连霍高速公路百里风区柔性防风阻沙栅布设方案研究

马韫娟韦振勋陈飞捷马淑红戈峰薛万新李剑

1,清华大学 100084；2，新疆公路规划勘察设计研究院 830002；3，新疆气象服务中心4，国家发改委投资研究所 100037

连霍高速公路百里风区柔性防风阻沙栅布设方案研究

马韫娟1韦振勋2陈飞捷2马淑红3戈峰4薛万新2李剑2

1,清华大学 100084；2，新疆公路规划勘察设计研究院 830002；3，新疆气象服务中心4，国家发改委投资研究所 100037

以连霍高速公路三十里风区、百里风区沿线2个多要素5层梯度风监测资料、1个4要素自动气象站风向风速监测资料、百里风区典型横断面短期强风监测资料为基础，结合连霍高速百里风区路基高度、经纬度、海拔高度等地理参数，采用气象学、流体力学、风洞试验、强风监测技术、空气动力学、概率论与数理统计、公路工程技术标准相结合的方法，计算连霍高速百里风区距路面4.0m高度处最大瞬时风速2年一遇设计值，10min平均最大风速30年一遇设计值。同时参阅了大量国外发达国家（日本、英国、德国、法国高速铁路，以及高速公路高路堤横风危害计算模型），特别是日本空气动力学专用大型风洞研究(桥梁、高路堤、防风栅 )组合的风洞试验、高速公路安全运行的管制制度和设置防风栅研究结果。分析连霍高速百里风区风特征，提出连霍高速百里风区防风措施采用柔性防风阻沙栅，为连霍高速百里风区不同类型汽车安全、高效行车提供技术保障。

1 、引言

连霍高速公路横贯中国的东、中、西部。连接江苏连云港和新疆霍尔果斯，全长4395km，是中国建设的最长的横向快速陆上交通通道，最终将成为中国高速公路网的横向骨干高速公路。连霍高速公路百里风区位于七角井垭口对应的了墩至红旗坎区间，长100多km，线路走向由东向西，全年强风盛行风向与线路走向垂直，属于风害重度危险区。大风曾多次造成汽车翻车、高速公路关闭，给公路运输带来了巨大的经济损失和严重的社会影响。为了保证高速公路行车安全及大风环境下正常运营，在大风区重点路段典型横断面布设柔性防风阻沙栅十分必要。

强横风天气条件是连霍高速公路百里风区安全行车的重要危险之一。连霍高速公路百里风区高路堤和弯道众多，横风天气条件对高速公路安全、高效行车影响很大，研究连霍高速公路百里风区防风措施及其对策对新疆高速公路风害防控技术研究具有重要科学意义和工程价值。

对于高速公路遭遇横风天气的流场分析，目前国内外比较通用的是流体模拟、风洞试验、现场风监测技术。本报告充分借鉴了日本、德国、法国和英国等发达国家的研究成果，采用气象学、风沙物理学、流体力学、强风监测技术、空气动力学及概率论等相结合的方法。特别借鉴了日本高速铁路和高速公路空气动力学专用大型风洞研究（图1）和流体模拟；构造物(桥梁、路堤等) 组合的风洞试验研究成果及小尺度模型在自然风环境下的测试结果；保障汽车安全运行的管制制度和设置防风栅（图2）。日本高速铁路和高速公路空气动力学专用大型风洞和流体模拟柔性防风栅防风效果表明：强侧风路段高路堤、大桥防风栅设置后最大瞬时风速降低5.0m·s-1以上；强横风路段高路堤、大桥防风栅设置后最大瞬时风速降低10.0 m·s-1左右。在借鉴国外研究成果同时，本文结合连霍高速公路百里风区强风天气的特殊环境，研究和提出了适合连霍高速公路百里风区横风天气条件下安全、高效行车的技术保障措施及其对策。

2 、连霍高速公路百里风区野外考察

201 0年04 月新疆公路勘测设计研究院、新疆维吾尔自治区气象科学服务中心、北京大学组织综合考察队，对连霍高速公路沿线具有代表性的气象站进行科学考察。并以乌鲁木齐市气象局为出发点，对风向风速、温湿度观测仪、地形地势、风场特征等进行了科学考察。

在连霍高速公路三十里风区、百里风区风害防控技术研究野外考察和资料分析基础上，将三十里风区中部DK4031、百里风区红山口DK3781+100路段，最大瞬时2年一遇设计值达到35.0 m·s-1以上重度危险路段，选定为公路风害防控技术研究的6要素5层梯度风自动气象站站址。连霍高速公路三十里风区6要素（气压、温度、湿度、风向、风速、雨量）5层（0.15m、0.5m、1.0m、2.0m、4.0m）梯度风自动气象站地理参数为43°04′07.2″N,88°38′19.0″E，海拔高度395m（图3.a）。同时在百里风区红山口DK3781+100路段建立高速公路大风监测站，地理参数为43°20′57.3″N,91°25′20.1″E，海拔高度为1260m，见图片3.b。连霍高速公路三十里风区6要素5层梯度风自动气象站、百里风区大风监测站太阳能供电，无线传输，风向、风速、温度、相对湿度、雨量、气压采集速率和计算按照中华人民共和国气象行业标准QX/T 61—2007[1]中的技术要求进行。

连霍高速公路三十里风区6要素5层梯度风自动气象站、百里风区大风监测站的建立同时，建议柔性防风阻沙栅设置在百里风区红山口路段，见图片3.c。该防风栅设置可以为连霍高速公路安全、高效行车提供科学依据。

3 、霍高速公路百里风区沿线风害概述

3.1 大风成因

连霍高速公路百里风区为内陆寒潮性大风，受地形地貌垭口增速效应及气压梯度力的影响所致，百里风区的形成与地理位置和天山有着很直接的关系。天山横亘新疆，每当冷空气侵入，都是天山阻挡住冷空气的去路，当冷空气突破天山北坡山口防线达到七角井镇，以300～400k m·s-1速度到达十三间房，垭口增速和气压差增加，导致风速加大。

3.2 大风特征

连霍高速公路百里风区具有风速大、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快的特点，实测瞬间最大风速达60.0m/s以上，是全球内陆风力最为强劲的地区之一。连霍高速公路百里风区全年大风日数在152～161天[2]，属于风害重度危险区。

全球气候变化，导致连霍高速百里风区戈壁路段大风强度和变化趋势呈现增加趋势，变化率b＝20.0/10a，这主要由于全球气候变暖，戈壁地带温度增高，气压梯度增大所致。

3.3 百里风区强风盛行风向特征

全年强风盛行风向玫瑰图分析结果表明：连霍高速公路百里风区全年强风盛行风向N，频率为60%，次盛行风向NNW,频率为33.0%(图4)。该线路走向是E─W,线路与强风盛行风向夹角在75°～90゜之间，高速公路不同类型汽车安全行车主要受到横风影响[3]。

图4 连霍高速公路百里风区全年强风风向玫瑰图

3.4 、基本风速分布特征

基本风速定义为开阔平坦地貌条件下，距地面以上10m高度处，30年重现期的10min平均年最大风速，针对高速铁路防风基本风速定义为开阔平坦地貌条件下，距轨面4.0m高度处，30年重现期的10min平均年最大风速达到临界风速为防风栅布设设计风速。以连霍高速公路百里风区线路每间距100m距路面4.0高度（m）参数为基础，结合沿线七角井、十三间房国家基本站近40年（1971～2009年）每场最大瞬时风速≥10.8m·s-1强风风速和风向资料，建立连霍高速公路百里沿线最大风速序列。应用极值Ⅰ型分布概率模式：

式(1)中u为分布的位置参数，即分布的众数,α为分布的尺度参数，最大风速极值Ⅰ分布的重现期计算公式如下：

依据连霍高速公路百里沿线气象站近40年（1971～2008）10m高度10min平均最大风速资料，应用（2）式，结合连霍高速百里风区区间路基高度和地形地貌特征以及基本站与沿线大风监测站最大风速比值，进行高度订正、地形订正、时距订正计算出连霍高速公路百里沿线每100m距路面4.0m高度处10min平均最大风速30年一遇设计值、连霍高速公路百里沿线每100m距路面4.0m高度瞬时最大风速2年一遇设计值。并且通过最大风速极值Ⅰ分布检验。

连霍高速百里风区最大瞬时风速水平分布特征，由中部向东西递增，并且随地形地势以及路堤、路堑高度变化呈现独特特征。连霍高速公路百里风区横风下最大瞬时风速对不同类型汽车安全行车影响很大，当瞬时风速达到15.0 m·s-1，小客车倾覆翻车；当瞬时风速达到20.0 m·s-1～25.0 m·s-1货车和大客运进入警戒，这与日本高速道路强横风运行管制规则一致。

4 、柔性防风阻沙栅设计标准

4.1 柔性防风阻沙栅设计标准

日本高速公路、高速铁路防风防雪设计标准：空旷平坦的地面上距地10m高度处30年一遇10min平均最大风速达到25.0 m·s-1～35.0 m·s-1之间。即最大风速重现期30年, 防风设计风速25 m·s-1～35.0 m·s-1。防风栅抗风标准：设计风速60.0 m·s-1, 设计风速重现期100年。

兰新铁路防风标准：空旷平坦的地面上距地10m高度处30年一遇10min平均最大风速达到32.0 m·s-1，即最大风速重现期30年, 防风设计风速32 m·s-1。挡风墙抗风标准：设计风速60.0 m·s-1, 设计风速重现期100年。

连霍高速公路百里风区强横风路段柔性防风阻沙栅设计标准防风标准：距路面4.0高度处30年一遇10min平均最大风速达到25.0 m·s-1～30.0 m·s-1之间。即最大风速重现期30年, 防风设计风速25 m·s-1～30 m·s-1。防风栅抗风标准：设计风速60.0 m·s-1, 设计风速重现期100年。

4.2 防风区段的确定

表1 连霍高速公路百里风区DK7180+100～DK3781+300拟建区间防风栅设置

4.3 防风种类

连霍高速公路百里风区强横风路段防风种类不同于护墙板100%的防风壁以及不足100%防风功能的防风栅栏。防风对策基于机能效果，以H钢等材料为主体，由有孔折板和金刚等钢板组成。钢板包括钢材、丙烯板、树脂网、GRS网片与砖的连接等。其中充实率：充实率即为防风设备的全面遮风效果。完全没有缝隙像墙壁一样的防风设备的充实率为100%。例如开孔率（空隙率）为40%～52%的情况下充实率为60%～48%。高度是指与桥梁或土堆等类似，这里指钢材的栏杆高度。长度是指防风对策设置的支柱之间的距离。这与日本防风对策的种类基本一致。

5 、柔性防风阻沙栅布设方案

5.1 柔性防风阻沙栅原理

柔性防风阻沙栅原理利用空气动力学原理,按照连霍高速百里风区典型路段横断面强风监测，结合流体模拟结果加工成一定几何形状的柔性阻沙栅,并根据现场条件将防风阻沙板组合成防风阻沙栅，使强风从外通过墙体时，在栅体内侧形成上、下干扰的气流以达到外侧强风，内侧弱风；外侧小风，内侧无风的效果，从而防止沙粒的飞扬，极大的损失来流风的动能；减少风的湍流度，消除来流风的涡流。柔性防风阻沙栅的防风阻沙效果取决于挡风尾流区的特征长度和风速。

5.2 柔性防风阻沙栅布设方案

连霍高速百里风区距路面4.0m高度处10min平均最大风速30年一遇设计值V4_30max（m·s-1）与连霍高速百里风区距路面4.0m高度处最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max（m·s-1）分布特征相一致。因此，在连霍高速百里风区防风栅布设中采用连霍高速百里风区距路面4.0m高度处最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max（m·s-1）作为设计风速。以高速公路里程中DK+L或+H或+0分别为单侧设置防风栅、双侧设置防风栅、不设置防风栅。 连霍高速百里风区强横风路段柔性防风阻沙栅设计方案如图7所示。

图7 连霍高速百里风区强横风路段柔性防风阻沙栅布设方案

5.3 柔性防风阻沙栅主要结构

新型的柔性防风阻沙栅主要包括基础结构，承力柱结构，传力柔性网，消风抑石砖，抵御瞬时增大强度的减力结构以及专用连接结构。

下面将逐一介绍新型的柔性防风阻沙栅各部分的结构：

5.3.1 基础结构

为了保证防风阻沙栅栅体在突受外力下不被损坏，结合现场缺水、地质的实际情况，可采用预埋构件和锚杆（岩石基础）结合的基础结构来维持稳定行。刚性结构的基础是极为严格的不仅受到拉拔力的影响，最主要要承受很大的弯矩影响，预埋构件和锚杆（岩石基础）结合的基础采用绞合连接的形式，将弯矩的影响降低到最小的程度,见图8.a～8.b。

图8 柔性防风阻沙栅基础结构和单元结构的形式

5.3.2 承力柱结构

承力柱结构：选用C字钢与工字钢结合，底部采用铰接方式与基础预埋件连接到一起。通过柔性钢绳链接到基础。C字钢不仅有强度，而且可以为面砖提供嵌入的沟槽，而且连霍高速公路百里风区强横风路段每100m路堤高度、路基特征、地形地貌特征、距轨面4.0高度处30年一遇10min平均最大风速设计值、每100m距轨面4.0m高度处最大瞬时风速2年一遇设计值等（表1）综合分析表明：连霍高速公路百里风区强横风路段主要受天山山口影响，特别是DK3780+100～DK3781+300路段最大瞬时风速随路堤高度增加风速呈现增加独特特征，建议在该区间迎风侧单侧设置防风栅,防风栅高度为距路肩高度2.0～3.0 m。这与日本道路和高速道路强横风路段防风栅设置高度一致，见图5～6。选用C字钢是因为我们可以将整个结构相对的单元化，在承受外力不均匀的情况下，不同单元会相应的有不同的形变，不会影响到整体。通常状况下，每个相对独立的单元长度在4到8米，在计算的时候只计算单元的受力即可(见图7)。型材的技术指标：长：6m，宽0.22m，槽深0.05m。

5.3.3 传力柔性网

传力柔性网：采用高抗腐GRS网片，网片整体抗拉强度大于38KN/m，采用双绞编织，本身具有极强的抵抗能力，将档风抑石砖提供载体，将墙体面受力均匀分布传递到承力柱以及钢丝绳索。档风抑石砖：产品结合档风、导风、防风、抑石、阻沙于一体，采用先进的制砖技术与制砖材料，具有相当的强度。减力结构：减力结构是整体结构在受到外力突然增大的情况下，通过自身的形变，延长外力对结构的作用时间，从而保证结构有足够的时间来微调，到达最佳的防护效果。专用连接结构：是一系列的辅助构成，包括网片与承力柱的连接，GRS网片与砖的连接，通过巧妙而且多元的组合可以达到亦柔亦刚的结构（图9）。连接结构的选取和方式是整个结构能否发挥最大效果的关键。

图9 GRS网片示意图

5.3.4 消风抑石砖采用陶粒砖的制作工艺

消风抑石砖采用陶粒砖的制作工艺，同时结合增强砖体力学性能的材料制作而成，结合档风、导风、防风、抑石、导沙于一体（图10）。参考陶粒砖技术指标：抗压程度 1.5～2.86 MPa，容量 420～650 kg/m3，材料密度 1420 kg/m3，空心率 44～52 % ，吸水率10.16 % 1小时，抗折强度 0.99 MPa，抗冻性冻融15次强度无损失 。

图10 砖体结构和砖体导风示意图

5.3.5 减力结构采用环状的减力环

减力结构采用环状的减力环（图11），是整体结构在受到外力突然增大的情况下，通过自身的形变，延长外力对结构的作用时间，从而保证结构有足够的时间来微调，到达最佳的防护效果。减力环的技术指标：⑴、吸收能量大于110KJ；⑵、启动力47KN，破坏力142KN。为了配合数据的采集和现场情况的判断，可以安装集报警监测于一体的电子监控系统，该系统通过与减力环的配合，能够准确记录该点的受力情况，为以后的产品能够更适合该区域提出更好的改进方法。

图11 减力环示意图

5.3.6 专用连接结构

专用连接结构(图12)是一系列的辅助构成，包括网片与承力柱的连接，网片与砖的连接，通过巧妙而且多元的组合可以达到亦柔亦刚的结构。连接结构的选取和方式是整个结构能否发挥最大效果的关键。

图12 专用连接结构

6 、强横风路段防风措施及其对策

连霍高速百里风区强横风区间不同类型汽车在强风天气下安全行车可以通过以下对策来保证：

6.1 、按照强风天气下不同类型汽车行车规则降低车速

首先依据连霍高速百里风区横强风区间气象站40多年（1971～2009年）最大风速资料，结合气象站最大风速与高速公路沿线最大风速比值系数k，通过数理统计与概率论相结合方法进行风险评估，确定连霍高速百里风区为重度危险路段。按照布点原则建立大风监测站及强风报警系统，绘制连霍高速百里风区横强风路段不同类型汽车安全行车运行规则曲线图，当风速达到不同类型汽车倾覆翻车临界风速，按照强风天气下不同类型汽车行车规则降低车速或停车。

6.2 、设置防风阻沙栅降低强横风强度

降低强横风强度对策就是在强横风区间布设防风阻沙栅，目的在于减弱强横风风速，以保证不同类型汽车安全、高效行车。

7 、结语

如何尽快建立适合我国高速公路强横风监测系统和大风警报系统及防风阻沙栅设置，保证高速公路不同类型汽车按照大风天气下运行规则安全行车，是高速公路强横风区间急需解决问题。

连霍高速公路百里风区具有风速大、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快，实测瞬间最大风速达60.0m/s以上，是全球内陆风力最为强劲的地区。主要由于垭口增速效应及气压梯度力的影响所致。

连霍高速公路百里风区强侧风和强横风区间防风阻沙栅设计防风标准：距路面4.0高度处30年一遇最大风速达到25.0 m·s-1～30.0 m·s-1（距路面4.0高度处2年一遇最大瞬时风速达到25.0 m·s-1～30.0 m·s-1）频率＞10%；全年强风主风向和次风向频率＞10%。即最大风速重现期30年, 防风设计风速25 m·s-1～30 m·s-1。防风栅抗风标准：设计风速60.0 m·s-1, 设计风速重现期100年。

新型的柔性防风阻沙栅主要包括基础结构、承力柱结构、传力柔性网、消风抑石砖、抵御瞬时增大强度的减力结构以及专用连接结构。连接结构的选取和方式是整个结构能否发挥最大防风效果的关键。因此，要按照强风天气下不同类型汽车行车规则降低车速并通过防风阻沙栅降低强横风的强度，为连霍高速公路百里风区不同类型汽车的安全以及高效行车提供技术保障。

[1]QX/T 61—2007.地面气象观测规范.2007年

[2]马淑红，陈飞捷，韦振勋，马韫娟，戈峰，李剑.连霍高速公路哈密─吐鲁番强横风对策研究（R）.2010年02月.

[3]陈飞捷，马淑红，韦振勋，马韫娟，戈峰，李剑.连霍高速公路哈密─吐鲁番路段防风技术研究（R）.2010年02月.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.004

交通运输部科技项目，合同书编号：2009318000024

马韫娟（1983-），女，北京，硕士，研究方向：高速铁路、高速公路防灾对策研究。

连霍高速公路；百里风区；强风盛行风向玫瑰图；柔性防风阻沙栅；布设方案