公路防风结构物实测效果比较与优化设置模拟研究

白　璐，申爱琴，韦振勋

(1.长安大学　公路学院，陕西　西安　710064；2.新疆维吾尔自治区交通运输厅，新疆　乌鲁木齐　830000；

3.新疆公路规划勘察设计院，新疆　乌鲁木齐　830000)



公路防风结构物实测效果比较与优化设置模拟研究

白璐1,2，申爱琴1，韦振勋3

(1.长安大学公路学院，陕西西安710064；2.新疆维吾尔自治区交通运输厅，新疆乌鲁木齐830000；

3.新疆公路规划勘察设计院，新疆乌鲁木齐830000)

摘要：为提高新疆风区公路，特别是高速公路的行车稳定性和安全性，研究基于不同防风构造物的现场观测结果，对其防风效果进行了比较，推荐了防风效果较优的结构形式。在此基础之上，对防风效果优良并在实际工程中使用最为广泛的开口板式防风栅进行了深入的分析；利用计算流体模拟软件对防风栅的设置和风速的影响进行了分析，对3种典型车辆(小轿车、大客车和大货车)在不同组合条件下的风场中受力状态和稳定性进行分析和比较，提出了挡风墙的最佳设置方案，并推荐了临界设计风速，对风害防控设计提出了参考意见。

关键词：道路工程；公路风害；流体模拟；防风结构物；流场

0引言

大风天气对行车安全影响极大，近年来，新疆风区公路，尤其是高速公路上由于大风引发的车辆停运、安全事故以及公路设施损坏时有发生[1-2]，造成了一定的经济损失和不良社会影响；通过对新疆全区范围内近100个气象站进行筛选，研究中选择了高速、高等级公路沿线具有代表性的50个自记录代表站，采用概率模式、气候倾向率、低通滤波、滑动平均滤波等方法对各气象站近50 a来的观测数值进行了分析，结果表明自20世纪90年代以来，除沙漠公路中段、百里风区戈壁路段以外的绝大多数地区，大风强度和年平均大风日数呈现上升和增加趋势，由于自然环境发生变化，公路风害防治应当被提到更高的高度。

基于不同防风构造物的现场观测结果，本文对其防风效果进行了比较，推荐了防风效果较优的结构形式。在此基础之上，对防风效果优良并在实际工程中使用最为广泛的开口板式防风栅进行了深入的分析；研究利用流体模拟软件对防风栅的设置和风速的影响进行了分析，对3种典型车辆在不同组合条件下的风场中的受力状态和稳定性进行分析和比较，提出了挡风墙的最佳设置方案，对风害防控设计提出了参考意见。

1防风结构物防风效果研究

1.1防风结构物类型和防风机理

目前，我国风区广泛应用的防风结构物从类型区分主要分为非透风式和透风式[3-4]，非透风式结构主要有对拉式挡风墙、承插式防风墙、土堤式防风墙、筑板式防风墙和防风明洞；透风式结构主要包括桥梁纯钢板式防风栅、公路纯钢板透风式防风栅和柔性防护网等。其中除柔性防护网外，其他均为刚性结构。

从防风机理上，非透风式结构物主要依靠阻断风力、减小侧向力、降低车底风压来减小风害[5-8]，由于需要承受全部风力作用，其结构一般为水泥混凝土、砌体结构或者土石方工程，结构较为简单，维护方便，但是工程量较大，一般适用于相对平坦开阔地区的低路基公路。透风式结构物除了适当减小风速外，还能够适度压迫气流上升，起到风力抬升的作用，从而减少作用在不同类型汽车上的风力作用，由于其不需承受全部风力作用，其结构多为较轻便的钢结构，造价相对较高[9-10]。

1.2不同防风结构物现场监测

1.2.1风沙边界层高度和风场梯度拟定

空气流过地面时，地面上的粗糙度会使空气流动受阻，这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，并随高度的增加而逐渐减弱，达到一定高度以上便可忽略，此高度称为风沙边界层，其厚度随地点、时间而变化，薄时可为6 m，最厚时可达15 m，平均而言，风沙边界层厚度为10 m以下。风沙边界层内又可分为: A1为集沙层，即紧贴地表面(小于0.5 m以下)的气层，95%以上集积沙量出现在这层。B1为贴地层，2 m以下的气层(包括集沙层)。这一层大气受下垫面粗糙的影响，有明显的湍流特征，这层2 m高度处为起沙风速高度。C1为风沙边界层，10 m高度以下称为风沙边界层，其中2～10 m 以上高度为摩擦层底部，10 m高度为风沙边界层顶部。这一层除了下垫面的湍流黏性力外，还有地面摩擦作用影响以及盛行风向输送沙的特征。在风沙边界层中，风速随地形、高度、风向变化而变化，具有独特特征。风沙边界层内通常都存在湍流，因而气块在运动时总要受到湍流摩擦力的作用，故也常称风沙边界层为湍流摩擦层[11-13]。

在上述理论基础上，拟定防风结构物防风效果监测技术方案，确定监测瞬时风场固定站采用5层横断面监测梯度风，观测高度结合实际情况选取0.15，0.5，2.0，3.0，4.0，6.0，10.0 m。

1.2.2不同类型防风结构物瞬时风场横断面风监测点布设

为比较不同类型防风结构物对风场的影响，分别在新疆连霍高速公路百里风区(K3781+600-K3781+800)设置防风栅、防风网的路段分别布设了15个横断面瞬时风场监测点。同时选取同处于百里风区的兰新二线铁路(DK1451+870-DK1451+960)设置挡风墙路的段布设了13个横断面瞬时风场监测点，监测点横断面布设见图1和图2。

注：1号监测点设置10 m高监测站，测量0.5，2.0，4.0，6.0，10 m 梯度风;2～15号测点设置4.0 m高监测站，测量0.15，0.5，1.0，2.0，4.0 m梯度风。图1　防风栅、防风网横断面瞬时风场5层梯度风监测设置Fig.1　Locations of sensors for monitoring instantcross-sectional wind field on windbreak fence and wind net at 5 levels

注：1～13号监测点设置4.0 m高监测站，测量0.15，0.5，1.0，2.0，4.0 m梯度风。图2　挡风墙横断面瞬时风场5层梯度风监测设置Fig.2　Locations of sensors for monitoring instant cross-sectional wind field on windbreak wall at 5 levels

1.3不同防风结构物作用下风场特征

依据连续3个月对连霍高速公路百里风区强横风区间设置防风栅、防风网的K3781+600-K3781+700路段15个横断面瞬时风场5层梯度风监测(监测期间气压差+3.9 Pa，最低气温24.0 ℃，最高气温28.0 ℃)；并对兰新二线百里风区设置挡风墙的DK1451+870-DK1451+960路段13个横断面瞬时风场5层梯度风监测(监测期间气压差+3.1 Pa，最低气温25.0 ℃，最高气温29.0 ℃)，绘制出了不同防风结构物遮蔽下典型横断面瞬时风速剖面图，曲线为垂直风速的等值线，垂直风速单位取m/s。对设置防风网、防风栅、挡风墙情况下典型横断面瞬时风速垂直分布特征分别分析如图1～图2所示。

1.3.1设置防风网路段

连霍国道K3781+600桩号处设置了柔性防风网，透风率50%。从表1可以看出，监测期间瞬时最大风速达到11.6 m/s，最大风速出现在防风网迎风侧-10 m处4.0 m高度处；距防风网-2 m处，风速降低至10.2 m/s，防风网后路肩瞬时最大平均风速进一步降低至6.0 m/s，防风网的背风处延伸至65 m外瞬时平均风速达到11.6 m/s，接近迎风侧最大值。对风场变化分析得知距防风网距离越近，风速降低越显著。如图3所示，在防风网底部出现湍流，风向变化紊乱，防风网防风效果达到4.6 m/s(平均风速降低)，有效遮蔽距离16 m。

表1　连霍高速公路K3781+600设置防风网路段瞬时风速

图3　设置防风网路段横断面瞬时最大风速剖面图(单位：m)Fig.3　Counter plot of instant maximum wind speed on road section with wind net(unit:m)

1.3.2设置防风栅路段

连霍国道K3781+700桩号处设置了防风栅，透风率为30%。分析表2可知，监测期间瞬时最大风速为19.6 m/s，出现在防风栅迎风侧-20 m处4.0 m 高度；距防风栅-2 m处4.0 m高度瞬时最大风速降为16.0 m/s，防风栅后路肩瞬时最大风速骤降至6.0 m/s，距防风栅距离越近，风速降低越明显，防风栅迎风侧路中瞬时风速12.0 m/s，向路两侧递减，瞬时最大风速随隔离带地形起伏变化而变化，背风处瞬时最大风速达到19.3 m/s。

表2　连霍高速公路K3781+700设置防风栅路段瞬时风速

如图4所示，纯钢板式防风栅的防风效果显著，防风效果达到8.8 m/s(平均风速降低)，有效遮蔽距离为20 m。

图4　设置钢板式防风栅路段横断面瞬时最大风速剖面图(单位：m)Fig.4　Counter plot of instant maximum wind speeds on road section with steel plate windbreak fence(unit:m)

1.3.3设置挡风墙路段

兰新铁路二线DK1451+910段设置了筑板式挡风墙，分析表3可知，监测期间瞬时最大风速为19 m/s，出现在背风侧，迎风侧-10 m处4.0 m高度瞬时最大风速达到17.4 m/s，迎风侧-5～-2 m随地形高度变化风速有所减小，-1 m处由于路基挤压4.0 m高处瞬时风速达到16.7 m/s，筑板式挡风墙后风速骤降，平均降幅达到6.3。

如图5所示，瞬时风场监测结果表明：兰新二线百里风区强横风区DK1451+910筑板式挡风墙的防风效果可达到6.3 m/s(平均风速降低)，有效遮蔽距离接近20 m。

表3　兰新二线DK1451+910设置筑板式挡风墙段瞬时风速

图5　设置筑板式挡风墙路段横断面瞬时最大风速剖面图(单位：m)Fig. 5　Counter plot of maximum instant wind speed on cross-section of road section with casted board wind break wall(unit:m)

对不同类型防风结构物防风效果风监测对比分析结果表明，透风式防风栅防风效果最佳，其次是板式防风墙，再次是柔性防风网，从现场观测看，柔性防护网的阻挡砂石效果较为显著。

2防风栅最佳布置参数模拟研究

监测数据表明在3种防风构造物中，板式防风栅具有最佳的防风效果。在实际工程应用中，防风栅可以设置在道路横断面的不同位置(如路基底部或路肩)。为了达到最佳的防风效果，研究采用计算流体力学(CFD)软件(FLUENT)模拟设置在不同位置防风栅的挡风效果。

设置防风栅的主要目的是降低行车道上的风速，减少作用在车辆上的风压，提高行车稳定性与安全。行车过程中，车辆所受最不利风向为侧风。强风作用下的侧向力将影响车辆行驶的稳定性，甚至导致倾覆。因此，模拟选取了3种典型车辆(小轿车、大客车和大卡车)为研究对象，模拟行驶车辆(拟定时速100 km/h)在不同侧风风速，不同防风栅设置情况下的道路横断面的风场，得到了车辆周围的流线场、压力场；研究和分析不同的防风栅的设置引起的风场变化以及对车辆稳定性的影响，为防风栅的设置提供优化方案，并推荐最佳布设位置。

2.1模型几何参数选取

2.1.1汽车几何模型建立

参考《公路工程技术标准》(JTG B01—2003)的规定，各种车型的外廓尺寸设定见表4。《公路工程技术标准》中没有明确的大客车的外廓尺寸，研究参照了苏州金龙客车的尺寸。其他细部结构部件的几何参数，如车轮的大小、轴的粗细、外表面的弧度等，均采用最常见的几何参数进行建模，见表4。

表4　车辆外廓尺寸(单位：m)

在保证计算结果的前提下为简化模型以减小数值模拟的复杂程度，提高计算效率，建立汽车模型时忽略了一些受风力影响较小的部件，如雨刮器、后视镜等；轮胎与地面接触面按照规范选取[14-15]。研究采用GAMBIT软件建立不同车型简化后的1∶1几何数字模型。

2.1.2防风栅几何模型建立

实际工程中使用的防风栅高4 m，透风孔直径仅为5 cm，由于透风空数量过多，若严格按照工程实际建模，模拟将耗费大量的计算资源，不宜采用。因此，建模过程中对透风孔做了简化处理，用一个等面积的大孔代替块面上的小孔，大孔直径在进风面为32.4 cm，出风面7.9 cm，最终建模的防风栅模型见图6。

图6　防风栅几何模型Fig.6　Geometric model of wind break wall

2.3防风栅设置距离对车辆的影响

研究选取了新疆地区的典型道路横断面结构，防风栅沿着道路方向纵向平行布置，在道路横断面上的布设位置以路肩为原点，远离道路方向取正值，靠近路面方向取负值。模拟共选取了6个布设位置：-0.5，0，2.1，2.4，2.7 m和3.0 m。受施工条件限制，防风构造物通常不在路基边坡上设置，因此在0 m和2.1 m之间没有设置防风栅。研究采用的侧向风速分别为：10，15，20，25，30 m/s和35 m/s，共6个风速，其中最大风速35 m/s以超过12级飓风的临界风速32.7 m/s。

为了清楚地说明车体的流场特征，需要选取整个流场的典型位置截面进行分析，由于风场对汽车的作用力呈非均匀分部，且沿着车身方向，迎风面从车头至车尾逐渐减小，因此所选截面靠近车体前部具有代表性。图7为研究选择不同车型的防风栅设置在2.1 m(路基边坡坡脚处)的流场截面位置示意图。

图7　不同车型流场截面Fig.7　Cross-sections of wind field of different types of vehicle

图7(a)为小轿车的流场分析，风场中流线的箭头表示风向。风从左侧进入，由于防风栅的阻挡，构造物附近的风场发生明显的变化。图中车辆区域背风和车底为负压区，迎风区为正压区。防风栅迎风面由于风压作用而形成明显的正压力区域。挡风墙背风面，由于路基抬高，路肩上部位置风场变化明显。

由于小轿车的体型较小，且车体形状圆滑，图中车体周围的流场迹线平滑，表明流体能够较为顺畅地通过。车体迎风面和背风面正负风压的绝对值均较小。为了节约计算资源，模拟分析中小汽车的外形采用较为简单的几何形状，而实际行驶在道路上的小轿车外形更加圆滑，风阻更小，所以小轿车实际受到的侧向力更小。

图7(b)为大客车的流场分析。挡风墙迎风侧正风压较大，在0～5 m之间，正压力区域接近成矩形区域。在挡风墙背风侧与路肩之间，形成漩涡。车身迎风侧，形成接近矩形正压力区域，背风侧与路肩之间，挡风墙下部形成涡流区，绕过路堤的风场由下向上，与挡风墙登高处改变方向，向车体流动。车身周围，风场分为两部分，一部分沿车身向上流动，另一部分从车体底部流过，形成负压区。在车身顶部和背侧，风场发生较大变化，从车身底部流过的风场改变流向，沿背风侧向上流动，在此形成绝对值较大的负压区。之后，在距离车身4 m处，风场恢复层流，流动趋于一致。

图7(c)为大货车的流场分析，挡风墙迎风侧形成正压力区域。背风侧流场变化明显，形成平行的一大一小两处涡流，靠近车体处涡流影响范围大。风场达到车体处，由上而下，沿车体向下运动，经车底部绕过车体，车体底部形成负压区。绕过车体底部的风场，在轮胎处形成一涡流区域。沿车体向上运动，在车顶边缘形成小涡流区域。距离车体3 m处，绕过车体底部和中部的风场汇合，流场趋于一致。

图8对比了在20 m/s风速下，3种车辆在不同防风栅设置条件下的侧向力。如图所示：小轿车由于体积小且外形圆滑，有较小的风阻，所受到的侧向力远小于其他两种大型车辆，因此行驶中受风力影响最小，行驶稳定性最强；大客车由于其较大的整体箱式结构，所受侧风力最大。

图8　不同设置距离下的侧向力Fig.8　Lateral forces at different distances

随着防风栅与路肩距离的增加，3种车辆所受的侧向力均显著增加。当防风栅设置在路基顶部时(距离路肩0 m和-0.5 m)，3种车辆所受的侧向力都相对较小，且数值接近。不可否认，模拟结果与实际情况相比存在一定误差，虽然数值模拟结果显示：当防风栅设置在路肩顶部(距离为0 m)时，小轿车和大客车所受到侧向力最小，但与距离路肩-0.5 m时的侧向力相差较小，不排除由于模拟系统误差的影响，因此当建议实际设置防风栅时，应在距离路肩顶部(0 m)到-0.5 m的距离范围内，依据实际工程施工的便宜性确定防风栅布设位置。

此外，本研究未考虑强风对路基的侵蚀作用。当路基采用细粒土填筑，且气候干燥时，应首先考虑采用边坡防护措施降低风蚀。

2.4设计临界风速

研究还比较了当防风栅设置在路基顶部(0 m)时，3种不同车型在不同风速(10～35 m/s)时受到的侧向力，结果见图9。

图9　不同车型侧向力Fig.9　Lateral forces on different types of vehicle

如图所示，小轿车在不同风速作用下所受的侧向力最小，当风速小于等于20 m/s时，侧向力在1 100～1 250 N之间，变化幅度不大；当风速大于20 m/s时，随着风速的增加，小轿车受到的侧向力显著增加。

比较大货车和大客车的模拟数据发现，当风速小于等于20 m/s时，两种车辆所受侧向力较接近，并且数值相对较小；当风速大于等于20 m/s时，大货车和大客车所受的侧向力显著增加，并且大货车受到的侧向力高于大客车受到的侧向力。

通过以上分析，研究建议以20 m/s(八级风)为公路风害控制设计的临界值。大客车和大货车在大于20 m/s侧风条件下的受力状态为公路风害设计的主要分析对象。

3结论

本研究选取处于新疆百里风区的连霍高速公路K3781+600-K3781+800设置防风栅、防风网的路段以及同处于百里风区的兰新二线铁路DK1451+870-DK1451+960设置挡风墙路路段，建立观测站研究不同防风构造物的实际防风效果，结果显示:3种防风构造物都能够大幅度降低公路区域的风速，提高了行车安全性。

从防风效果(平均风速降低)来看，防风网降低4.6 m/s<筑板式挡风墙降低6.3 m/s<纯钢板式防风栅降低8.8 m/s，从有效遮蔽距离来看，防风网约16 m<筑板式挡风墙约18 m<纯钢板式防风栅约20 m。可以看出透风式挡风墙通过阻滞和透风作用，形成涡流、耗散了风能，使得其防风效果较非透风式防风结构物更优；从现场观测看，柔性防护网防风效果和有效遮蔽距离相较其它结构差，但是其阻挡砂石作用较为显著；对于所有结构，随着风速的增大，挡风结构物的有效遮蔽距离也有所增加，其一般有效遮蔽距离为4.5～8倍防风结构物的高度，且距离防风结构物越近，风速减弱效果越明显，行车越安全。

在此基础之上，对防风效果最佳的防风栅进行了深入的分析；利用计算流体模拟软件(FLUENT)对3种典型车辆(小轿车、大客车和大货车)在不同组合条件下(风速和防风栅设置距离)的风场中的受力状态和稳定性进行分析和比较，研究发现：由于小轿车的体型较小且车体形状圆滑，强风能够较为顺畅地通过车体，使得小轿车在强风作用下具有最佳的行车稳定性与安全性。

当防风栅设置在路基顶部时(距离路肩0 m和-0.5 m)，3种车辆所受的侧向力都相对较小，且数值相对接近。研究建议实际工程中，防风栅应设置在道路迎风侧距离路肩0～0.5 m的距离范围内，并依据实际工程施工的便宜性确定防风栅布设位置。需要指出的是：本研究未考虑强风对路基的侵蚀作用；当路基采用细粒土填筑且气候干燥时，应首先考虑采用边坡防护措施降低风蚀。

大客车和大货车受侧风影响较大，且随风速增加，车体所受侧向力显著增加。考虑到大货车和大客车的行车安全性，建议设计时将20 m/s风速(八级风)做为临界风速进行考虑。

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Comparison of In-situ Observation Effect of Highway Windbreak Structures and Simulation of Installation Optimization BAI Lu1,2，SHEN Ai-qin1，WEI Zhen-xun3

(1. School of Highway, Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064, China；

2.Transport Department of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumchi Xinjiang 830000, China；

3.Highway Planning, Surveying and Design Institute of Xinjiang，Urumchi Xinjiang 830000, China)

Abstract：In order to improve the vehicle running stability and safety on the windy-zone highways in Xinjiang, especially on expressways, the windbreak effect is studied based on the in-situ observation data of different windbreak structures. The comparison is made among different windbreak structures and the optimal one is recommended due to its best performance. On this basis, the windbreak fence with on-board opening，the open-board windbreak fence is further analysed due to its good windbreak effect and wide field engineering applications. The windbreak fence installed at different distances and the effect under different wind speeds are further studied through fluid simulation software. The force statuses and stability of 3 typical kinds of vehicle (passenger car, bus and large truck) in wind field under different conditions are analyzed and compared. The optimum installation scheme of windbreak fence is put forward, the critical design wind speed is recommended, and a reference opinion for designing wind hazarder control is put forward.

Key words：road engineering; wind damage in highway；fluid simulation; windbreak structure; flow field

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)02-0039-07

中图分类号：U417.1

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.02.007

作者简介：白璐(1981-)，男，天津武清人，博士研究生.(32483890@qq.com)

收稿日期：2015-05-22