高速公路風害防控與信息管理系統研究

韋振勛，馬志福，馬韞娟，馬淑紅

（1.新疆交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006；2.國家發改委宏觀院，北京 100037；3.清華大學，北京 100084；4.北京大學，北京 100871）

0 引言

在全球氣候變化背景下，風害以其發生頻率高、影響范圍廣、危害程度大，對交通運輸及人民生命財產帶來不利影響。而風害中最大瞬時風速是主導和動力因素，新疆地域遼闊，地形復雜，地形地貌具有“三山夾二盆”的獨特特征，構筑“五橫七縱”高速、高等級公路網，其中“五橫”基本是E—W走向，“七縱”基本是S—N走向。每次冷空氣南下都可造成強勁風力，特別是線路走向與主風之間夾角垂直的強橫風，受強橫風天氣的影響，車輛停運、中斷交通常有發生。大風天氣對公路建設和養護以及安全行車影響極大。本研究對提高公路通行能力和服務水平，減少風害對交通安全的影響，具有十分重要工程應用價值和社會經濟效益。

1 資料來源與方法

1.1 資料選取

依據《高速公路交通安全設施設計及施工技術規范》（JTJ 074—94）［1］、《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2001）（2006年版）［2］、《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60—01—2004）［3］、《地面氣象觀測規范》（中國氣象局2003年版）［4］有關技術標準，選取新疆高速公路沿線100個氣象站近50年（1951～2010年）風向、風速長期歷史資料與高速公路沿線10個鐵塔梯度風監測資料、蘭新二線三十里風區和百里風區2個6要素5層梯度風強風監測資料，以及30個大風監測站近10年（2001～2010年）風速和風向監測資料相結合，進行信息化和規范化整編。

1.2 研究方法

本文采用采用工程氣象學、流體模擬、風監測技術、公路工程技術、空氣動力學及概率論相結合方法，對高速公路沿線大風規律進行系統分析研究，提出了全球氣候變化背景下，公路強風害防控技術，為我國高速公路安全行車提供了技術保障。

2 高速公路沿線大風規律

2.1 高速公路沿線大風日數分布規律

近50年大風歷史資料研究結果表明：新疆高速公路沿線大風日數的分布規律受天氣系統和地形影響的制約，以山口、埡口、峽谷、河谷、特大橋和高路基彎道區間強風和大風日數最多。連霍主干線百里風區強橫風區間大風日數在157～209d，是我國乃至世界高速公路風害之冠；阿拉山口風區、三十里風區、達坂城風區強橫風區間次之，年平均大風日數148～155d；高速公路沿線的綠洲區間全年大風日數不足10d；沙漠公路中部大風日數明顯多于公路沿線的綠洲區間。

2.2 高速公路沿線大風日數月分布

新疆高速公路沿線大多數路段春秋季冷暖空氣交替頻繁，地區間氣壓梯度加大，常出現強勁的大風。夏季氣層不穩定，多陣性大風天氣，高速公路沿線大多數區間大風呈現單峰分布，一年中以3～9月大風最多，占全年大風日數70%～90%以上。其中連霍主干線百里風區十三間房18～25d，紅山口14～20d，達坂城區間和三十里風區強橫風區間為11～20d。

2.3 高速公路沿線最大風速的垂直分布特征

近10年鐵塔和5層梯度風監測站風速資料分析結果顯示：最大風速垂直分布遵循冪指數規律［5］，冪指數α取值1/4～1/12。連霍高速公路百里風區最大風速隨高度變化遵循冪指數分布α在0.08～0.10，以α=0.10出現頻率最高。建議增加0類（沙漠、礫漠風區、戈壁等區間）下墊面下α系數，α取值為0.10。

2.4 高速公路沿線最大瞬時風速2年一遇設計值水平分布特征

高速公路沿線距路面4m高處V4_2 max水平分布與地形關系密切，隨著特殊環境呈現獨特特征，以埡口、峽谷、高架橋、特大橋、高路堤區間瞬時風速最大，深路塹瞬時風速最小。

3 高速公路風害防控與信息管理系統

在高速公路沿線大風規律研究基礎上，提出全球氣候變化背景下，高速公路風害防控技術由風害防控信息管理系統和防風柵防護技術組成（如圖1所示）。通過防風柵減小作用在不同類型汽車上的氣動力，防止不同類型汽車傾覆翻車事故的發生。風害防控信息管理系統是指強風天氣下不同類型汽車行車過程中實行運行管制的手段，運行管制是指風速超過一定值后不同類型汽車減速運行或停止運行的制度。

圖1 高速公路風害防控技術示意圖

4 高速公路風害防控信息管理系統運行管制

依據連霍主干線百里風區強橫風區間不同類型汽車強風監測技術和流體模擬結果，設定高速公路強風天氣下風害防控管理技術規則和預警標準［6］，具體如表1所示。

表1 高速公路強風天氣下風害防控管理技術規則和預警標準（柔性防護網設置后）

5 結論

5.1 百里風區強橫風區間是我國乃至世界高速公路風害之冠；阿拉山口風區、三十里風區、達坂城風區強橫風區間次之；公路沿線的綠洲區間全年大風日數最少不足10d；沙漠公路中部大風日數明顯多于公路沿線的綠洲區間。

5.2 高速公路沿線最大風速垂直分布遵循冪指數規律，冪指數α取值1/4～1/12，其中礫漠風區α在0.08～0.10，以α=0.10出現頻率最高。

5.3 高速公路沿線距路面4m高處V4_2 max水平分布與地形關系密切，是隨著特殊環境呈現獨特特征，以埡口、峽谷、高架橋、特大橋、高路堤區間瞬時風速最大，深路塹瞬時風速最小。

5.4 提出全球氣候變化背景下，高速公路風害防控技術由風害防控信息管理系統和防風柵防護技術組成。

［1］JTJ 074—94，高速公路交通安全設施設計及施工技術規范［S］.

［2］GB 50009—2001，建筑結構荷載規范［S］.

［3］JTG/T D60—01—2004，公路橋梁抗風設計規范［S］.

［4］中國氣象局.地面氣象觀測規范［M］.北京：北京氣象出版社，2003.

［5］馬韞娟，馬淑紅.我國高速鐵路客運專線橋梁設計風速研究［J］.鐵道技術監督，2009，37（10）：34-37.

［6］馬韞娟，馬淑紅，張云惠，等.新疆高速公路強橫風區間安全行車對策研究［J］.干旱區地理，2012，35（2）：210-221.