連霍高速公路百里風區典型橫斷面風速特征及防風對策研究

李劍馬淑紅戈峰馬韞娟張新軍

1,新疆公路規劃勘察設計研究院 830002 2,新疆氣象科技服務中心 830002；北京大學 100871 3,國家發改委宏觀院 100037 4,清華大學 100084 5,新疆氣象科技服務中心 830002

連霍高速公路百里風區典型橫斷面風速特征及防風對策研究

李劍1馬淑紅2戈峰3馬韞娟4張新軍5

1,新疆公路規劃勘察設計研究院 830002 2,新疆氣象科技服務中心 830002；北京大學 100871 3,國家發改委宏觀院 100037 4,清華大學 100084 5,新疆氣象科技服務中心 830002

以連霍高速百里風區沿線七角井、十三房氣象站近40多年（1971～2009年）最大風速和風向資料為基礎，結合百里風區2008年4～2009年5月典型橫斷面、一碗泉5要素5層梯度風強風監測資料，采用空氣動力學、氣象學、流體力學、強風監測技術、公路工程技術標準相結合方法，分析連霍高速百里風區強橫風路段五種典型橫斷面類型（填挖結合型、半挖半填型、左偏彎道型、峽管效應型、開闊路段強橫風型）防風措施及對策，結果表明：連霍高速百里風區強橫風路段典型橫斷面最大瞬間風速受山口、埡口、峽管效應、高路堤特殊地形增速效應的影響風速逐漸增大，呈現獨特特征。提出連霍高速公路百里風區強橫風路段防風對策，是按照強風天氣下不同類型汽車行車規則降低車速和設置防風阻沙柵降低強橫風強度來保證。

1 、引言

連霍高速公路（G30國道），橫貫中國大陸的東、中、西部。連接江蘇連云港和新疆霍爾果斯，全長4395km，是中國建設的最長的橫向快速陸上交通通道，最終將成為中國高速公路網的橫向骨干高速公路。連霍高速公路百里風區地處東天山山脈以南，哈密盆地及吐魯番盆地北緣，位于了墩至紅旗坎之間，線路走向由東向西，全年強風盛行風向與線路走向垂直，屬于風害重度危險區[1]。區內自然條件惡劣，風期長，起風速度快，是全球內陸風力最為強勁的地區，其中百里風區實測瞬間最大風速達60.6m/s以上。大風曾多次造成汽車翻車、高速公路關閉和路堤、路塹邊坡以及橋梁、線路標志等被風蝕，局部背風路段路塹遭沙埋，給公路運輸帶來了巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。為了保證高速公路行車安全及大風環境下正常運營，大風區重點路段典型橫斷面風速現場監測和特征分析及對策研究十分必要。這對于公路風害防控技術研究具有重要科學意義。

2 、典型橫斷面確定及強風監測

連霍高速百里風區大風頻繁，風害十分嚴重。為了全面掌握連霍主干線哈密─吐魯番公路沿線風害分布特征，2008年4～2009年5月，新疆公路規劃勘察設計研究院組織由北京大學專家學者和技術人員組成的連霍高速百里風區重點路段風害考察組，對連霍高速百里風區重點路段進行了風害科學考察，同時進行典型橫斷面5層梯度風強風監測，以及百里風區一碗泉5要素5層梯度風強風監測，分析結果表明：連霍高速公路百里風區設計中考慮大風危害，線路經百里風區是從七角井與十三間房之間穿過，全年大風日數在152～161天，比百里風區鐵路沿線十三間房全年大風日數少39～48天[2]。

在連霍高速百里風區風害調查基礎上，結合沿線氣象條件、地理環境，確定典型路基橫段監測點為5～7個，強風監測儀為5層梯度風（0.15m、0.5m、1.0m、2.0m、4.0m）[3～4]，典型橫斷面以高路堤邊坡橫斷面以及填方挖方相結合形式、確定連霍高速公路百里風區5種（填挖結合型高路堤、半挖半填型、左偏彎道型、峽管效應型、開闊地強橫風型）典型橫斷面形式，進行典型橫斷面強風監測。

3 、典型橫斷面風速垂直分布特征

典型橫斷面風速剖面圖可更直觀的概況風隨高度的變化特征，依據2008年4月～2009年5月典型橫斷面、強風監測資料,繪制連霍高速百里風區公路沿線典型橫斷面風速剖面圖，曲線為垂直風速的等值線，垂直風速單位取m／s。下面重點分析5種類型（填挖結合型、半挖半填型、左偏彎道型、峽管效應型、開闊地強橫風型）典型橫斷面風速垂直分布特征：

3.1 填挖相結合型（高路堤）風速垂直分布特征

連霍高速百里風區填挖相結合型（高路堤）橫斷面形式，高路堤高度3.92m垂直風速剖面圖，1min平均風速與最大瞬時風速分布風速隨高度變化特征相一致，在背風坡距公路中心20m處，從近地面層至1m高度，都較同一橫斷面其它位置同一高度風速偏小，這主要是受背風側前阻擋物的影響。從迎風坡距公路中心20m處開始至迎風坡距公路中心風速逐步增大（圖1），它與日本高路堤防風柵流體模擬結果（圖2）基本一致，差異在于高路堤橫斷面強風風速和強度以及隨路堤高度抬升的氣流變化強度比流體模擬劇烈。這主要由于路線兩側有相對高差30米左右山體，右側距離山體較近，受地形和路堤增速效應的影響風速逐漸增大。公路中心和迎風側強風盛行風向為N，線路走向與風向夾角垂直，受橫風影響。

圖1 K3724+700路堤高度3.92m橫斷面1min平均風速垂直分布圖

圖2 日本高路堤防風柵強橫風流體模擬流場特征

3.2 半挖半填型風速垂直分布特征

連霍高速百里風區k3735＋000路段半挖半填型橫斷面，路堤高度2.49m,海拔逐漸降低，地形較開闊，路線右側有相對高差85米左右山體，左側開闊，1min均風速與瞬時風速分布特征隨地形變化呈現迎風側風速明顯大于背風側，見圖3，這主要由于地形和半挖半填型路堤影響所致。

圖4 K3735+000路段半挖半填型橫斷面，路堤高度2.49m橫斷面瞬時風速垂直分布圖

3.3 左偏彎道型風速垂直分布特征

連霍高速百里風區k3738＋100路段為左偏彎道型，路基以填方為主，填方高度1.63米，拔逐漸降低，地形較開闊，地形起伏變化較小，受風力影響較明顯，路線前進方向左偏彎道，橫風強風影響，導致風速以路中最大，向路兩側遞減的規律，最大瞬間風速達到20.0m/s以上（見圖4），最大瞬間風速垂直分布特征與平均風速相一致，并且出現N風。

圖5 K3738+100路段為左偏彎道型，路基以填方為主，填方高度1.63m橫斷面瞬時風速垂直分布圖

3.4 開闊地強橫風型垂直分布特征

連霍高速百里風區k3782+100路段開闊地強橫風型,路堤高1.34m,1min均風速與瞬時風速分布特征隨地形變化和路堤高度影響呈現獨特特征(圖5)，地形較為開闊，北部山體山口與主風向一直，導致風速逐漸增強，并且以路中風速最大，達到25.4m/s。

圖5 k3782+100路段開闊地強橫風型,,路堤高1.34m橫斷面瞬時風速垂直分布圖

3.5 峽管效應型風速分布特征

連霍高速百里風區K3757+680、K3757+700、K3757+720、K3757+740、K3757+760、K3757+780路段為峽管效應路段, 根據溝谷特征，在峽管效應橫斷面分別布設不同高度3套（0.15、0.5、1.0、2.0、4.0m）風向風速傳感器，分別布設在公路左右路肩和路中，以計算峽管效應1min和最大瞬時風速。溝谷各項特征值定義如下：山體平均高程：為溝谷兩岸山脊線的平均高程（m），以加權平均法根據斷面間距計算山嶺平均高程。以公路寬度為平均谷寬，溝谷兩山脊之間的距離為谷口，公路東西走向，西部鄯善方向為進口，東部哈密方向是出口。最大瞬時風速分布特征隨地形變化和路堤高度影響呈現獨特特征，路線進入地形復雜山嶺區，山體相對高差較大，南北兩側為山體，北面開口，山谷長度300m，當氣流在通過峽谷時由于受到兩側山體阻擋而在峽谷峽管區風速逐漸增強，最大瞬時風速為28.0m/s左右，并且以北部開口風速最大，達到31.6m/s。

4 、強橫風路段防風對策

連霍高速百里風區強橫風區間不同類型汽車在強風天氣下安全行車可以通過以下對策來保證：按照強風天氣下不同類型汽車行車規則降低車速和設置防風阻沙柵降低強橫風強度。

4.1 、按照強風天氣下不同類型汽車行車規則降低車速

首先依據連霍高速百里風區橫強風區間氣象站40多年（1971～2009年）最大風速資料，結合氣象站最大風速與高速公路沿線最大風速地形訂正k系數，通過數理統計與概率論相結合方法進行風險評估，確定連霍高速百里風區為重度危險路段，按照布點原則建立大風監測站，建立強風報警系統，繪制連霍高速百里風區橫強風路段不同類型汽車安全行車運行規則曲線圖[3]，當風速達到不同類型汽車傾覆翻車臨界風速，按照強風天氣下不同類型汽車行車規則降低車速或停車。

4.2 、設置防風阻沙柵降低強橫風強度

降低強橫風強度對策就是在強橫風區間布設防風阻沙柵，目的在于減弱強橫風風速，以保證不同類型汽車安全行車最低風速[5]。依據連霍高速公路百里風區5種典型橫斷面形式風速垂直分布特征，同時考慮防風柵設計風速和全年強風盛行風向（N）以及夏季短時陣風盛行風向(NNW、NW)，確定連霍高速公路百里風區5種典型橫斷面區間單側布設防風柵。

5 、結語

（1）連霍高速公路百里風區設計時速120km·h-1,如何盡快建立適合我國高速公路強橫風監測系統和大風警報系統及防風阻沙柵設置，保證高速公路不同類型汽車按照大風天氣下運行規則安全行車，是高速公路強橫風區間急需解決問題。

（2）連霍高速百里風區5種典型橫斷面風速垂直分布是隨地形地勢變化而變化，具有獨特特征，其中填挖相結合型（高路堤）橫斷面形式流場與日本高路堤防風柵流體模擬結果基本一致，差異在于高路堤橫斷面強風風速和強度以及隨路堤高度抬升的氣流變化強度比風洞試驗劇烈。這主要由于填挖相結合型（高路堤）地勢影響所致。

（3）連霍高速百里風區強橫風區間不同類型汽車在強風天氣下安全行車對策，按照強風天氣下不同類型汽車行車規則降低車速和設置防風阻沙柵降低強橫風強度來保證。

[1]馬淑紅，陳飛捷，韋振勛，馬韞娟，戈峰，李劍.連霍高速公路哈密─吐魯番強橫風對策研究（R）.2010年

[2]陳飛捷，馬淑紅，韋振勛，馬韞娟，戈峰，李劍.連霍高速公路哈密─吐魯番路段防風技術已經（R）.2010年

[3]馬淑紅，馬麗媛.塔克拉瑪干沙漠第二條沙漠公路建成5層梯度風自動氣象站.沙漠與綠洲氣象.2008年2（2）：60～60

[4]馬淑紅，劉濤，薛潔，陳杰.沙漠地區公路路基橫段面阻沙性能研究（J）.沙漠綠洲氣象.2008年2（1）：5～11

[5]陳飛捷，韋振勛，馬淑紅，馬韞娟，戈峰.連霍高速公路百里風區柔性防風阻沙柵布設方案（R）.2010年

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.003

交通運輸部科技項目，合同書編號：2009318000024

李劍（1975-），男，新疆烏魯木齊市人，工程師，主要從事公路規劃勘察設計研究工作。

連霍高速公路；百里風區；典型橫斷面；風速特征；防風對策