0 引言
早在20世纪30年代起，国外就开始对风吹雪进行较大规模的研究，其中主要研究成果集中在深受风吹雪灾害影响的美国、日本、加拿大等国家。美国著名风雪流学者Tabler［6-7］于2003年发表专著《基于防雪栅设计和道路设计的风吹雪防治研究》，深度阐述道路风吹雪的预防措施，并总结出可减少路面积雪的道路路基断面设计原则和设计方法。加拿大的交通管理部门在出版的公路设计手册中强调高等级公路雪害的防治主要通过加高路基，利用风速输送公路上的雪［8］。日本采用风洞试验的方法研究了挡雪栅栏的防雪机理，并于2001年发表了《根据风洞试验设置不同类型挡雪栅栏的挡雪机理的研究》［9］。近年来我国的一些专家学者开始从道路设计的角度来研究如何预防风吹雪灾害，对多雪地区的道路线形和路基进行广泛分析。高鹏飞［8］通过野外实测风速流场、积雪量和室内风洞试验，建立了风吹雪数学模型和数据库，提出了公路路线走向与主风向夹角的设计范围和合理的公路路基断面形式。张林林［10］用计算机仿真的方法，模拟风吹雪在遇到不同路基断面形式时的积雪堆积过程，并提出适宜的路基高度与边坡坡度可以减弱雪害。李楚鹏等［11］运用数值模拟的方法，针对典型的路堤断面形式，对挡雪板挡雪效果进行了研究。Ma等［12］采用数值模拟方法研究了导风板对路堑式路基断面风雪流场的影响，讨论了导风板对切割风雪流场的影响，并针对导风板对路堑式路基断面积雪面积、积雪量及能见度进行了研究。
综上所述，目前国内外主要集中研究整体式路基断面下的风吹雪雪害形成机理和防治措施，研究重点主要在路基高度、边坡坡度以及道路走向对风吹雪的影响等方面［13-15］，对分离式路基这种路基断面形式研究较少，对公路交通安全设施研究也比较欠缺。另一方面，根据《公路风吹雪雪害防治技术规程》（DB15/T 435—2020）中有关规定，推荐在雪害中、重度区域的高速公路和一级公路路基断面形式宜采用分离式断面［16］。另外，作者团队通过对内蒙古自治区G16、G1013等多条公路雪害路段调查发现，采用分离式路基断面的路段仍然会造成一定程度的风吹雪雪害，尤其是在设置有防撞护栏的路段道路积雪最为严重。因此，本文通过计算机仿真的方法，模拟分析波形梁防撞护栏不同设置条件对分离式路基路段的典型路堤断面风吹雪及其雪害的影响，从而为上述路段风吹雪雪害防治和交通安全设施设置优化提供参考依据。
1 仿真分析基础
1.1 仿真方法简介
1.2 仿真模型构建
如前所述，由于现有研究已经对路堤高度、边坡等道路设计参数进行了系统研究，而本文的研究目标是分析和验证防撞护栏设置对分离式路基路段路堤断面风吹雪雪害影响，因此，在建模阶段主要考虑路基模型、防撞护栏模型、入风口、出风口以及计算边界的建模，同时，在模型建立过程中舍去了螺栓等零碎部件模型的建立。在仿真时考虑了流体的湍流特性，选取k-ε湍流模型进行模拟计算，同时针对网格划分进行了如下处理：护栏断面及立柱建模尺寸为20~30 mm，护栏长度方向为50 mm，倒角及连接处做细化处理。
1.2.1 路基模型建立
图1
1.2.2 防撞护栏模型建立
对内蒙古自治区G16、G1013等多条公路调查可知，公路路侧防撞护栏多采用波形梁护栏，根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）中的规定，本文仿真模拟路侧防撞护栏采用A级波形梁护栏，护栏截面尺寸及护栏模型见图2所示［21］。同时在对路侧防撞护栏仿真时，需要确定护栏长度，护栏太短时，不足以表现来流经过护栏的真实场景，为排除护栏两端对整个流场的影响，护栏长度应取足够长。《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）中规定在进行实车足尺碰撞试验时，公路波形梁护栏最小设置长度为70 m，参考此标准，在仿真计算时，选取护栏长度为100 m，足以排除两侧干扰，如图3所示护栏置于流场域中［22］。
图2
图2
路侧防撞护栏截面尺寸模型（单位：mm）
Fig. 2
Section size model of side crash guardrail （unit： mm）
图3
1.2.3 计算域设置
2 仿真方案
2.1 仿真情形设定
实地调查发现，设置有防撞护栏的路段雪害相对严重，而《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）等现行标准、规范规定，公路路侧或中央分隔带可通过保障合理的净区宽度来降低车辆驶出路外或驶入对向车行道的事故的严重程度，当路侧净区宽度足够大时可以不设置防撞护栏［25］。因此，仿真模拟在分离式路堤断面的条件下，分别建立有无防撞护栏等3种组合数据模型，具体情形如下：
（1）第一种情形：未设置防撞护栏；
（2）第二种情形：设置路基外侧防撞护栏；
（3）第二种情形：设置路基外侧防撞护栏和路基内侧防撞护栏。
2.2 路面风速控制点的选取
图4
图5
图5
分离式路堤断面风速控制点（单位：cm）
Fig. 5
Control points for wind speed of separated embankment section （unit： cm）
表1 分离式路堤断面风速点空间坐标
Table 1
| 位置 | X/m | Y/m | Z/m |
|---|---|---|---|
| P1 | -13.5 | 2.0 | 0 |
| P2 | -6.0 | 2.0 | 0 |
| P3 | 0 | 2.0 | 0 |
| P4 | 12.0 | 2.0 | 0 |
| P5 | 18.0 | 2.0 | 0 |
| P6 | 25.5 | 2.0 | 0 |
2.3 仿真参数设置
通过对内蒙古自治区多条公路雪害路段野外调查发现，冬季积雪期诱发风吹雪现象的常见风速范围为5 m·s-1至17 m·s-1，同时，根据国家风力等级划分标准，3级风、5级风和7级风的风速上限分别为5.4 m·s-1、10.7 m·s-1、17.1 m·s-1，因此，为了方便进行仿真分析，将5.4 m·s-1、10.7 m·s-1、17.1 m·s-1作为仿真实验的入口水平风速，从而分析不同风速条件下风吹雪雪害的发展规律。
分离式路堤断面路侧防撞护栏风吹雪雪害仿真模拟情形见表2，仿真模拟时的进口水平风速v，分别取5.4 m·s-1、10.7 m·s-1、17.1 m·s-1。
表2 防撞护栏模拟计算情形统计
Table 2
| 变量 | 变化范围 | 选取个数 | 第一种情形 | 第二种情形 | 第三种情形 |
|---|---|---|---|---|---|
| 风速v/（m⋅s-1） | 5.4、10.7、17.1 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 路基 | 分离式 | 1 | |||
| 路基外侧防撞护栏 | 1 | ||||
| 路基内侧防撞护栏 | 1 |
在所有模型中，路侧防撞护栏采用A级波形梁护栏，具体尺寸见图2，所有仿真分析风向设置为从左至右。
3 仿真结果分析
3.1 第一种情形仿真结果分析
表3 第一种情形下分离式路堤断面路面控制点风速值
Table 3
| 位置 | X/m | 计算风速值/（m·s-1） | ||
|---|---|---|---|---|
| 5.4 | 10.7 | 17.1 | ||
| P1 | -13.5 | 9.227 | 18.464 | 29.679 |
| P2 | -6.0 | 3.749 | 7.696 | 12.558 |
| P3 | 0 | 5.450 | 11.116 | 18.082 |
| P4 | 12.0 | 5.671 | 11.514 | 18.694 |
| P5 | 18.0 | 3.969 | 8.087 | 13.144 |
| P6 | 25.5 | 7.218 | 14.711 | 23.911 |
图6
图6
第一种情形下分离式路堤断面路面风速趋势
Fig. 6
The trend of road surface wind speed in the first case
图7
图7
第一种情形下分离式路堤断面的风速云图（入口风速v=17.1 m·s-1）
Fig. 7
Cloud image of wind speed in the first case （v=17.1 m·s-1）
通过对表3、图6和图7中的数据图像分析可知，远处的来流风在上风侧坡脚处受坡脚形状的影响，在分离式路堤迎风坡坡脚处形成涡流使风速降低；随后来流风因迎风边坡的影响，导致过流断面减小使风速逐渐提高并在迎风侧土路肩处达到最大值。来流风经过迎风侧土路肩时，受其形状的影响形成涡流，从而导致来流风风速在路面处快速降低并在上风侧行车道中心达到最小。来流风经过上风侧行车道后风速略有升高，随后由于分离式路堤断面的影响，在路基中央处形成了一个低速旋涡。当来流风经过下风侧行车道时，所受影响与通过上风侧行车道时相似，在迎风侧土路基处由于涡流的影响造成风速降低并在下风侧行车道中心处达到最小，随后当来流风到达下风侧土路肩处时，因为流场断面的变化，风速迅速提高。从以上分析结果来看，由于缆索护栏其缆索截面很小，对风速及流场影响可以忽略不计，因此，缆索护栏对公路风吹雪的影响等同于仿真分析中的第一种情形。
3.2 第二种情形仿真结果分析
表4 第二种情形下分离式路堤断面路面控制点风速值
Table 4
| 位置 | X/m | 计算风速值/（m·s-1） | ||
|---|---|---|---|---|
| 5.4 | 10.7 | 17.1 | ||
| P1 | -13.5 | 5.985 | 11.993 | 19.215 |
| P2 | -6.0 | 3.113 | 6.318 | 10.158 |
| P3 | 0 | 1.406 | 2.882 | 4.493 |
| P4 | 12.0 | 0.075 | 0.092 | 0.638 |
| P5 | 18.0 | 0.030 | 0.094 | 0.280 |
| P6 | 25.5 | 0.474 | 1.016 | 0.411 |
图8
图8
第二种情形下分离式路堤断面路面风速趋势
Fig. 8
The trend of road surface wind speed in the second case
图9
图9
第二种情形下分离式路堤断面的风速云图（入口风速v=17.1 m·s-1）
Fig.9
Cloud image of wind speed in the second case （v=17.1 m·s-1）
3.3 第三种情形仿真结果分析
表5 第三种情形下分离式路堤断面路面控制点风速值
Table 5
| 位置 | X/m | 计算风速值/（m·s-1） | ||
|---|---|---|---|---|
| 5.4 | 10.7 | 17.1 | ||
| P1 | -13.5 | 5.929 | 11.878 | 19.003 |
| P2 | -6.0 | 3.060 | 6.208 | 9.956 |
| P3 | 0.0 | 1.856 | 3.746 | 5.808 |
| P4 | 12.0 | 0.243 | 0.452 | 1.698 |
| P5 | 18.0 | 0.093 | 0.164 | 0.777 |
| P6 | 25.5 | 0.302 | 0.646 | 1.144 |
图10
图10
第三种情形下分离式路堤断面路面风速趋势
Fig. 10
The trend of road surface wind speed in the third case
图11
图11
第三种情形下分离式路堤断面的风速云图（入口风速v=17.1 m·s-1）
Fig. 11
Cloud image of wind speed in the second case （v=17.1 m·s-1）
3.4 同一入口风速下不同防撞护栏设置方式时的仿真结果分析
根据上文中在同一情形下分离式路堤断面不同入口分速的数据，将数据按入口风速进行划分，得到分别在v=5.4 m·s-1、10.7 m·s-1、17.1 m·s-1条件下不同防撞护栏设置情形的路面控制点风速，并用平滑的曲线连接各控制点风速，得到同一风速下不同防撞护栏设置情形时分离式路堤断面的路面整体风速变化。
绘制出的v=5.4 m·s-1、10.7 m·s-1、17.1 m·s-1下的路面整体风速变化，如图12所示。其中：jc-1表示第一种情形下分离式路基断面风速变化曲线；jc-2表示第二种情形分离式路基断面风速变化曲线；jc-3表示第三种情形下分离式路基断面风速变化曲线。
图12
图12
不同情形下分离式路堤断面路面风速变化
Fig. 12
Pavement wind speed changes under different conditions
通过对图12所示的不同入口风速情形下分离式路堤断面的路面风速变化分析可知，其变化趋势基本一致；区别在于，当入口风速增大，分离式路堤断面风速控制点的风速及其变化幅度随之增大。对三个风速变化图中不同防撞护栏设置情形的风速曲线对比分析，安装防撞护栏后，上风侧土路肩至上风侧行车道中心路面风速比未安装防撞护栏略低。但由于防撞护栏的影响，从上风侧行车道中心至下风侧外缘土路肩路面风速比未安装防撞护栏有大幅度降低，因此很有可能造成路面积雪。同时由于路基内侧护栏的加速作用，安装路基内侧护栏导致从上风侧行车道中心至下风侧行车道中心路面的风速相比于未安装路基内侧护栏略有提高，但增加幅度微弱，所以仿真分析结果表明路基防撞护栏是引起分离式路堤断面风吹雪雪害的重要因素。
4 结论
基于对内蒙古自治区多条高速公路风吹雪灾害野外观测资料，采用计算机仿真“数字风洞”的实验方法，建立分离式公路路基断面和波形梁防撞护栏模型，仿真分析不同防撞护栏设置条件下分离式路堤断面对风吹雪雪害的影响，主要得到以下结论：
（1）设置防撞护栏后，由于防撞护栏的阻挡导致风速降低，同时由于护栏形状的不规则性，导致在护栏前后的风吹雪形成涡流，雪粒子运动的动能减小，在路面和边坡处逐渐沉积下来形成积雪。而且，由于波形梁护栏高度有限，挡雪的能力受限，当风吹雪持续到一定时间后，大量雪粒子翻越护栏在路面上形成严重积雪。
（2）设置防撞护栏后，由于入口风速越大，分离式路堤断面风速控制点的风速降低幅度越大，故在大风区域内的分离式路基路段更易造成积雪，所以风吹雪严重地区建设分离式路基公路时，应考虑路侧防撞护栏对雪害的影响。即，在投资、地形条件允许的情况下可通过放缓边坡坡度使其符合《公路交通安全设施设计细则》中的可以不设置路侧防撞护栏的有关规定，从而采取不设置路侧护栏达到避免或减少风吹雪雪害发生的目的；如若需要设置路侧护栏，尽可能设置对风吹雪影响较小的缆索护栏；如若需要设置波形梁等路侧护栏，应同步采取路侧雪害工程防治技术措施，以减轻护栏带来的风吹雪危害。
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