高 晖，杨瑞刚，李世纬，盛雅雯，胡晶晶

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056；2.新疆地矿局第二水文工程地质大队，新疆 昌吉 831100；3.新疆生产建设兵团公路科学技术研究所，新疆 乌鲁木齐 830000)

乌尉高速公路里程长约318.5km，其中天山以北路段长约77km，易受到风吹雪灾害影响。对天山北坡公路沿线风吹雪灾害特征进行调查研究，并对易受风吹雪灾害地段进行数值模拟，提出相关治理建议，为路基设计和风雪流的防治提供科学依据。

1 新疆天山北坡风吹雪灾害发育特征

1.1 乌尉高速公路不同地形条件风吹雪分布特征

针对乌尉高速公路天山北坡地段道路积雪情况进行调查，沿线风吹雪灾害积雪发育地段占总长度的17.61%，其中山前冲洪积区(K0+000—K15+400)积雪段占比28.05%，前峡以北乌鲁木齐河阶地区(K15+400—K33+380)积雪段占比10.68%，剥蚀构造中山区(K33+380—K41+400，K58+200—K78+200)积雪段占比5.53%，后峡段山间断陷盆地(K41+400—K58+200)积雪段占比35.59%。

断陷盆地区周边高、中心低，形成天然的储雪空间，雪粒在风力作用下，在盆地四周边界处减速、下降，形成下旋减速涡流，易堆积在盆地内。山前冲洪积区因地形平坦、风力通道连续贯通，风力及雪量均较大，风吹雪遇到路基、遭遇地形突变，造成积雪。阶地区毗邻河道，河道为天然的储雪沟、阶地台坎为天然的阻雪墙，隔绝了大部分雪粒，对路基形成保护；中山区山体起伏较大，无连续的风力通道、缺少风动力条件，难以将雪粒吹起并长距离输送，仅在局部沟口处形成少量堆积。因此，阶地及中山区风吹雪灾害较少。但中山区内风吹雪发育地段集中于两侧山体相交的特殊地貌，风力、风向发生突变，也需加强关注(见图1)。

图1 断陷盆地及平原区路基两侧积雪现状

1.2 乌尉高速公路雪粒密度特征

据王中隆对天山冬季积雪密度的划分及启动风速的研究，雪粒子的启动速度主要和雪粒粒径和积雪密度相关。启动风速与雪粒粒径、积雪密度之间的关系如下：

(1)

V=3.123+11.99ρ+0.013 5e12.08ρ

(2)

式中：V为雪粒子启动风速；d为雪粒粒径；ρ为积雪密度。

在项目区现场选取4处试验点测量雪密度，共完成10组数据，取样深度5～25cm，积雪密度0.10～0.16g/cm3，平均密度0.128g/cm3，对比王中隆的研究成果对试验点降雪进行分类，试验点降雪主要为新雪中的湿雪，经计算，雪粒的最小启动风速为4.77m/s。

2 风吹雪灾害数值模拟

2.1 数值模拟的计算边界条件

调查区内风吹雪主要发育区为平原区、断陷盆地，对应路面断面形式为填方区路基及背风半路堑。基于流体力学软件Fluent进行数值模拟计算。为了选取合适的模拟自然风的模型，结合王中隆等整理的风洞试验资料，运用单方程和双方程模型对同一断面进行了数值模拟。对比模拟结果发现运用k-ε方程模型所得结果和风洞试验更接近，均在上风侧坡脚产生涡旋，进而造成雪粒堆积。通过现场观测，风速场的变化规律同数值模拟和风洞试验结果相同，上风侧边坡坡脚确实有大量雪粒堆积，因此认为采用k-ε模型进行风速场模拟可行。

为了简化模型，本次模拟中气流按不可压缩流体来处理。气流按黏性流体、牛顿流体、非定常流考虑，采用欧拉双流体模型，不考虑能量方程。把雪粒视为球状物，取雪粒粒径为200μm，假设吹雪发生时风速为水平单一稳定风速，且风向垂直于路基。

填方路堤及背风半路堑简化模型如图2，3所示。

图3 背风半路堑断面模型简图(单位：m)

2.2 乌尉高速公路平原区填方路基断面模型计算

根据JTG D30—2015《公路路基设计规范》中第7.14.5条规定，路堤迎风侧边坡坡率宜为1∶3～1∶4，本次计算同时选取边坡坡率1∶1.5工况进行对比。根据相关气象数据，乌鲁木齐县全年最大风速在10～20m/s，考虑风速较大时雪粒均被吹走不易发生堆积，本次计算时风速取小值10m/s，且风向垂直于计算域并从左侧进入；路堤高度取积雪深度与安全高度之和2m。结合王廷亮、魏建军等、周开方等相关模拟成果，模拟参数如表1所示。

表1 路堤断面风流场模拟参数

此次路堤左、右计算域宽均为30m、高为20m。模型Ⅰ和Ⅱ的速度云图如图4所示，距路面不同高度处沿水平方向风速值如表2所示。

图4 模型Ⅰ，Ⅱ速度云图

在近地面0.5m高处，两种模型在迎风侧坡脚风速小于雪粒启动风速，说明雪粒在该位置处易形成堆积，模型Ⅱ风速比模型Ⅰ更小，意味着模型Ⅱ情况下可能被风吹起的雪粒比模型Ⅰ更少，在路面沉积的概率更小；背风坡脚模型Ⅰ风速仅比启动风速稍大，雪粒沉积的可能性较高；其余部位两种模型风速均较大，不会发生沉积。随着距地面高度增加，模型Ⅱ风速显著超过模型Ⅰ，说明模型Ⅱ雪粒的总体断面流通性更好，雪粒在路面沉积的概率更小。而模型Ⅰ背风坡风速较模型Ⅱ显著降低，更易发生背风堆积后延伸上路。因此，选择1∶4的缓边坡方案更有利于避免风吹雪发育。

表2 距路面不同高度处沿水平方向风速值 (m·s-1)

2.3 乌尉高速公路断陷盆地背风半路堑断面模型计算

半路堑主要位于断陷盆地路段，根据搜集气象资料，该地段全年主导风向为西/西南风，最大风速约为10.80m/s，本段边坡高度很大，最高处>40m。考虑到这两种因素，采用四级放坡、每级高10m的形式进行开挖。本次模拟分别采用一级、二级、三级、四级边坡4个模型逐一进行模拟，路堑设计方案中各级边坡坡率分别为1∶0.75，1∶1，1∶1，1∶1.25，路基两侧边坡坡率为1∶4、高1.5m。

2.3.1一级背风半路堑

一级背风半路堑模拟了设有积雪平台和无积雪平台的工况作为对比，以验证在背风半路堑上设置积雪平台的必要性。本次模拟设置5m宽积雪平台，风向从右向左。模拟云图及风速值结果如图5及表3所示。

图5 风速10.8m/s下有无积雪平台一级背风半路堑数值模拟速度云图

表3 一级背风半路堑距床面不同高度处沿水平方向风速值 (m·s-1)

积雪平台风速小于启动风速，说明雪粒大多沉积在平台上，平台发挥了作用；风速场通过积雪平台后均高于启动风速，说明雪粒均能有效运移，不会沉积。未设置积雪平台工况下，迎风坡脚、背风坡脚风速小于启动风速，雪粒在两侧坡脚均发生沉积；路面上局部风速非常小，会产生积雪，且积雪会随着堆积量的增加逐渐向路面延伸，最终掩盖整个路面，影响交通。所以在背风半路堑中设置积雪平台非常必要。

2.3.2二、三、四级背风半路堑

二、三、四级背风半路堑模拟结果云图及风速值如图6及表4所示。

图6 风速10.8m/s下二、三、四级背风半路堑数值模拟速度云图

表4 二、三、四级背风半路堑距床面不同高度处沿水平方向风速值 (m·s-1)

二级背风半路堑积雪平台内的风速都偏小，形成有效沉积；在迎风路肩处的风速偏大，在路面上的风速也较大，可顺利通过路面。但需注意的是，风雪流在背风坡脚位置风速已低于启动风速，所以在背风坡脚处也会有少量积雪，在实际公路养护中也应及时对其进行清理，以防其形成“雪檐”而逐渐爬上路面。

三、四级背风半路堑路面的速度变化规律与一级和二级背风半路堑不同，多数位置的风速均低于雪粒的启动风速，尤其是路面。造成这种现象的原因是路堑上风向边坡高度即路堑深度越大，贴地层风速减弱越多,涡旋减速区越发育，地形转折点附近附面层分离及其导致的风速减速效应更强烈。因此，三、四级背风半路堑路面上发生风雪流堆积的可能性较大。

综合上述5个模型的模拟结果，可看出在背风半路堑边坡开挖中设置积雪平台非常必要，它可在风雪流到达路面前沉积大量雪粒子，从而减轻雪害；设置积雪平台后，可有效降低20m以下高度边坡发生风吹雪概率。但随着边坡高度的继续增加，风吹雪灾害发生概率将增大，结合前述填方路基段模拟结果，在可行情况下减缓边坡坡率有助于减轻风吹雪灾害程度。

3 结语

1)乌尉高速公路天山以北沿线风吹雪灾害积雪易发路段占沿线总长度的17.61%，其中山前冲洪积区积雪段占比28.05%，前峡以北乌鲁木齐河阶地区占比10.68%，剥蚀构造中山区占比5.53%，后峡段山间断陷盆地占比35.59%。调查区积雪密度0.10～0.16g/cm3，主要为新雪中的湿雪，雪粒的最小启动风速为4.77m/s。

2)通过数值模拟分析，平原区填方路基在迎风坡坡脚处和背风坡坡脚处易发生积雪，其中迎风坡坡脚处的可能性最高，对比1∶1.5及1∶4的不同坡率，1∶1.5坡率迎风坡脚易积雪，故建议填方路基尽量采用1∶4坡率。背风半路堑边坡的开挖中设置积雪平台非常必要，设置后20m以下高度的高坡发生风吹雪灾害的概率不大，但随着高度的继续增加，风吹雪灾害发生的概率将快速增大。

3)为减轻风吹雪灾害影响，平原区尽量放缓边坡，有条件时不设置护栏或采用透风式护栏，使风雪流顺利通过，并减小路基上风侧阻雪障碍物。山区可在路基背风侧设置宽积雪平台，为便于运营养护，建议全挖方路堑两侧均设置积雪平台。建议在项目施工期冬季加强观测，必要时采取线外工程防治措施(防雪栅栏、储雪沟、防雪林等)。