白茫雪山防雪走廊段公路风吹雪风速数值模拟研究

徐冬英 周开方 程 怡 康 宝

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000；2.同济大学 土木工程学院，上海200092；3.西安中交公路岩土工程有限责任公司，陕西 西安710075；4.长业建设集团有限公司，浙江 绍兴312000)

风吹雪(又称风雪流)是指地面上的积雪在风的作用下，再次进入空中运动并降落的现象[1-3]，其积雪深度是自然积雪的3～8倍，通常分为低吹雪、高吹雪和暴风雪三类，会造成阻断交通、威胁交通运输安全、增加道路运营与管理成本、间接影响公路周边自然环境.

我国科技工作者，尤其是以王中隆、李长治、李长林等为代表的老一辈科学家对风吹雪展开了长期地、较为全面的研究，国外在公路风吹雪雪害防治技术方面已进行了比较系统的研究[4-10]，主要成果集中在日本、加拿大、美国、瑞典等国家.虽然人们早从20世纪30年代就开始对雪冰进行了较大规模的研究和基础资料的积累，但多是从本专业自身角度研究的多，从多专业多角度综合地、较为系统地研究还是从20世纪60年代才开始的，并以英、美、俄、日等国家为代表[2,11]，而且雪冰学至今还很不完善.

本研究对白茫雪山防雪走廊段进行理论分析和数值模拟相结合的基础上，提出合理的防治措施，以缓解白茫雪山防雪走廊段路面积雪的严重程度，保证道路的正常通行.

1 数值模拟方法

1.1 工程概况

白茫雪山防雪走廊段位于白茫雪山垭口地区，属于香格里拉-德钦公路的一部分，如图1所示，为了减少挖方和填方的工程量，白茫雪山防雪走廊段的横断面形式随着地形的变化(地面线)而变化，K129+830-K130+250主要为路堤断面形式，K130+270-K131+300主要为半路堑断面形式，K131+320-K131+650主要为全路堑断面形式.其道路位于山谷内，傍山而行，另一侧为低洼地段，因此没有足够的空间去设置挡雪墙和防雪栅等减缓路面积雪的常用设施，也不太容易改变风向和风速或安装导雪板和导雪堤等导雪设施.通过数值模拟分析并集合现场观测记录到的地形地貌提出了障碍物清理和防雪棚的措施.

图1 白茫雪山防雪走廊段地形地势

1.2 数值模拟流程

使用Fluent软件对风速场进行数值模拟[12-13]，该软件其为美国Fluent公司所开发的商业CFD软件，在全世界范围内有着众多用户.通过建立基本控制方程、确定边界条件及初始条件、建立或选择模型或封闭方法、划分计算网格、建立离散化方程、离散初始条件和边界条件、在离散空间上建立了离散化代数方程组、求解离散方程、显示和输出计算结果.如图2所示.

1.3 模拟方案

根据白茫雪山防雪走廊段的设计资料，了解到该路段路基断面形式比较复杂，山地和丘陵地区地形起伏不平，破坏了平坦路面风速廓线呈对数分布的规律[3,14]，使得该地区气流在铅直方向并不成对数分布(地形起伏导致前方气压变化，进而影响风速的大小)[15-16]，所以对模型入口风速采用修正后的风速廓线方程：

(1)

式中，Vy为高度y处的风速；

y为离地面的高度.

在以下所有数值模拟中，均设风向从左到右.

图2 数值模拟流程

2 风速模拟

2.1 针对防撞护栏和防雪墙的风速模拟

白茫雪山防雪走廊段风吹雪灾害形成机理较为复杂，影响因素众多，考虑到防雪走廊段路基已经成型、降雪量很大、一侧为山坡另一侧为山谷，结合白茫雪山防雪走廊段风吹雪灾害的特点提出了三种风吹雪灾害防治措施：1)除两侧安装出于交通安全考虑的防撞护栏外不做任何防治措施；2)在迎风面一侧的防撞护栏上面安装1.5 m左右的防雪墙；3)安装全封闭式的防雪棚.

由于路面风速是影响公路风吹雪灾害的最重要的因素，通过数值模拟建立有防撞护栏和防雪墙的路基横断面形式并得出该中路基断面形式下的路面风速场，如若路面风速场较来流稳定、大或者没有出现涡旋减速区则说明这两种措施的防雪减灾效果较好，如若建设了防撞护栏和防雪墙路面风速较来流降低则说明该防治措施没有起到较好的防治效果，只能采取第三种防治措施即建立全封闭式的防雪棚.图3至图7为设防撞护栏和防雪墙的路堤的数值模拟结果.

图3 路堤横断面模型

图4 路堤风速场

图5 路堤风速场局部放大图

图6 路堤形式下路面上方X速度曲线

图7 路堤形式下路面上方风速曲线

由上面的数值模拟结果可知，在设有防撞护栏和防雪墙的情况下，风雪流流经路面上方时风速一般会大幅下降且会产生大范围的涡旋减速区，严重的情况向涡旋减速区遍布整个路面上方，在雪源充足的情况下，若来流未经过上风侧的“卸载”，则会导致雪粒子堆积路面上，造成严重的公路风吹雪灾害，因此通过设置防撞护栏的防雪墙无法改善路面上方风速场和减缓路面风吹雪灾害，所以只能采取全封闭式的防雪棚防治措施.

白茫雪山防雪走廊段位于山谷内，左侧傍山，右侧为低洼地段，是典型的半路堑形式，如图1所示，因此道路周边没有宽阔的空间来建设挡雪墙、防雪栅和防雪林.考虑到冬季期间路面常有1 m左右的积雪深度且该路段较短，防雪棚是一个比较经济又方便的选择.

2.2 针对土堆的风速模拟

为了分析路侧土堆对公路风吹雪灾害的影响，使用Fluent软件对上风侧有土堆的路堤断面进行风速场模拟，几何模型如图8所示.风向为从左至右，左边和右边分别为速度进口和自由出流边界条件，上边和下边皆为避免边界条件(无滑移).

图8 路堤断面模型图(土堆)

网格划分：为了更好地模拟出近地面处的风速场分布首先需要对流动区域进行分块，近地面处流动区域做网格加密处理，远离地面处网格可以划分的疏一点，一方面能够准确地反映出近地面处风速场的分布规律，另一方面能够减少计算量，网格划分如图9所示.

图9 路堤断面网格划分示意图(土堆)

风速场的数值模拟结果如图10所示，由于上风侧土堆的阻挡风速越过土堆后在路面上风侧产生涡旋减速区，使风携带雪粒子的能力下降，造成雪粒大量堆积.如果土堆距离路面比较近且路堤高度较小，那么雪粒堆积很容易从上风侧边坡处延伸到路面上，进而造成公路风吹雪雪阻.

图10 路堤风速场分布(土堆)

2.3 针对杂草的风速模拟

为了分析路肩杂草对公路风吹雪灾害的影响，使用Fluent软件对上风侧路肩处有杂草的路堤断面进行风速场模拟，几何模型如图11所示.风向为从左至右，左边和右边分别为速度进口和自由出流边界条件，上边和下边皆为避免边界条件(无滑移).

图11 路堤断面模型图(杂草)

网格划分：为了更好地模拟出近地面处的风速场分布首先需要对流动区域进行分块，近地面处流动区域做网格加密处理，远离地面处网格可以划分的疏一点，一方面能够准确地反映出露肩杂草对近地面处风速场的影响，另一方面能够减少计算量，网格划分如图12所示.

图12 路堤断面网格划分示意图(杂草)

由图13所示的等值线可知：受杂草影响，气流被迫抬升.当气流遇到杂草后，绕过其时将发生附面层的分离现象，于是在杂草的后面形成涡流区[2-3，11,14].由于涡流区的存在，杂草的前后产生较大的压差，因而对流动产生很大的阻力，造成风速下降，雪粒子易在草丛后面掉落堆积，进而形成公路风吹雪雪阻.

图13 路堤断面风速场分布(杂草)

2.4 针对房屋的风速模拟

为了分析路侧房屋(养护站)对公路风吹雪灾害的影响，使用Fluent软件对上风侧有房屋的路堤断面进行风速场模拟，几何模型如图14所示.风向为从左至右，左边和右边分别为速度进口和自由出流边界条件，上边和下边皆为避免边界条件(无滑移).

网格划分：为了更好地模拟出近地面处的风速场分布首先需要对流动区域进行分块，近地面处流动区域做网格加密处理，远离地面处网格可以划分的疏一点，一方面能够准确地反映出路侧房屋对近地面处风速场的影响，另一方面能够减少计算量，网格划分如图15所示.

图14 路堤断面模型(房屋)

图15 路堤断面网格划分示意图(房屋)

由图16所示的等值线可知：受上风侧房屋影响，气流被迫抬升.当气流遇到房屋后，绕过其时将发生附面层的分离现象，于是在房屋的后面也就是公路路面形成涡旋减速区[2-3，11,14].由于涡流区的存在，房屋的前后产生较大的压差，因而对流动产生很大的阻力，造成风速下降，雪粒子房屋后面(公路路面)掉落堆积，进而形成公路风吹雪雪阻.

图16 路堤断面风速场(房屋)

3 结语

由数值模拟结果，可得出如下结论：

(1)在设有防撞护栏和防雪墙的情况下，风雪流流经路面上方时风速一般会大幅下降且会产生大范围的涡旋减速区，严重的情况向涡旋减速区遍布整个路面上方，在雪源充足的情况下，若来流未经过上风侧的“卸载”，则会导致雪粒子堆积路面上，造成严重的公路风吹雪灾害，通过设置防撞护栏的防雪墙无法改善路面上方风速场和减缓路面风吹雪灾害，只能采取全封闭式的防雪棚防治措施.

(2)上风侧土堆的阻挡风速越过土堆后在路面上风侧产生涡旋减速区，使风携带雪粒子的能力下降，造成雪粒大量堆积.如果土堆距离路面比较近且路堤高度较小，那么雪粒堆积很容易从上风侧边坡处延伸到路面上，进而造成公路风吹雪雪阻.

(3)受杂草影响，会在杂草的后方出现涡流地带，因而会造成相应的压差，从而引起巨大的阻力，导致风速也减下来，雪粒也会在相应处掉落下来，进而形成公路风吹雪雪阻.

(4)受上风侧房屋影响，会在上风侧房屋的后方出现涡旋地带，因而会造成相应的压差，从而引起巨大的阻力，导致风速也减下来，雪粒也会在相应处掉落下来，进而形成公路风吹雪雪阻.