擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)形式探討

青兆麟，徐 剛

（1.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830006；2.成都固源工程材料有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

新疆是全國公路鐵路交通風(fēng)害多發(fā)區(qū)，春秋季多寒潮大風(fēng)，夏季多陣性大風(fēng)，風(fēng)害對公路基礎(chǔ)設(shè)施性能和交通安全影響巨大。連云港—霍爾果斯高速公路（G30）新疆段橫穿百里風(fēng)區(qū)（見圖1）、三十里風(fēng)區(qū)，一年中有320d風(fēng)力在8級以上，瞬時(shí)最大風(fēng)速60m/s，相當(dāng)于17級颶風(fēng)。2012年3月20日4～15時(shí)，因大風(fēng)原因，蘭新鐵路十三間房段客、貨車全部停運(yùn)，停運(yùn)車輛達(dá)80多列；一碗泉至紅山口高速公路數(shù)百輛車輛滯留，車窗玻璃被風(fēng)刮起的碎石擊碎，數(shù)輛大型貨車被大風(fēng)刮翻，交警部門只好組織裝甲車對被困乘客進(jìn)行緊急搜救；國家電網(wǎng)十三間房120千伏變電所多處塔架損壞。大風(fēng)天氣給公路、鐵路運(yùn)輸造成較大影響，給居民出行帶來不便，為了保證大風(fēng)環(huán)境下公路鐵路的行車安全和正常運(yùn)營，在大風(fēng)區(qū)重點(diǎn)路段布設(shè)有效的擋風(fēng)墻十分重要。

圖1 百里風(fēng)區(qū)示意圖

1 擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

效果好，就高不就低，堅(jiān)固耐用，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，因地制宜，美觀大方。

1.2 擋風(fēng)墻作用原理

擋風(fēng)墻的作用就是干擾、阻礙風(fēng)場氣流，在擋風(fēng)墻與車體間形成明顯的渦流，耗散了部分風(fēng)能，降低行車區(qū)域的風(fēng)速，減小了風(fēng)場對汽車行駛穩(wěn)定性的影響，以達(dá)到外側(cè)強(qiáng)風(fēng)，內(nèi)側(cè)弱風(fēng)；外側(cè)小風(fēng)，內(nèi)側(cè)無風(fēng)的效果，提高行車安全。

車體所受側(cè)向力，阻力和升力中，側(cè)向力一般最大，阻力次之，升力最小。表明在風(fēng)場中，對行車安全威脅最大的為側(cè)向風(fēng)力。

當(dāng)線路走向與強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向夾角β在75°～95°之間時(shí)，稱為強(qiáng)橫風(fēng)。在強(qiáng)橫風(fēng)作用下，行駛在高速公路的汽車所受到的空氣阻力和氣動升力急劇增加，隨著橫風(fēng)強(qiáng)度的增大，氣動橫向力、升力、空氣阻力均成非線性增加。所以，強(qiáng)橫風(fēng)引起的橫向力和升力是造成汽車被吹翻事故的主要和直接原因。

通過安全行車流體模擬分析，擋風(fēng)墻位置的不同，擋風(fēng)墻對風(fēng)場的影響不盡相同。在擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)，風(fēng)場發(fā)生較大改變。在背風(fēng)側(cè)形成渦流，隨著擋風(fēng)墻位置的改變，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的渦流由一個變?yōu)閮蓚€，且渦流形狀越來越大，表明渦流影響范圍越大，渦流形狀越大，其對風(fēng)能的耗散越強(qiáng)，從而降低風(fēng)對汽車的影響，增加行車安全性。

在大風(fēng)過程中，所有車輛應(yīng)盡可能靠有擋風(fēng)墻一側(cè)的道路限速行使。

1.3 風(fēng)力等級

風(fēng)力等級是擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)考慮的重要因素。風(fēng)力等級劃分見表1。

表1 風(fēng)力等級表

1.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋風(fēng)墻的穩(wěn)定設(shè)計(jì)是重中之重，直接影響到擋風(fēng)墻的使用效果。擋風(fēng)墻的高度越高且距路基邊緣越近，擋風(fēng)的效果就越好。以格賓網(wǎng)箱為例，假定為重力式擋墻，且墻身為不透風(fēng)結(jié)構(gòu)（事實(shí)上網(wǎng)箱內(nèi)填料有孔隙，是透風(fēng)結(jié)構(gòu)，分析時(shí)透風(fēng)因素等暫未考慮）。

1.4.1 迎風(fēng)面穩(wěn)定分析

擋風(fēng)墻斷面圖見圖2，斷面計(jì)算模型簡化圖見圖3。

圖2 擋風(fēng)墻斷面圖

圖3 斷面計(jì)算模型簡化圖

1.4.1.1 風(fēng)速與風(fēng)壓

根據(jù)伯努利方程得出的關(guān)系公式：

式中：wp——風(fēng)壓，kN/m2；

r0——空氣密度，kg/m3；

v——風(fēng)速，m/s。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣壓為101.3kPa，溫度為15℃，空氣重度r為0.01225kN/m3，緯度為45°處的重力加速度g為9.8m/s2，公式（1）變?yōu)椋?/p>

此公式為用風(fēng)速估計(jì)風(fēng)壓的通用公式。

注意，空氣重度和重力加速度隨緯度和海拔高度而變，一般來說，空氣密度在高原上要比在平原地區(qū)小，也就是說同樣的風(fēng)速在相同的溫度下，其產(chǎn)生的風(fēng)壓在高原上比在平原地區(qū)小。

我們設(shè)計(jì)擋風(fēng)墻，應(yīng)該考慮迎風(fēng)面上作用的最大風(fēng)力情況下情況，則空氣密度取值在平原地區(qū)常溫下的情況，采用公式（2）計(jì)算最大風(fēng)壓。

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)結(jié)果，載重60t的列車的臨界翻車風(fēng)速約為50m/s，相當(dāng)于22kN·m的傾覆力矩。所以，擋風(fēng)墻只要將傾覆力矩減弱至22kN·m以下，就可以保證列車不傾覆。擋風(fēng)墻高度越高，擋風(fēng)效果越好，但在經(jīng)濟(jì)上未必合理可行。根據(jù)不同擋風(fēng)墻后傾覆力矩的數(shù)值模擬結(jié)果，3m高的墻可使60m/s風(fēng)速的傾覆力矩減至22kN·m以下，3.25m高的墻可使64m/s風(fēng)速的的傾覆力矩減至22kN·m以下。

1.4.1.2 風(fēng)速與風(fēng)力

擋風(fēng)墻上的作用力主要有：水平風(fēng)力、自重力、地基反力和地基水平抗力。中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所通過試驗(yàn)、分析，擬合而成風(fēng)速和風(fēng)力的關(guān)系為：

式中：F——水平風(fēng)力，kN；

A——受風(fēng)面積，m2；

ρ——空氣密度，實(shí)驗(yàn)計(jì)算取ρ=1.247kg/m3；

Cd——阻力系數(shù)，取0.62；

V——風(fēng)速，m/s。

在平坦地形條件下，均勻風(fēng)速當(dāng)遇到阻擋物時(shí)，風(fēng)速將重新分布，最底部為0，頂端為無阻擋物時(shí)的風(fēng)速，風(fēng)速隨高度變化。在此處考慮擋墻風(fēng)力作用時(shí)，應(yīng)考慮最危險(xiǎn)的情況。擋風(fēng)墻位于填方路肩，墻面下部將會受到順路堤邊坡而上的風(fēng)力作用，那么假定擋風(fēng)墻所受風(fēng)速為沿墻高均勻分布，此種情況風(fēng)力作用大于其他情況。

1.4.1.3 作用力分析

a）風(fēng)力

迎風(fēng)面風(fēng)力沿墻面均勻分布，利用公式（2）得迎風(fēng)面墻面受力為：

則單位物體表面面積上受到60m/s的風(fēng)力作用約為225kg，4m高迎風(fēng)面每延米受到的風(fēng)力F=9 kN/m；

利用公式（3）得4m高迎風(fēng)面每延米受到的風(fēng)力為：

取兩種風(fēng)力計(jì)算結(jié)果的最大值，則迎風(fēng)面每延米受到的風(fēng)力F=11.1332kN/m（滑動力）；

b）抗滑穩(wěn)定系數(shù)

抗滑系數(shù)大于1.3，滿足規(guī)范要求（一般土質(zhì)地基上擋墻受到基本荷載組合，一級擋墻抗滑系數(shù)不小于1.3）；

c）抗傾穩(wěn)定系數(shù)

傾覆力矩為風(fēng)力作用，基礎(chǔ)網(wǎng)箱背風(fēng)處基腳點(diǎn)為圓心，假設(shè)風(fēng)力沿墻體均勻分布，則作用點(diǎn)為墻高的一半，則有

抗傾系數(shù)大于1.5，滿足規(guī)范要求（一般土質(zhì)地基上擋墻受到基本荷載組合，一級擋墻抗傾系數(shù)不小于1.5）；

d）地基應(yīng)力

1.4.2 背風(fēng)面穩(wěn)定分析

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的擋墻為非對稱結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)該考慮墻背來風(fēng)的情況。

1.4.2.1 風(fēng)力計(jì)算

如果迎風(fēng)面考慮幾何坡度，迎風(fēng)面頂角與基腳處的連線與豎直面夾角為19.29°。假定風(fēng)力垂直作用在連線上，則風(fēng)力與水平方向夾角為19.29°，則水平分力沒有風(fēng)力直接作用在墻體表面的力大。那在擋墻擋風(fēng)的情況下，考慮最危險(xiǎn)的作用力，則還是假定風(fēng)力沿墻體均勻分布，作用點(diǎn)還是在墻高二分之一處。F=11.1332kN/m，力矩為M=22.2664kN·m/m

1.4.2.2 抗滑穩(wěn)定系數(shù)

1.4.2.3 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)背面風(fēng)力達(dá)到60m/s時(shí)，擋墻依然不會產(chǎn)生滑動及傾覆。

1.4.3 迎風(fēng)面不考慮埋深穩(wěn)定分析

考慮基礎(chǔ)層埋深在土內(nèi)，不計(jì)算基礎(chǔ)的重量，只考慮上層4m高箱體。參數(shù)取值設(shè)定在不安全情況。

1.4.3.1 風(fēng)力作用，依然考慮風(fēng)力沿墻體均勻分布，作用點(diǎn)在墻高二分之一處，F(xiàn)=11.1332kN/m，力矩為M=22.2664kN·m/m。

1.4.3.2 四層墻體自重G=126kN/m，網(wǎng)箱重量對基腳力矩M=225kN·m/m。

1.4.3.3 抗滑穩(wěn)定系數(shù)

實(shí)際上，第四層網(wǎng)箱和第五層網(wǎng)箱是用雙股扎絲20cm間距綁扎的，且網(wǎng)箱內(nèi)的石料具有棱角，因此實(shí)際的摩擦系數(shù)不應(yīng)小于0.35，這里也是保守取值，考慮危險(xiǎn)情況。

1.4.3.4 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

因此即使考慮風(fēng)力作用在上四層，沒有基礎(chǔ)埋深的情況依然滿足穩(wěn)定要求。但因?yàn)橛衅渌粗蛩兀尤肼裆睿岣甙踩禂?shù)。

2 擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式及比選

2.1 擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式

格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻和較常用的二種擋風(fēng)墻形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)比較分別見圖4、圖5、圖6。

圖4 對拉式擋風(fēng)墻

圖5 L型柱板式擋風(fēng)墻

圖6 格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻

2.1.1 對拉式擋風(fēng)墻

對拉式擋風(fēng)墻墻高3～4m，寬1.5m，墻面板為十字形，板幅采用1.0m×1.0m的C15鋼筋混凝土預(yù)制板，板厚0.15m。墻面板采用鋼筋拉桿對拉，左右對稱結(jié)構(gòu)，墻內(nèi)填夯實(shí)圓礫，墻頂用混凝土預(yù)制塊封頂。

2.1.2 L型柱板式擋風(fēng)墻

L型柱板式擋風(fēng)墻由L形柱和擋風(fēng)板組成，L形柱高4.0m，埋深1.0m，柱截面成“工”字形，兩翼寬為0.5m，翼高0.215m，腹板寬0.5m，高為0.17m，現(xiàn)澆施工。擋風(fēng)板總長3.4m，寬0.5m，板厚0.15m。路基邊坡及路肩采用漿砌片塊石防護(hù)。

2.1.3 格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻

格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻為工程用機(jī)編鋼絲網(wǎng)箱組合體結(jié)構(gòu)，高4.0m，埋深1.0m，頂寬1.0m。填充料采用堅(jiān)固密實(shí)、耐風(fēng)化好的石料，如卵石、礫石，填充料的粒徑控制10～25cm且達(dá)到80%以上。路基邊坡及路肩采用漿砌片塊石防護(hù)。

2.2 性能比較

在防風(fēng)性能方面，格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻與對拉式擋風(fēng)墻和L型柱板式擋風(fēng)墻相同；在成本方面，對拉式擋風(fēng)墻最高，格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻最低。三種形式的綜合比較見表2。

表2 擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式比較表

通過以上比較和結(jié)合新疆的特殊地理環(huán)境，推薦采用柔性格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)墻。

3 結(jié)語

近年來，新疆百里風(fēng)區(qū)公路擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)一直處于理論研究階段，主要問題之一是未能找到經(jīng)濟(jì)、合理的材料結(jié)構(gòu)形式，隨著格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的防護(hù)工程建設(shè)中逐漸被廣泛應(yīng)用和“工程用機(jī)編鋼絲網(wǎng)及組合體（YB/T 4190—2009）”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，這一主要問題基本可以解決。目前針對格賓網(wǎng)箱制作成擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)理論不完善，主要原因是沒能結(jié)合實(shí)踐進(jìn)一步論證，建議在理論研究過程中，多開展試驗(yàn)段工程驗(yàn)證，進(jìn)一步完善擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)、施工的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

[1]JTG D30—2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]YB/T 4190—2009，工程用機(jī)編鋼絲網(wǎng)及組合體[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[3]中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.公路擋土墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4]董漢雄，蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)[J].路基工程，2009，（2）：95-96.

[5]馬韞娟，韋振勛，等.連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)柔性防風(fēng)阻沙柵布設(shè)方案研究[J].中國科技信息，2010，（20）：23-27.