1）洞外流場實驗

為簡化表達不同層高的風速流場情況，將實驗模型外輪廓以內的部分風速全部設置為0，并按照相應坐標加入人工處理參數。采用Origin 軟件，將軟件中smoothing 選項中的Total points increase factor 設為100，Smoothing Parameter 設為0.1，繪制了流場圖（圖7）。圖中左側一列三張流場圖為未設置擋雪板的棚洞外部流場情況，從上到下入流風速分別為8 m·s-1、10 m·s-1和12 m·s-1；右側一列三張流場圖為設置三排擋雪板后的流場情況，入流風速與左側同排相同。

圖7 棚洞外側的風速流場Fig. 7 Wind flow field outside the shed tunnel

以8 m·s-1入流風速無擋雪板流場為例，風在通過棚洞的時候會圍繞洞身環流，就形態上而言，入流方向風速變化相對較快，流場形態較尖銳，通過棚洞以后風速恢復較緩，流場形態較為平滑。從8 m·s-1至12 m·s-1風速變化過程中，流場形態無明顯變化。以8 m·s-1入流風速無擋雪板與有擋雪板流場對比來看，擋雪板對流場影響極大，尤其是1.25H高度以下的風速較入流下降均在40%左右。在入流風速8 m·s-1至12 m·s-1變化過程中，隨入流風速提升，風速下降呈增大趨勢。在設置擋雪板的工況下，-2.5H至-1H區間出現了流場擾動縮短的現象，并且隨著風速不斷提高，該現象有擴大的趨勢。

（2）洞內流場實驗

實驗數據以棚洞左側為坐標原點，洞高方向為Y軸正方向，洞左至右為X軸正方向，建立數據坐標后采用Origin軟件繪制圖像。洞內流場實驗也與上述流場條件相同，采用8 m·s-1入流風速進行分析研究（圖8）。

圖8 棚洞洞內的風速流場Fig. 8 Wind flow field in the shed tunnel

在洞口未設置擋雪板的工況下，洞口入流方向弱風區較為明顯，尤其是0.1H高度以下風速存在較為明顯的下降，這一趨勢在第五個斷面依然存在。在此工況下，結合有關研究成果判定，可能對應吹入洞內的風吹雪滯留現象。

在洞口設置擋雪板的工況下，前兩個斷面基本與未設置擋雪板流場情況類似，但在第三個斷面以后流場存在較大的差異。結合有關工程經驗，若將4 m·s-1及以下區域定為弱風區，那么設置擋雪板的棚洞在第三個斷面弱風區占比為10.3%，第四斷面和第五斷面為0。同等條件下，未設置擋雪板的棚洞第三個斷面弱風區占比為19.6%，第四個斷面弱風區占比為17.4%，第五個斷面弱風區占比為7.2%。經推算可得，設置擋雪板后，洞內弱風區長度減少了33%。

3 討論

3.1 不同棚洞防雪效果對比

從堆積實驗結果分析可知，封閉式棚洞阻雪性能較好，洞內產生的堆積極少，但也存在迎風側介質堆積多，洞身受積雪側壓力大的弊端。透風式棚洞存在介質灌入洞內的風險，且與透風率增大成正比關系，防雪效果較差。上挑式棚洞防雪效果與封閉式棚洞相當，但迎風側有大量的介質堆積，且非框架結構，雪壓力抵御能力弱。總體而言，封閉式棚洞和上挑式棚洞防雪效果較好。

3.2 封閉式棚洞有無擋雪板流場分析

首先，從堆積定性實驗分析，擋雪板作為攔截主體對介質產生了較為顯著的攔截作用，因此擋雪板的設置是有益于棚洞防雪效果提升的。其次，從擋雪板洞外流場情況分析，擋雪板具有減弱洞口風力的功能，尤其在風吹雪運動的貼地氣層，這一現象尤為突出。這也與堆積實驗相互印證：受擋雪板對流場抑制作用，風力降低，介質在擋雪板后至棚洞入口前形成了堆積，這一現象隨風速增大而縮小。再次，從洞內流場的變化情況來看，擋雪板降低了洞內弱風區域的范圍，可以推斷當入流風速進一步提升至風吹雪吹入洞內時，有擋雪板的棚洞對應的風積雪長度和范圍是小于未設置擋雪板的。

4 結論

風吹雪對新疆冬季交通安全有重大威脅，隨著新疆經濟社會的發展，對交通事業發展提出了更高要求，風吹雪的防治理念也從過去的“保通”逐漸向“保優”轉變。結合這一背景，本文探討了風吹雪治理棚洞型式選取和洞口防雪處置措施效果，并形成了以下結論：

（1）在非低溫條件下采用風洞堆積實驗研究風吹雪沉積狀態時，從密度、粒徑、堆積形態三個方面綜合分析后發現鋸末介質與風吹雪運動過程中的吹雪具有較好的相似性。在不具備低溫環境的風洞實驗時，采用鋸末介質探究風吹雪沉積狀態是一種可行的方案。

（2）在實驗過程中透風式的棚洞中灌入了大量的介質，證實其防風雪性能不理想。相比較而言，封閉式棚洞、上挑式棚洞具有較好的風吹雪防治效果。

（3）擋雪板具有較好的洞口吹雪抑制功能。從堆積實驗看，擋雪板能較為有效地阻攔風吹雪進入棚洞；從流場實驗看，擋雪板能夠明顯降低棚洞外部風速，具有抑制棚洞內部形成弱風區的功能。

對于新疆公路交通而言，采用棚洞工程治理風吹雪災害是一種可行的方案，在處理好棚洞洞口吹雪沉積問題后，低價且環境融合的棚洞工程型式和長距離棚洞的車輛運行安全保障措施是未來需要繼續破解的難題。