京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段風吹雪特征及危險度評價

王瑞祥， 魏 靜， 劉佳昕， 閆志越， 劉 強

（1. 北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044； 2. 中鐵建新疆京新高速公路有限公司，新疆 烏魯木齊 830092）

0 引言

風吹雪是我國北方地區常見的一種自然災害，是雪在風的作用下遷移、重新沉積的過程。我國風吹雪區域總面積約530×104km2［1］，主要位于新疆中溫帶、青藏高原寒帶、內蒙古溫帶等地區，其時空分布的不均勻性與季節更替和緯度位置等因素有關，例如，新疆風吹雪災害頻發季節是在冬季和初春，并且多發生于西部和北部山區［2-3］。風吹雪給工農業和交通運輸帶來嚴重危害，因此，詳盡掌握交通基礎設施沿線的風吹雪特征及災害分布情況，對于防災減災和保障交通運營安全具有重要意義。

目前已有較多針對風吹雪災害預測及危險度評價判定等方面的研究，對采用防治措施起到理論和實踐上的指導。例如，在區域雪災預測及風險評價方面，周曉莉等［4］建立了基于距離函數的雪災等級評估模型，得出西藏地區發生雪災次數最多的季節為春季以及21 世紀來發生嚴重雪災次數有所減少的結論。王秀琴等［5］利用多指標綜合評估法，運用連續型隨機變量分布密度近似法，進行了新疆雪災等級區劃。劉強等［6］結合公路的危險性評價、公路系統脆弱性和風吹雪災害風險分析，建立了黑龍江省風吹雪區域的概率分析模型，用于道路災害預警，德勒格日瑪等［7］基于BP 方法和層次分析法建立了內蒙古錫林郭勒盟雪災綜合風險評價體系，并對其進行風險評價與區劃等。上述研究成果給出省域范圍的雪災分布及等級，便于掌握大范圍內風吹雪分布，但對于受到風吹雪影響的鐵路公路等基礎設施而言，沿線風吹雪災害點多線長面廣，因此了解風吹雪危險程度更為重要，霍張麗［8］采用GIS平臺結合層次分析法，對新疆精伊霍鐵路沿線和試驗段雪害進行評價區劃，判斷出風吹雪災害的重度危險區位置。吳鵬等［9］基于模糊綜合評價法建立了公路風吹雪危險度評價模型，對新疆塔城S201線進行危險度判斷，結果與實際基本相符。羅新文［10］利用站點觀測和氣象數值模擬得出克塔鐵路沿線冬季和夏季的主導風向，利用衛星影像和區域氣候模擬得出鐵路線路方案的積雪分布特征，為確定合理的線路方案提供了科學依據。孫元春等［11］對克塔鐵路風吹雪特征進行進一步分析并對危害分區進行評價，結合不同路基形式對風吹雪的影響，確定出霍吉爾特區域為風吹雪防治重點段落。上述學者采用多種評價方法分析了我國新疆北部和西部的公路和鐵路風吹雪的危險程度，為防治風吹雪提供了借鑒，但目前，針對新疆東部東天山以北高等級公路風吹雪特征和危險度方面的研究尚較為缺乏。由于風吹雪災害發展演變會受到所在研究區域地形地貌、風速風向、降雪量等局部氣候環境以及路基結構形式等多種因素的共同影響，具有很強的地域性，因此，對于已有相關理論和技術不能照搬或直接應用，需要根據工程實際開展分析。

位于東天山北麓風吹雪災害易發地區的京新高速公路（G7）新疆伊吾—木壘段，是本區域首條設計時速為120 km 的高等級公路，國防及經濟意義重大。由于當地氣象站的點位少距離遠，氣象資料遠遠滿足不了高速公路防風雪設計需求，2021 年6 月30 日高速公路開通運營以來，經歷了第一個冬季，面臨了若干次風吹雪災害引起的封路問題。考慮到高速公路路面更寬、附屬設施更多以及對運營通行要求更嚴格的情況，了解京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段風吹雪發生和分布的特殊性，掌握其風吹雪特征并進行危險度評價，針對風吹雪災害發生風險極高的地段提出調整或者增設防雪措施的相關建議，是亟須解決的實際問題。因此，本文通過風速風向遠程監測、衛星遙感、現場雪情調研以及模糊綜合評價等研究方法，得出了本高速公路沿線的風吹雪特征，給出了風吹雪危險度劃分，這對下一步開展風吹雪防治工作具有重要意義。

1 京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段項目概況

1.1 工程概況

京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段地處哈密市和昌吉州境內，路線自伊吾向西途經巴里坤和木壘縣，與奇木高速相連，全長約328.4 km，建設期分為伊吾至巴里坤標段（以下簡稱YBTJ 段）和巴里坤至木壘標段（以下簡稱BMTJ 段），標段劃分和路線走向如圖1 所示。路線行經區域為北溫帶大陸干旱區、寒溫帶亞干旱區和亞寒帶亞干旱區等氣候區，冬季嚴寒，降雪量大，亂風現象明顯，氣候條件復雜。據當地氣象資料顯示，巴里坤縣降雪最大積雪深度達380 mm，木壘縣最大積雪深度為440 mm，整個冬季降雪日數平均在40 天，降雪量94.4 mm，占全年降水總量的三分之一。巴里坤和木壘地區風向多為南風、西南風和西風。高速公路路線大致為東西走向，風向與路線交角較大，極易發生風吹雪害。高速公路經過的地形地貌也存在較大差異，如山前沖洪積平原、剝蝕—堆積微丘區、臺地、山間盆地低中山以及湖相沉積平原等，區域各路段風吹雪害嚴重程度不一，高速公路的修建改變局地范圍內原有的微氣候和微地形條件，從而會產生更嚴重的風吹雪災害。

圖1 京新高速伊吾—木壘段標段及路線走向示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the bidding section and route direction of the Yiwu-Mulei section of the Beijing-Xinjiang Expressway

1.2 遠程監測和衛星遙感

2018—2020 年冬季對處于建設期的該條高速公路全線進行了雪情調查，綜合考慮沿線的地形地貌、主導風向、風速大小、風吹雪危害程度、路基填挖高度等因素，重點選擇淺路塹、深路塹、互通立交、路堤路塹過渡段以及隧道進出口等風吹雪較嚴重路段的代表性工點，設置26 處監測點位，實時獲取風速、風向、溫濕度等數據，如圖2 所示。其中，YBTJ 段監測范圍為K50+580～K60+600，BMTJ 段監測范圍為K148+800～K236+340，這里K50+580 表示的是公路建設期的樁號，即以K0+000 為伊吾至巴里坤設計段起點，K50+580 表示距離標段起點50 km又580 m的位置。

圖2 遠程監測點位示意圖Fig. 2 Schematic diagram of long distance monitoring points

采用自主設計的遠程實時監測氣象站獲取環境溫濕度、1.5 m 和3 m 高度的風速風向數據，每套監測設備包含供電保障、數據采集、數據傳輸和物聯網云平臺等系統。考慮到沿線部分區域電信信號不穩定且時有信號缺失情況，系統設計中增加了斷點傳輸技術以防止數據丟失。監測時間從2020年11 月11 日至2022 年3 月20 日，數據實時上傳至新疆京新高速風吹雪監測物聯網平臺。

根據京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段的經緯度，采用衛星遙感方法，獲取國產高分二號衛星影像多景，應用目視解譯和自動分類技術，得到較為清晰的高速公路雪地覆蓋影像，這對探索利用高分辨率衛星影像得到高速公路積雪覆蓋范圍提供了可行性和較好的精度，并能夠為后續高分衛星影像應用于高寒等條件惡劣地區的交通監測提供技術支持。

2 京新高速（G7）伊吾—木壘段的風吹雪特征

2.1 高速公路沿線的風速風向特征

風是風吹雪發生的重要因素之一，遠程監測數據表明，公路沿線的風速風向差異大。篩選出冬季大于4 m·s-1起動風速［12］的實測風速值，分析其出現頻率，如圖3所示。統計起動風速以上范圍的風速頻次，利用高德地圖開放平臺中的數據可視化平臺，分析得到風速分布熱力圖，如圖4 所示。確定出公路沿線風力較強易發生風吹雪的路段有：YBTJ 段的K50+000～K56+000，BMTJ 段的K148+800～K155+100和K206+040～K232+980區域。

圖3 公路沿線冬季風速分布Fig. 3 Winter wind speed distribution along the expressway

圖4 公路沿線風速分布熱力圖Fig. 4 Heat map of wind speed distribution along the expressway

根據監測的風速風向數據可知，YBTJ 段以西風、西南風為主，BMTJ 段東側以西北風為主，向西逐漸過渡到以東南風為主，如圖5 所示。由于高速公路整體呈東-西走向，主導風向與路線有較大夾角，會加重風吹雪對公路的危害。

圖5 公路沿線風速風向分布圖Fig. 5 Distribution of wind speed and direction along the expressway： K50+580 of YBTJ tender section （a）；K148+800 of BMTJ tender section （b）； K236+340 of BMTJ tender section （c）

監測數據表明部分路段風向隨季節和天氣變化大。冬季與夏季風向不同，如圖6 所示BMTJ 段的K200+000～K210+000 路段冬季東南風和西北風交替出現，夏季均為偏北風，無偏南風。冬季降雪期間與非降雪期間風向不同，如圖7 所示的K210+000～K223+000 非降雪期主導風向為東南風，降雪期間西北風和東南風交替出現。

部分路段主導風向由地形決定，位于峽谷地帶的路段主導風向順應山體走向。包括：K155+100主導風向為西南風，K194+780 主導風向為東北-西南風，K206+040 主導風向為南-北風，K209+390 主導風向為東南-西北風。

2.2 高速公路沿線的雪特征

京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段經過的伊吾縣、巴里坤縣、木壘縣2009—2021 年歷史降雪量如圖8 所示。由圖可見，從伊吾縣向西至巴里坤縣和木壘縣降雪量逐漸增加，巴里坤縣和木壘縣的歷史平均降雪量較多，降雪量年際變化較大。2020—2022 年，巴里坤縣和木壘縣降雪量處于歷史高位，單次降雪量最大62.5 mm，調研發現公路路面的積雪最深在100 mm以上。

圖8 公路途經縣域年降雪量變化Fig. 8 Annual snowfall changes in counties along the expressway

天山冬季積雪密度分別為：新雪（干雪）0.04～0.08 g·cm-3，新雪（濕雪）0.10～0.20 g·cm-3，細粒雪0.11～0.17 g·cm-3，中粒雪0.17～0.23 g·cm-3，粗粒雪0.18～0.24 g·cm-3，融凍雪0.20～0.27 g·cm-3，深霜0.22～0.27 g·cm-3，而美國內華達山脈附近平均雪密度約為0.17 g·cm-3，法國阿爾卑斯山的雪密度約為0.30 g·cm-3，日本山區雪密度約0.35 g·cm-3，格陵蘭地區雪密度約為0.32 g·cm-3，北極積雪密度約為0.4 g·cm-3，與上述地區的積雪密度相比較，天山積雪密度明顯偏小，屬于低密度雪，有利于雪粒起動，形成風吹雪［12］。2019—2022 年冬季雪情調研時測得的項目區域新雪密度如表1所示。

表1 京新高速（G7）伊吾—木壘段新雪密度Table 1 New snow density in Yiwu-Mulei section of Beijing-Xinjiang Expressway

不同時段多次測量項目區新雪密度平均為0.10 g·cm-3，屬于新雪（濕雪）類，這是由于降雪期間環境濕度較大導致。2022 年1 月11 日至1 月13日降雪期公路環境濕度變化如圖9 所示，降雪期間公路附近環境濕度由47.4%增加至82.5%，降雪停止后下降至19.3%。將地面以上1 m 高度處使雪粒起動運行的風速定義為雪起動風速，新雪（濕雪）的起動風速在3.7～4.3 m·s-1之間［12］。

圖9 降雪期間公路環境平均濕度變化Fig. 9 Annual snowfall changes in counties along the expressway

公路沿線積雪遙感圖像取自2022年1月11日，圖片表明BMTJ段具體公路位置處發生嚴重的風吹雪，如圖10所示。

圖10 BMTJ標段路面風吹雪衛星遙感圖像Fig. 10 Satellite remote sensing image of snowdrift on BMTJ section： snow in pavement at K203+000 （a）； snow in pavement at K219+540 （b）； snow in pavement at K242+310 （c）； snow in pavement at K243+300 （d）

2.3 易造成積雪的路基形式

京新高速公路（G7）新疆伊吾—木壘段穿越山前平原、低山、丘陵、山間溝谷等地形，路基填挖方高度變化大，部分最大填方挖方達到10 m 以上，低填淺挖或零路基地段也較多。2021—2022 年冬季雪情調研發現，低填淺挖路基是風吹雪災害最嚴重的路基形式，其通常位于地形平坦開闊地帶，有利于風吹雪發育，路基與兩側地面高差小，風吹雪過程中雪粒更易躍上路面，這是產生路面積雪的前提。此外，安裝在路側和中央分隔帶的波形梁護欄改變了路面近地面風的流場分布，波形梁后側形成渦旋，在路面上形成弱風區，致使風雪流中的雪粒沉積［13］，如圖11（a）所示。在半路塹背風坡坡頂，氣流導致風雪流貼地附面層分離產生渦旋，由于渦旋的影響，使得雪沉積在坡面并逐漸蔓延至路面，或者路面上的降雪被吹遠再被卷回來沉積在路面上，如圖11（b）所示，這與文獻［14］中闡述的在鐵路路基上設置擋風墻后，越過墻的沙粒在墻后風沙流渦旋的影響下發生沉積或被卷回到路基面上的規律類似［14］。

圖11 路基積雪Fig. 11 Snow cover on the subgrade： snow cover on the embankment （a）； snow cover on the cutting （b）

3 京新高速（G7）伊吾—木壘段的風吹雪危險度評價

3.1 風吹雪危險度評價模型

風吹雪危險程度受多種因素影響，是一個模糊的概念，因此建立評價模型宜采用模糊綜合評價法。模糊綜合評價法是建立評價模型以準確反映事物各影響因素與評價指標的邏輯關系，只能以定性或半定量形式來描述和評價［15］。

3.1.1 因素集和權重

本研究中因素集是包含影響風吹雪嚴重程度因素的集合，用U表示。

式中：u1，u2，...，un為影響因素，根據《公路雪害防治技術規范》（DB 65/T 4185—2019）（以下簡稱規范）［16］中提及的風吹雪影響因素，結合現場調研，確定主評價因素為自然因素和工程因素。

自然因素包含的子評價因素有：（1）平均風速；（2）主導風向與道路夾角；（3）吹雪頻率；（4）最大積雪深度。

工程因素包含的子評價因素有：（1）上風側開闊地帶長度；（2）路線曲率半徑；（3）路基高度；（4）路基邊坡坡度。各評價因素評價指標和取值范圍如表2 所示。為構建廣泛應用的評價模型，評價因素取值范圍考慮了理論上所有可能情況。

表2 公路風吹雪危險度評價因素指標和取值范圍Table 2 The evaluation factor index and value range of road snowdrift

為突出各因素對風吹雪的影響程度，引入權重向量A。

根據規范中的因素影響大小確定各因素權重如表3所示，各級權重滿足歸一化原則。

表3 公路風吹雪危險度各影響因素的權重分配Table 3 Weight distribution of various influencing factors of road snowdrift

權重向量：A11=（0.33，0.11，0.33，0.23），A12=（0.43，0.14，0.29，0.14），A2=（0.56，0.44）。

3.1.2 評語集

評語集是評價結果的集合，用V表示。

式中：v1，v2，...，vm為因素集中各影響因素的評價結果，根據規范和以往學者研究結果，將風吹雪危險度分為3 類：危險度極高，危險度較高，危險度不高。即：V={危險度極高，危險度較高，危險度不高}。

評價因素和評語組成的兩級評價模型如表4所示。

表4 公路風吹雪危險度的層次評價模型Table 4 Hierarchical evaluation model of road snowdrift risk

3.1.3 單因素評價

單因素模糊評價是因素集U中單一因素的評價結果對評語集V中某個評語的隸屬程度［16］，各因素對各評語的隸屬關系構成評價矩陣。確定隸屬函數采用模糊分布方法，總結已有研究結論，各評價因素選用合理的分布類型，并根據規范中界定的部分因素影響程度和大量現場調研觀測確定分布參數取值。單因素評價矩陣R1包含4 個自然因素，用變量x表示，見公式（4），其中，變量x在第一行代表平均風速，第二行為主導風向與道路夾角，第三行為吹雪頻率，第四行為最大積雪深度。矩陣R2包含4個工程因素，見公式（5），變量x在第一行代表上風側開闊地帶長度，第二行為路線曲率半徑，第三行為路基高度，第四行為路基邊坡坡度。

3.1.4 多因素模糊評價

模糊綜合評價是權重和單因素評價矩陣模糊變換的結果。一級評價計算如式（6）所示。

二級評價計算如式（7）所示。

b1、b2、b3分別為綜合評價后對應評語危險度極高、較高、不高的隸屬度。按最大隸屬度原則，b1，b2，b3中最大值對應的評語為某一路段的風吹雪危險度等級。

3.2 風吹雪危險度評價結果

采用模糊綜合評價模型對京新高速伊吾—木壘段進行風吹雪危險度評價得到的風吹雪危險度分區如圖12所示，圖中紅色、黃色、藍色分別代表風吹雪危險度極高、較高和不高路段，即分別對應圖中的危險、較危險和安全分區。

圖12 京新高速伊吾—木壘段風吹雪危險度分布圖Fig. 12 Distribution map of snowdrift risk in Yiwu-Mulei section of Beijing-Xinjiang Expressway：YBTJ tender sention （a）； BMTJ tender section （b）

風吹雪危險度依據京新高速公路新疆伊吾—木壘段的各路段路基形式、周邊環境、實際風吹雪大小、吹雪頻率等因素進行劃分。根據遠程監測、衛星遙感及模糊綜合評價方法，確定出風吹雪危險度極高和較高路段如表5 和表6。

表5 風吹雪危險度極高路段范圍Table 5 Range of road sections with extremely high risk of snowdrift

表6 風吹雪危險度較高路段范圍Table 6 Range of road sections with high risk of snowdrift

3.3 風吹雪高危險度路段現場積雪分析

高危險度路段均為風力較大和雪源處積雪深度大的區域，其滿足風吹雪發生的自然條件，該區域的路基設計參數顯著增大風吹雪災害程度，通過衛星遙感結果及2021—2022 年冬季雪情調研驗證了前文模糊評級給出的風吹雪危險度分區，在風吹雪危險度極高地段，積雪深度達到100 mm 以上，完全阻斷交通，而風吹雪危險度不高的地段路面基本無積雪。

現場雪情調研發現，風吹雪危險度極高路段包括設置波形梁護欄的中低填方路堤和淺路塹。設置波形梁護欄的中低填方路堤段由于風吹雪造成的路面積雪最嚴重，波形梁護欄［17-19］對路基近地面風場擾動使風雪流中的雪粒通過路面困難，因此大量沉積，而高填方路堤由于上風側邊坡阻擋部分雪粒，到達路面的雪顆粒相對減少，兩種路堤路面的積雪情況對比如圖13 所示。在風吹雪危險度極高路段如K51+300～K53+300、 K56+900～K59+100、 K154+000～K157+000、K214+000～K216+000 以及K222+000～K223+000均為風吹雪造成的路面積雪類型。

圖13 設置護欄段路堤路面積雪圖Fig. 13 Snow on the embankment road in the guardrail section： snow on pavement of middle-low embankment （a）；snow on pavement of high embankment （b）

比起波形梁護欄易導致低路堤路面積雪堆積的情況，纜索護欄由于透風率高，對近地面風場擾動小，風雪流可通過路面，如圖13（a）中左側設置纜索護欄，左幅路面無明顯積雪。混凝土護欄也易導致雪沉積，如圖14（a）所示。其引起的積雪集中在路側，對行車道通行影響相對較小。橋梁段采用的金屬梁柱式護欄對風雪流擾動較小，加之橋面距地面高，不受地面風雪流運動影響，風吹雪對設置金屬梁柱式護欄的橋涵段危害較小，如圖14（b）所示。設置波形梁護欄的路堤段，適當提高路堤高度或改用透風率高的纜索護欄可有效減輕路面積雪。

圖14 不同護欄形式的路面積雪Fig. 14 Snow on pavement surface with different barrier： snow cover of the concrete barrier section （a）；snow cover of beam-column barrier section （b）

工程中常在易發風吹雪路塹段采用路堤式路塹，即在路塹內部填筑路堤，同時開挖路堤兩側土石方，與兩側邊坡之間形成一定的儲雪空間（積雪平臺）。京新高速（G7）伊吾至木壘段的路堤式路塹和積雪平臺如圖15 所示。積雪平臺儲雪量受邊坡高度影響，平臺寬度相同的情況下，邊坡越高儲雪空間越大。因此，淺路塹位置的積雪平臺更容易達到飽和，積雪溢出至路面，如圖16所示，風吹雪危險度極高的路段K203+000～K205+000 為此類風吹雪造成的路面積雪類型。

圖15 路堤式路塹和積雪平臺Fig. 15 Embankment cut and snow platform of Beijing-Xinjiang Expressway

圖16 淺路塹路面積雪Fig. 16 Snow on shallow cut road

淺路塹相比深路塹，在設置路側或中央分隔帶護欄路段的路面上產生較多積雪，積雪形成原理與路堤段相同。淺路塹位置可拓寬加深路側積雪平臺，增加儲雪量以減少路面積雪。

4 結論

本文通過風速風向遠程監測、衛星遙感和現場雪情調研，明確了京新高速公路（G7）新疆伊吾—木壘段風吹雪特征，分析了風吹雪發生的自然因素和工程因素，建立風吹雪危險度評價模型，對全線風吹雪危險度進行劃分，給出風吹雪嚴重地段的路基形式，為本條高速公路開展防風雪措施的設置提供了依據。主要結論如下：

（1）京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段新降雪的密度小，遠程監測顯示沿線風速超過雪起動風速的頻率高，高速公路部分路段風向與路線走向垂直或呈大角度，具備發生嚴重風吹雪害的風場條件。YBTJ的K50+000～K56+000、BMTJ 的K148+800～K155+100和K206+040～K232+980是三處風力較強路段，疊加降雪條件，極易發生嚴重風吹雪災害。近年來降雪量年際變化大，例如BMTJ 的K144+000～K259+806降雪量大，具有發生嚴重風吹雪的雪源條件。當降雪量較大，風速超過雪粒子起動風速時，極易發生風吹雪災害。

（2）選取自然和工程因素，給出單因素評價隸屬函數矩陣和兩級評價權重向量，建立公路風吹雪危險度模糊綜合評價模型，遵循最大隸屬度原則確定風吹雪危險度。經評價得出全線共6處風吹雪危險度極高路段和6 處風吹雪危險度較高路段，衛星遙感資料及高速公路建設和開通運營后的冬季現場雪情調研證明了上述模糊度評價模型的準確性。

（3）分析風吹雪高危險度路段的路基形式發現，低路堤路面的大量積雪由波形梁護欄引起，導致冬季雪后高速公路封路除雪次數較多，建議距離低路堤一定位置可設置擋雪板，或者改用透風率更高的纜索護欄來減輕路面風吹雪災害。淺路塹的積雪是由于路側積雪平臺儲雪量不夠導致，易使風吹雪蔓延至路面，增大路側積雪平臺儲雪空間可減輕路面積雪，也可考慮在淺路塹來流側增設擋雪板措施。