公路风吹雪防治棚洞的风洞实验研究

马 磊， 刘 健， 冉武平， 胡智轩， 李在蓝， 俞祥祥

（1.新疆交通科学研究院干旱荒漠区公路工程技术交通运输行业重点实验室，新疆乌鲁木齐830000； 2.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐830047； 3.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐830011）

0 引言

中国有风吹雪区域的面积占陆地国土面积的55.2%，主要分布在青藏高原及周边山区、北疆和天山、内蒙古与东北地区。风吹雪对自然环境和社会经济影响较大，直接给经济建设与人们的生命财产造成严重损失［1］。受公路风吹雪影响，新疆地区G3015线铁厂沟至额敏段2014—2018年期间冬季交通中断时间平均占比为41.2%，S201 线铁厂沟至额敏段冬季交通中断时间平均占比为30.8%［2］。当前风吹雪的研究较为成熟，国际上美国学者Tabler［3］、日本学者竹内政夫［4］编制了防雪栅栏设计手册，在风吹雪运动机理和防雪栅栏实践方面进行了较为系统的研究。在理论研究方面，国内学者吕晓辉等［5-6］利用自然降雪进行了风洞实验，提出风吹雪过程中雪粒径与高度的关系；王正师［7］通过大涡模拟控制方程的改进研究了复杂地形的风吹雪分布特征；席建锋等［8］采用力学分析手段，初步实现了对风吹雪积雪深度的定量化描述；时光磊［9］通过研究风吹雪综合运动模型，总结了风吹雪过程中悬移和跃移运动的有关特征。在工程实践方面，国内学者王中隆［1］系统总结了中国风雪流的特征，提出风吹雪区划；刘健等［2］、马磊等［10］结合新疆地区典型公路风吹雪灾害实际，提出综合防治措施和计算体系；张家平［11］提出黑龙江省风吹雪灾害时空分布及其防治措施。总的来看，国内外对风吹雪防治工程的研究大多集中在防雪栅栏、路基断面方面，相关措施对路面风积雪有一定改善作用，但随着风速和移雪量不断增大，二者均难以彻底根治风吹雪问题。针对于此，本文结合新疆玛依塔斯风区S201 线风吹雪灾害特点，提出采用棚洞工程进行风吹雪防治的思路并就有关方案进行了风洞模拟实验研究。

1 实验方法

1.1 风洞设备

风洞设备采用中国科学院新疆生态与地理研究所莫索湾多功能环境风洞。风洞实验段长8 m，水平宽1.3 m，高1 m。本次实验的边界层厚度约为22 cm，湍流度约为1%，采用皮托管测定风速（图1）。实验中模型高度低于边界层厚度，袁鑫鑫等［12］在该风洞开展了阻沙网实验，谭凤翥等［13］开展了柽柳灌丛沙堆流场实验，均表明该风洞满足相似条件。

图1 风洞实验示意图Fig. 1 Schematic diagram of the wind tunnel experiment

1.2 实验模型

本次实验根据S201 线拟实施的工程实际尺寸缩小一定比例制作了实验模型，模型缩尺比为1∶60，所有实验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 材质以熔融堆积的方式3D 打印成型。依据实验需求，共制作三种棚洞模型：第一种是利用洞侧孔隙抑制吹雪且顶部封闭的透风式棚洞，洞侧透风率分别为25%、35%、45%［图2（a）］；第二种是利用弧形引导气流原理的上挑式棚洞［图2（b）］；第三种是常规全封闭式棚洞［图2（a）］。棚洞模型内侧宽21.7 cm，侧墙高9.2 cm，洞顶弧面高14.0 cm。为表述方便，下文中用H代替棚洞弧顶高度。

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

（2）挡雪板模型

挡雪板模型依据对应缩尺比，采用细木条制作，模型高10 cm，透风率为25%，实验中将挡雪板高度设计为0.73H。路基模型依据对应缩尺比采用木板切割制作，高2.5 cm，长100 cm，坡率为1∶3。

1.3 实验材料

实验中采用的精盐为日常食用盐，细砂为干砂。采用的锯末粒径在1～3 mm 之间，多为片状，实验前用2 mm 筛孔进行筛分，控制实验锯末最大粒径不大于2 mm，湿度介于15%～20%。

实验风洞设备在温度低于10 ℃时无法保证湍流度，因此无法直接利用雪为介质进行吹雪低温实验，故本次实验采用锯末、盐、细砂作为介质模拟吹雪堆积。为保证实验的有效性，选用多种相似要素判定模拟介质与雪之间的相似性。由于介质堆积实验主要用于验证棚洞洞口可能的吹雪堆积和挡雪板的吹雪阻拦功能，因此堆积形态相似度是最重要的要素。堆积形态相似性判定，主要以挡雪板模型前后的介质堆积情况与玛依塔斯区域已经实施的挡雪板前后吹雪堆积形态为参照对象进行对比。实验过程中，先将介质平铺在风洞实验区上游，入流风速缓慢均匀提升至介质起动风速后保持，至介质无明显移动后结束。实验完成后测量典型介质堆积断面，再放大60 倍后与参照对象进行量化对比，并按照相似度在0～1 中间取值。考虑到介质本身物理性质与雪的相似性，实验还选取介质密度和粒径作为补充要素进行相似性判定（表1）。经专家打分求算术平均后，密度权重为0.25，介质粒径权重为0.25，堆积形态权重为0.50。

表1 实验测定的模拟介质参数Table 1 Parameters of simulation medium measured by experiments

相似性判定采用加权欧氏距离的计算方法［14］。当i、j坐标分别为（xi1，xi2，xi3）、（xj1，xj2，xj3）时，令a1＞a2＞a3，且a1+a2+a3=1，则有

式中：dij为i、j间的加权欧氏距离；a1、a2、a3为权重。

本例中，堆积形态权重为a1，密度权重为a2，介质粒径权重为a3，将每种模拟介质的不同要素加权后计算与吹雪的欧氏距离（表2）。

表2 模拟介质与吹雪的加权欧氏距离Table 2 Weighted Euclidean distance between simulation medium and blowing snow

Setoguchi［15］在风吹雪介质模拟实验中采用白土模拟雪，采用自然坍落底角的相似性来证实白土与吹雪的相似度。在上述风吹雪模拟介质相似性论证的基础上，经分析实验影像数据，锯末在筛分过程中自然坍落底角约为49°，而雪的坍落角度在45°～50°之间。

加权欧式距离和坍落底角法均表明，当前湿度条件下的锯末与雪具有极高的相似度，可以采用锯末替代积雪进行风洞模拟实验。

1.4 三类棚洞堆积定性实验方案

堆积定性实验主要通过模拟风吹雪中的吹雪沉积情况，来判定具有较好效果棚洞的型式。实验过程中棚洞迎风侧洞口不设挡雪板，参照玛依塔斯区域风向与路向夹角，将路基和棚洞组合模型与风向成90°布置，实验过程与介质相关性实验基本相同，实验结束后测定各类棚洞迎风侧、洞内、背风侧介质堆积的体积。

1.5 封闭式棚洞有无挡雪板堆积定量对比实验方案

对堆积定性实验中的封闭式棚洞进行有无挡雪板的对照组实验，通过对比堆积实验中无挡雪板工况下的介质堆积情况与有挡雪板工况下的情况，来验证挡雪板的洞口吹雪防治效果。实验中，棚洞与风向的角度按照拟实施棚洞工程的玛依塔斯区域S201 线K34～K35 段实际情况设置为30°。挡雪板平面布置与流场实验相同（图3）。

图3 洞口无防护措施（a）与有防护措施（b）的对比堆积实验Fig. 3 Comparative stacking experiment without（a）and with（b）protective measures at the entrance

1.6 封闭式棚洞流场实验方案

（1）洞外流场实验

洞外流场实验采用对比有无挡雪板的方法来研究。棚洞、挡雪板布设方案等与堆积实验相同。实验入流风速为8 m·s-1、10 m·s-1和12 m·s-1，流场实验每条风持续3 min，采用每组数据的平均值作为实验值。实验测点分别位于棚洞两端0H～5H距离，测点高度为0.07H～3.57H。本实验中由于棚洞为30°放置，因此棚洞截面宽度为3.1H，绘图时以迎风侧棚洞0H处为坐标原点，实验测点垂直布设9 层，沿棚洞上下风向位置水平布设8 层（表3、图4）。实验过程中先测定无挡雪板时三种风速流场的分布，再测定有挡雪板时的三种风速流场。

图4 风洞内模型布置方案（I-I为流场观测断面）Fig. 4 Model layout scheme in the wind tunnel（I-I is the flow field observation section）

表3 测点设置Table 3 Setting of the measured points

（2）洞内流场实验

洞内流场实验与洞外流场实验方案基本一致，只是在测点布设方面不同。洞内流场实验均在洞内布设测点，实验共测定了5组断面，分别在两侧洞口、洞身1/4、1/2、3/4位置（表4、图5）。

图5 棚洞洞内实验断面测点布置图（a）和现场照片（b）Fig. 5 Layout of measuring points of experimental section in shed tunnel（a）and site photos（b）

表4 棚洞洞内实验断面测点设置Table 4 Setting of measuring points of experimental section in shed tunnel

2 实验结果

2.1 三类棚洞堆积定性实验

堆积实验过程中由于不同棚洞阻滞效应的差异，部分介质会被直接吹出风洞，因此堆积总量不一定与源介质总量相同。实验结束后通过分析迎风侧、洞内、背风侧介质堆积体积得出有关结论（图6）。

图6 各类棚洞堆积实验数据统计Fig. 6 Statistics of various types of shed tunnel stacking experiments

（1）封闭式棚洞

洞身迎风侧堆积为源介质体积的50%，洞内堆积为源介质体积的0.1%，洞身背风侧堆积为0。

（2）透风式棚洞

不同透风率堆积情况不同，以45%透风率的棚洞为例，迎风侧堆积质量为源介质体积的23%，洞内堆积质量为源介质体积的4%，洞身背风侧堆积体积为源介质质量的16%。在洞侧透风率从45%向25%降低过程中，相应指标存在规律性变化：洞内介质堆积质量随透风率降低而降低，背风侧介质堆积质量随透风率降低而降低。

（3）上挑式棚洞

洞身迎风侧堆积体积为源介质质量的48%，洞内堆积介质为源介质体积的0.1%，洞身背风侧为0。从阻雪性能上来讲，上挑式棚洞洞体阻雪性能与封闭式相当，洞内产生的堆积极少。

2.2 封闭式棚洞有无挡雪板堆积定量对比实验

在堆积实验中，未设置挡雪板的棚洞洞口有较多介质堆积，堆积宽度为棚洞宽度的3/4，宽度随深入洞内逐渐减小。设置挡雪板的棚洞洞口有少量介质堆积，堆积宽度为未设置挡雪板工况的1/3，堆积质量为未设置挡雪板的1/30。

2.3 封闭式棚洞流场实验

（1）洞外流场实验

为简化表达不同层高的风速流场情况，将实验模型外轮廓以内的部分风速全部设置为0，并按照相应坐标加入人工处理参数。采用Origin 软件，将软件中smoothing 选项中的Total points increase factor 设为100，Smoothing Parameter 设为0.1，绘制了流场图（图7）。图中左侧一列三张流场图为未设置挡雪板的棚洞外部流场情况，从上到下入流风速分别为8 m·s-1、10 m·s-1和12 m·s-1；右侧一列三张流场图为设置三排挡雪板后的流场情况，入流风速与左侧同排相同。

图7 棚洞外侧的风速流场Fig. 7 Wind flow field outside the shed tunnel

以8 m·s-1入流风速无挡雪板流场为例，风在通过棚洞的时候会围绕洞身环流，就形态上而言，入流方向风速变化相对较快，流场形态较尖锐，通过棚洞以后风速恢复较缓，流场形态较为平滑。从8 m·s-1至12 m·s-1风速变化过程中，流场形态无明显变化。以8 m·s-1入流风速无挡雪板与有挡雪板流场对比来看，挡雪板对流场影响极大，尤其是1.25H高度以下的风速较入流下降均在40%左右。在入流风速8 m·s-1至12 m·s-1变化过程中，随入流风速提升，风速下降呈增大趋势。在设置挡雪板的工况下，-2.5H至-1H区间出现了流场扰动缩短的现象，并且随着风速不断提高，该现象有扩大的趋势。

（2）洞内流场实验

实验数据以棚洞左侧为坐标原点，洞高方向为Y轴正方向，洞左至右为X轴正方向，建立数据坐标后采用Origin软件绘制图像。洞内流场实验也与上述流场条件相同，采用8 m·s-1入流风速进行分析研究（图8）。

图8 棚洞洞内的风速流场Fig. 8 Wind flow field in the shed tunnel

在洞口未设置挡雪板的工况下，洞口入流方向弱风区较为明显，尤其是0.1H高度以下风速存在较为明显的下降，这一趋势在第五个断面依然存在。在此工况下，结合有关研究成果判定，可能对应吹入洞内的风吹雪滞留现象。

在洞口设置挡雪板的工况下，前两个断面基本与未设置挡雪板流场情况类似，但在第三个断面以后流场存在较大的差异。结合有关工程经验，若将4 m·s-1及以下区域定为弱风区，那么设置挡雪板的棚洞在第三个断面弱风区占比为10.3%，第四断面和第五断面为0。同等条件下，未设置挡雪板的棚洞第三个断面弱风区占比为19.6%，第四个断面弱风区占比为17.4%，第五个断面弱风区占比为7.2%。经推算可得，设置挡雪板后，洞内弱风区长度减少了33%。

3 讨论

3.1 不同棚洞防雪效果对比

从堆积实验结果分析可知，封闭式棚洞阻雪性能较好，洞内产生的堆积极少，但也存在迎风侧介质堆积多，洞身受积雪侧压力大的弊端。透风式棚洞存在介质灌入洞内的风险，且与透风率增大成正比关系，防雪效果较差。上挑式棚洞防雪效果与封闭式棚洞相当，但迎风侧有大量的介质堆积，且非框架结构，雪压力抵御能力弱。总体而言，封闭式棚洞和上挑式棚洞防雪效果较好。

3.2 封闭式棚洞有无挡雪板流场分析

首先，从堆积定性实验分析，挡雪板作为拦截主体对介质产生了较为显著的拦截作用，因此挡雪板的设置是有益于棚洞防雪效果提升的。其次，从挡雪板洞外流场情况分析，挡雪板具有减弱洞口风力的功能，尤其在风吹雪运动的贴地气层，这一现象尤为突出。这也与堆积实验相互印证：受挡雪板对流场抑制作用，风力降低，介质在挡雪板后至棚洞入口前形成了堆积，这一现象随风速增大而缩小。再次，从洞内流场的变化情况来看，挡雪板降低了洞内弱风区域的范围，可以推断当入流风速进一步提升至风吹雪吹入洞内时，有挡雪板的棚洞对应的风积雪长度和范围是小于未设置挡雪板的。

4 结论

风吹雪对新疆冬季交通安全有重大威胁，随着新疆经济社会的发展，对交通事业发展提出了更高要求，风吹雪的防治理念也从过去的“保通”逐渐向“保优”转变。结合这一背景，本文探讨了风吹雪治理棚洞型式选取和洞口防雪处置措施效果，并形成了以下结论：

（1）在非低温条件下采用风洞堆积实验研究风吹雪沉积状态时，从密度、粒径、堆积形态三个方面综合分析后发现锯末介质与风吹雪运动过程中的吹雪具有较好的相似性。在不具备低温环境的风洞实验时，采用锯末介质探究风吹雪沉积状态是一种可行的方案。

（2）在实验过程中透风式的棚洞中灌入了大量的介质，证实其防风雪性能不理想。相比较而言，封闭式棚洞、上挑式棚洞具有较好的风吹雪防治效果。

（3）挡雪板具有较好的洞口吹雪抑制功能。从堆积实验看，挡雪板能较为有效地阻拦风吹雪进入棚洞；从流场实验看，挡雪板能够明显降低棚洞外部风速，具有抑制棚洞内部形成弱风区的功能。

对于新疆公路交通而言，采用棚洞工程治理风吹雪灾害是一种可行的方案，在处理好棚洞洞口吹雪沉积问题后，低价且环境融合的棚洞工程型式和长距离棚洞的车辆运行安全保障措施是未来需要继续破解的难题。