壩陵河大橋橋位深切峽谷風剖面實測研究

朱樂東，任鵬杰，陳 偉，3，周 成，王繼全

（1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學橋梁工程系，上海 200092；3.同濟大學橋梁結構抗風技術交通行業重點實驗室，上海 200092）

壩陵河大橋橋位深切峽谷風剖面實測研究

朱樂東1，2，3，任鵬杰2，陳 偉2，3，周 成2，王繼全2

（1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學橋梁工程系，上海 200092；3.同濟大學橋梁結構抗風技術交通行業重點實驗室，上海 200092）

用相控陣聲雷達風廓線儀對壩陵河大橋橋址處深切峽谷中風剖面進行了實地觀測，結果表明：在地形復雜的山區深切峽谷中，平均風剖面受峽谷地形影響較大，形態有時顯得較為復雜而不規則，呈現鋸齒形、正切變形或逆切變形等多樣化。在峽谷的上半部，平均風速較大時其剖面相對較為規則，但不符合規范中描述平坦地貌平均風速剖面的冪函數形式，而具有e指數函數的變化規律。此外，統計顯示，風向角在低空范圍內受峽谷地形的影響要比在高空范圍內嚴重，其在低空范圍的變化幅度也要比在高空范圍的變化幅度大。風迎角的散布范圍和絕對值大小均隨高度的增加呈減小的趨勢。觀測得到的峽谷湍流度大于平坦地貌湍流度的規范推薦值，同時峽谷湍流度具有一定的隨機性，并且這種隨機性隨高度的增加而變大。

深切峽谷；平均風速剖面；湍流度剖面；現場實測；聲雷達

0 引 言

隨著我國經濟的不斷發展，西部大開發進程的不斷推進，對交通能力的要求不斷提高。西部多山地區將建立越來越多的跨峽谷大橋，而為了確保橋梁結構在風荷載作用下能夠安全通行，就必須合理確定橋址處的風場特性，為橋梁抗風設計提供可靠的依據。現在對山區風場的研究主要集中在山頂風速加速效應以及山體背風區湍流特性的研究，或者是多重山脈干擾效應作用下風場特性的研究［1－2］，而對深切峽谷中的風場特性研究還很少，陳政清等［3］通過湘西矮寨大橋橋址處地形模型的風洞實驗，對峽谷地形的風場進行了研究，但風洞試驗的研究結果并不能完全準確地反映山區峽谷地區的實際風場特性。氣象部門［4］通過現場實測曾對山谷地形的風溫輪廓線特征進行了一些研究，但是目前還鮮有針對橋梁抗風設計的深切峽谷地形風場現場實測研究。作者通過在壩陵河大橋橋址處進行現場實測，取得了一些關于深切峽谷地形風場特性的資料。

1 工程概況

壩陵河位于貴州省西南部，屬珠江水系北盤江流域，北部為石山山原山地和盆地，海拔較高，地形起伏較大；南部為低中山，低山丘陵。區內河流切割侵蝕強烈，地形破碎，巖溶發育明顯，坡度大，地表常處于干旱缺水狀況。按照氣候帶的劃分標準，該地區為典型的中亞熱帶季風濕潤氣候區，雨熱同季，多云寡照，四季分明，具有溫和，春干夏雨的氣候特點。壩陵河大橋地處高山峽谷之間，橋位處峽谷近接南北方向，深約560m，谷頂寬約2～2.5km。橋位處的山地氣象條件與河流、平原地區存在明顯差異。與沿海和平原地區風速相比，山區峽谷陣風強烈、頻繁，湍流強度大，非平穩特性突出。壩陵河大橋為國內首座單跨超過千米的鋼桁加勁梁懸索橋，主跨1088m。大橋跨越壩陵河峽谷，結構跨度大、結構自振頻率低，對風的作用敏感，運營和施工中的抗風安全是壩陵河大橋設計的一項控制因素。故需要開展橋位處山區峽谷自然風風場特性、風參數的實測研究工作，為壩陵河大橋的抗風設計提供合理的風場參數。研究結果對其它工程具有借鑒價值。

表1 MFAS型SODAR風廓線儀主要性能指標Table 1 Main parameters of MFAS SODAR wind profiler

2 試驗概況

2.1 試驗儀器和測點位置介紹

本次實地風剖面測量采用了由德國SCINTEC公司生產的MFAS型相控陣聲雷達（SODAR）風廓線儀系統（圖1）進行風廓線的實測。該聲雷達能夠測量三維風速和風向及湍流豎向剖面；儀器主要性能指標見表1。主要附件有：MFASNS標準聲音屏蔽設備；MFAPAE主設備供電單元；MFAHEA天線加熱設備；MFAPHE天線加熱設備供電單元。

經過對壩陵河大橋橋址附近峽谷地形和橋下三棵樹村房屋條件、供電條件的實地考察，確定了風廓線儀的觀測位置，即圖2中的S1，此測點位于大橋的下游約299m處，沿大橋軸向離開跨中向鎮寧側橋塔偏離距離約103m，海拔高度約758m；測點距峽谷頂面高度約480m，測點距橋面高度約為300m。

2.2 坐標系統定義

聲雷達風廓線儀系統的坐標定義見圖3和表2，圖中U、V、W 表示坐標系的3個方向。

圖1 測試系統介紹Fig.1 Description of test system

圖2 測點位置Fig.2 The position of measurement

圖3 SODAR坐標系Fig.3 Coordinate system of SODAR

表2 風偏角與風向對應關系表Table 2 Relationship between yaw angle and azimuth of wind

2.3 數據采集情況

自2006年11月開始，在貴州鎮寧的觀測點進行了5次現場風廓線觀測，時間分別是：2006年11月28日～12月1日、2007年3月12～14日、2007年4月18～27日、2007年10月10～15日以及2009年12月2～10日。聲雷達的有效觀測高度在壩陵河大橋主梁施工前基本上都超過了海拔1158m，最大超過了海拔1558m，只有少數情況低于海拔1158m。但是在2009年12月2～10日期間進行最后一次測量時，主梁已經合龍，由于主梁對聲雷達信號干擾，使得測量高度均低于橋面的海拔高度1058m。利用聲雷達觀測得到的原始樣本包括：高度H（距離聲雷達）、平均水平風速、水平風向角、U 方向平均風速UU、U 方向風速根方差值σU、V方向平均風速UV、V方向風速根方差值σV、W 方向平均速度UW、W 方向風速根方差值σW等9項內容。圖4～7給出了2007年10月13日12點20分測得上述各參數的豎向剖面圖，其中Z為海撥高度。其中數值為0的數據為無效數據，在進行數據分析時去除。對此樣本的觀察發現，V方向的速度分量分布形式與平均水平風速方向的分布形式相接近，且V方向代表的沿峽谷南北方向為主要風速方向。比較U，V，W3個風速分量，V風速風量對總風速大小影響最大，W 風速風量影響最小。

圖4 平均水平風速及水平風向角剖面Fig.4 Profiles of hovizontal mean speed and azimuth angle of wind

圖5 U方向平均風速及風速根方差剖面Fig.5 Profiles of UU ＆σU

圖6 V方向平均風速及風速根方差剖面Fig.6 Profiles of UV ＆σV

圖7 W 方向平均風速及風速根方差剖面Fig.7 Profiles of UW ＆σW

3 主要試驗結果與分析

3.1 平均風剖面實測數據分析

選擇離測站離測站300m高度（主梁高度）處平均風速大于4m／s和有效測試高度超過400m的平均風剖面觀測樣本（共計221個）進行分析，其中高度是指離開聲雷達的高度。圖8中給出了幾個典型的原始風剖面樣本，其中Utot的定義見式（1），從對風廓線的觀察可以看到，在地形復雜的山區深切峽谷中，平均風廓線的形態較為復雜，并且具有多樣性，有時風速沿高度呈“鋸齒形”變化；有時在距儀器200～400m高度范圍內會出現顯著的風速正切變或逆切變現象；此外，對于風速較大的情況，有時也觀測到了一些比較規則的平均風廓線，但這些較規則的平均風廓線仍與規范中冪函數或對數函數所描述的常規平均風廓線有顯著區別。根據規范中的風廓線，隨著高度的增加，平均風速的增長率逐漸降低，且在超過梯度風高度后，平均風速不再增加。但在這里所觀測到的較規則的風廓線中，隨著高度的增加，平均風速增加的速率不斷增加，特別是在接近谷頂時，速度增長率非常大。此現象與深切峽谷的特征吻合，即：隨著高度的增加，峽谷的寬度增大，山坡在水平方向對風的阻滯作用越來越弱，使得風速的增長率隨之越來越大。

根據對實測樣本的觀察分析可以發現，風速受地形影響很大。對這些相對較大的風速樣本進行風向統計后發現，絕大多數風向都和河谷的走向相近，為北風或南風。從對不同高度風玫瑰圖（圖9～11）的觀察可以看到，在海拔858m（橋塔根以下約100m）處風向主要是N、NNE、SSW等3個方向，其頻度分別為40.8%、18.3%、23.4%，在海拔1058m（近橋面高度）處風向主要是N、NNE、S等3個方向，其頻度分別為42.5%、14.0%、19.9%，在海拔1158（橋塔頂部高度）處風向主要是是N、S兩個方向，其頻度分別為34.7%、20.8%。由此可見壩陵河大橋橋址處峽谷風風向的離散度隨高度的增加而下降。

圖8 實測的多樣性平均風剖面示例Fig.8 Typical examples of measured diverse mean wind profiles

圖9 858m高度處風向玫瑰圖Fig.9 Rose diagram of wind azimuth at 858m

圖10 1058m高度處風向玫瑰圖Fig.10 Rose diagram of wind azimuth at 1058m

圖11 1158m高度處風向玫瑰圖Fig.11 Rose diagram of wind azimuth at 1158m

3.2 平均風剖面推薦公式

對有效樣本的平均風剖面圖觀察分析顯示，測站上空200m范圍內的數據變化凌亂，沒有規律可循，故進行數據擬合時選擇200m以上的數據。對于深切峽谷的平均風廓線，規范中用于表示平坦地區平均風廓線的冪函數公式或對數函數公式顯然已不再適用。作者通過對實際觀測樣本的擬合，獲得了代表壩陵河深切峽谷測站上方海拔958～1585m范圍內的風廓線數學表達式，具體如下：

其中：Z為海拔高度，Zr為參考高度，Ur為參考風速，U1058為1058m 處風速，p 為擬合參數，UV，UU，UW為V，U，W3個方向上的速度分量。對于本橋，參考風速Ur的值可以通過參考文獻［5］中給出的數值取用。

擬合中選用了風速較大（U1058≥4m／s）且風向與河谷走向（南北走向）相近的樣本，共計118個。分別采用兩種方法對樣本進行擬合。

（1）統一擬合法，首先將118有效樣本的所有無量綱風速－海拔高度數據對的實測結果放在一起構成一個實測數據對的整體集合（見圖12中的離散方塊）；然后以公式（3）為目標函數進行一次性統一最小二乘擬合，得到參數p的統一擬合值。圖12中實線即為統一擬合法得到的平均風剖面曲線，其中p＝573.05。

圖12 平均風速剖面擬合結果Fig.12 Fitted results of mean wind speed profile

（2）獨立擬合參數平均法，即以公式（3）為目標函數，對所選118個樣本逐個進行獨立的最小二乘擬合，分別得到每個樣本對應的參數pi，然后對所有擬合得到pi求平均值得到最終的參數p。基于不同樣本的擬合結果離散度較大，其平均值p＝558.97，與統一擬合法得到的結果接近。根據平均值得到的風剖面曲線用虛線畫在圖12中，由此可發現，兩種方法得到的平均風剖面非常接近。最后，以統一擬合結果為準，推薦壩陵河大橋的橋址處的平均風剖面公式：

3.3 風迎角剖面觀測數據分析

實測中得到U，V，W3個方向上的平均風速UU，UV，UW，按照公式（5）可以求得相應的風迎角α，并定義當風速的垂直分量UW豎直向上時，風迎角為正，反之為負。對海拔1058m高度處風速在大于4m／s的樣本進行分析可以得到實測平均風的迎角隨海拔高度的變化規律（如圖13所示）。圖中兩條虛線包含的范圍是橋梁塔基到塔頂的范圍（965m≤Z≤1161m）。

其中，α為風迎角，單位為度（°）。

圖13 風迎角—海拔高度關系圖Fig.13 Correlation between attack angle and height

從圖13可以看出，雖然風迎角的數值較為離散，但是，隨著海拔高度增加，風迎角的散布范圍和風迎角的絕對值大小均有減小的趨勢。大的迎角主要在低空處（海拔高度Z≤900m）出現，低空處風速較小，以及風特性受地形影響較大是造成此處風迎角較大的原因。而隨著海拔高度的增加，風速不斷增加且山谷變得開闊，地形對風特性影響變小，從而使得風迎角的散布范圍變窄。在圖中所示的橋梁設計的高度范圍內風迎角分布范圍變化不大，大約在－15°～15°之間。

3.4 湍流度剖面觀測數據分析

實測采用的測試儀器MFAS型SODAR相控陣聲雷達可同時得到湍流度沿高度方向的剖面，對離SODAR 300m高度（海拔1058m）處風速在大于4m／s的樣本分析，依據相關文獻相對湍流度（簡稱為湍流度）是脈動風速的標準差同主風速方向上的平均風速的比值，但由于本試驗設備中得到的數據不是風速時程，而是U，V，W3個方向的10min平均風速UU、UV、UW和其對應的脈動風標準差σU、σV、σW，故利用式（6）得到U、V、W3個方向的湍流度IU、IV、IW：

其中Utot為3個方向的合速度，可由式（1）得到。圖14～16分別為貴州壩陵河大橋橋址處海拔高度為858、1058、1158m的湍流度分布情況。隨著高度的增加，湍流度的離散性增大，在近橋面高度處（海拔1058m）U 方向的湍流度主要集中在區間［0.1，0.4］，V方向的湍流度較離散。基于實測統計分析得到湍流度U 方向的分量IU平均值為0.365，最大值為0.923，最小值為0.041，標準差為0.246；V 方向的分量IV平均值為0.411，最大值為0.990，最小值為0.042，標準差為0.257。

分析結果中，V方向的湍流度大于U方向是因為V方向代表的南北方向是峽谷中風速方向的主要方向，其更加接近于風速的主風向，而在相關文獻中可以發現主風向上的湍流度分量一般大于其它兩個方向的湍流度分量。同時發現，分析得到的湍流度明顯大于相關規范中規定的湍流度大小，這是因為規范中考慮的地貌與本研究的深切峽谷地形相差較大，后者的地貌復雜，增大了湍流度的值及其隨機性；同時文中分析的樣本包含的大部分都是小風速樣本，一般認為小風速條件下的風特性不確定性要強，使其脈動特性與強風相比存在一定的差異。

統計分析表明，壩陵河大橋橋址處的實測脈動風湍流度與平均風速存在一定的關系（如圖17所示），隨著平均風速的增加，湍流度有減小的趨勢，這與之前的分析一致，進一步解釋了小風速樣本的湍流度要大于基于強風數據分析所得的數值。其主要原因是由于風速較小，地表熱應力作用增大，邊界層的穩定性偏離中性［6］。

4 結 論

采用相控陣聲雷達風廓線儀系統對西部山區風剖面進行現場實測和研究，通過對測量數據的整理分析，現將結論總結如下：

（1）壩陵河大橋橋址處峽谷地形的平均風廓線與規范中冪函數或對數函數所描述的常規平均風廓線有顯著區別。山區風輪廓線隨著高度的增加，平均風速增加的速率不斷增加，特別是在接近谷頂時，速度增長率非常大；

（2）橋址處峽谷地形的風向角與峽谷走向基本一致，其離散度隨高度的增加而下降；

（3）在深切峽谷中，在峽谷下部一半深度范圍內，平均風速剖面規律性較差，而在上部一半深度范圍內的平均風速剖面可用e指數函數進行擬合；

（4）在深切峽谷中，隨著海拔高度增加，風迎角的散布范圍和絕對值大小均有減小的趨勢；

（5）在深切峽谷中湍流度具有一定的隨機分布特性，并且要大于規范所推薦的數值；湍流度有隨著風速增大而增大的趨勢。

［1］MILLAR C A，DAVENPORT A G.Guidelines for the calculation of wind speed－up in complex terrain［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998，74－76：189－197.

［2］CAPRENTER P，LOCKE N.Investigation of wind speeds over multiple two－dimensional hills［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodunamics，1999，83（1－3）：109－120.

［3］陳政清，李春光，張志田，等.山區峽谷地帶大跨度橋梁風場特性試驗［J］.實驗流體力學，2008，22（3）：54－67.

［4］孫海燕，梅再美.貴州山區山谷地形大氣邊界層夏季風溫輪廓線結構特征分析［J］.陜西氣象，2008（4）：5－8.

［5］朱樂東，王繼全，陳 偉，等.壩陵河大橋橋位風速觀測及設計基準風速的計算［J］.石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2010，23（4）：5－9.

［6］鄧 揚，李愛群，丁幼亮，等.潤揚大橋懸索橋橋址風環境的長期監測與分析［J］.空氣動力學學報，2009，27（6）：632－638.

朱樂東（1965－），男，浙江寧波人，同濟大學橋梁系研究員，博導。1986年畢業于同濟大學土建結構工程專業，工學學士，1989年畢業于同濟大學結構工程專業，工學碩士，2002年香港理工大學土木及結構工程系博士研究生畢業，獲哲學博士學位。主要從事橋梁與建筑結構抗風方面的研究。通訊地址：上海市四平路同濟大學橋梁系橋梁館309室；E－mail：ledong＠tongji.edu.cn。

Investigation on wind profiles in the deep gorge at the Balinghe bridge site via field measurement

ZHU Le－dong1，2，3，REN Peng－jie2，CHEN Wei2，3，ZHOU Cheng2，WANG Ji－quan2
（1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.Key Laboratory for Wind Resistance Technology of Bridges of the Ministry of Transportation，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Wind profiles in the deep gorge at the Balinghe bridge site were investigated via a field measurement using aphased array sodar wind profiler.It is found that the mean wind speed profiles in a deep gorge are seriously affected by the gorge terrain，and sometimes show complicated，irregular and diverse patterns，such as zigzag patterns，positive or negative shear patterns，etc.In the upper half part of the gorge，the mean wind speed profiles have relatively regular patterns in the relevant cases of large mean wind speeds.The regular profiles，however，are clearly different from the power law specified in codes for common flat terrains，and show variation patters of exponential law.Furthermore，the statistic results show that the wind azimuth is affected by the gorge terrain more significant in the lower part of the gorge than in the upper part of the gorge，and its variation amplitude is thus larger in the lower part than in the upper part of the gorge.Both the scattered range and the absolute value of the wind attack angle display decreasing tendencies with the increase of the height.The observed turbulent intensities in the gorge are larger than those suggested in the relevant codes for common flat terrains，and possess a certain degree of random，which is more violent with the increase of height.

deep gorge；profile of mean wind speed；profile of turbulent intensity；field measurement；sodar

P412.16

A

1672－9897（2011）04－0015－07

2010－10－14；

2011－05－09

科技部國家重點實驗室基礎研究項目（編號SLDRCE 08－02）；交通部西部交通建設科技項目（項目編號200531800019；200631849426）