1、第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.45，No.1Feb.，2023冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY路侧波形梁护栏对分离式路基风吹雪雪害影响的仿真分析彭国冬1，刘梓伟2，冯启江1，张展硕3，李浩瑄4（1.锡林郭勒盟乾图交通设计有限责任公司，内蒙古 锡林浩特 026000；2.吉林大学 交通学院，吉林 长春 130022；3.吉林省高速公路集团有限公司，吉林 长春 130022；4.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010）摘要：对内蒙古自治区多条公路调查发现，设置有防撞护栏的路段雪害严重。由于风吹雪现场监
2、测受降雪量、风力、时间等诸多因素限制，因此本文采用计算机仿真“数字风洞”的方法，选择分离式路基中典型的路堤断面形式，建立路基模型和防撞护栏模型，定量分析不同防撞护栏设置参数下公路横断面风速流场特性及其影响关系。通过对路面风速控制点的数据及路面整体风速云图分析发现，防撞护栏阻碍风吹雪的流动，导致路面风速大幅度降低使大量雪粒子沉积到路面上造成道路积雪，故在风吹雪多发地区分离式路基路段可通过放缓边坡坡度或采用缆索护栏以确保路侧安全的同时消除或减少雪害的发生。本研究结果可为多雪地区公路分离式路基路侧安全设计与养护提供理论基础与参考依据。关键词：公路；分离式路基；防撞护栏；风吹雪；仿真分析中图分类号：U
3、417.1 文献标志码：A 文章编号：1000-0240（2023）01-0277-080 引言 分离式路基是指道路左侧和右侧行车道分开建设，由双线组成的路基。分离式路基与整体式路基相比，其左右幅相对独立、自成一体，有各自的左右路缘带和左右路肩，可以对道路的平面、纵断面、横断面进行灵活设计，因此近年来我国公路建设的分离式路段数量增多，比重逐渐增大1-3。公路风吹雪是指地面上的积雪在风的作用下，再次进入空中运动并降落的现象，其积雪深度是自然积雪的38倍，它导致的公路雪害包括两方面：首先会造成公路局部路面深度积雪，致使道路阻断；其次会阻挡驾驶员的视线，造成驾驶员的视程障碍4-5。早在 20世纪 3
4、0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Tabler6-7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，
5、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。DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0021PENG Guodong，LIU Ziwei，FENG Qijiang，et al.Simulation analysis on the influence of roadside corrugated beam
6、 guardrail on blowing snow hazards of separated subgrade J.Journal of Glaciology and Geocryology，2023，45（1）：277-284.彭国冬，刘梓伟，冯启江，等.路侧波形梁护栏对分离式路基风吹雪雪害影响的仿真分析 J.冰川冻土，2023，45（1）：277-284.收稿日期：2022-01-08；修订日期：2022-05-09基金项目：内蒙古自治区科技重大专项“内蒙古特殊环境公路灾变机理及综合防控成套技术研究”资助作者简介：彭国冬，高级工程师，主要从事于公路桥梁工程研究.E-mail：通信作者：刘
7、梓伟，硕士研究生，主要从事于道路交通安全研究.E-mail：45 卷冰川冻土李楚鹏等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（
8、DB15/T 4352020）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仿真方法简介由于风吹雪现场监测受季节、气候、风力等多种因素制约，且可能会在研究期内出现风吹雪发生
9、频率较少或风吹雪强度较低等现象，易造成有效数据不足，影响研究结果。故本文采用计算机仿真“数字风洞”的实验方法研究路侧防撞护栏对分离式路基风吹雪雪害的影响17-19。1.2仿真模型构建已有的公路风吹雪雪害研究表明，从中观和微观层面而言，在雪源充足的情况下，公路横断面流场特性很大程度上决定了风吹雪的积雪规律，即，公路路基断面形式是影响公路风吹雪雪害发生及其严重程度直接的、主导性的因素。除个别过低和过高路堤外，大多数路堤是不会形成明显的风吹雪积雪的。适宜的路基边坡可保障风雪流的连续性，使其通过路面，边坡越缓越不易在路面形成风吹雪积雪4-7。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
10、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-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2030 mm，护栏长度方向为50 mm，倒角及连接处做细化处理。1.2.1路基模型建立根据 公路路基设计规范（JTG D302015）规定，风吹雪地区路基设计应根据当地风、雪情况及地形条件，采用合理的路基断面形式，路基和路肩上不宜设置各种设施，并应清除路
11、基两侧距边坡脚各20 m范围内的障碍物和构造物，同时应保障适当高度的路堤保证风雪流顺利通过20。同时，结合内蒙古自治区境内G5511、G1013、G16等多条公路分离式路基路段的实际建设情况，本文选用如图1所示的这一典型的分离式路堤断面形式作为路基仿真模型，其中路基宽度设为 39 m，路堤高度设为6 m，路基外侧边坡坡度设为1 2，路基内侧边坡坡度设为1 3。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 D812017）图1分离式路堤断面设计图（单位：cm）Fig.1Section de
12、sign of separated embankment（unit：cm）2781 期彭国冬等：路侧波形梁护栏对分离式路基风吹雪雪害影响的仿真分析中的规定，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 B05-012013）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
13、域中22。1.2.3计算域设置流体计算域计算原则是要求物体对流场的扰动传播到外流场计算域的最外边界时可以忽略不计。一般情况下，计算域长度取物体参考长度的5倍以上即为合理23-24。本文以分离式路堤断面和防撞护栏为研究对象，其中路基宽度为39 m，计算域大小取为：400 m300 m150 m。计算域长400 m，其中路基断面距入风口约100 m，距出风口约300 m；计算域宽取300 m。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 D812017）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
14、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选取分离式路堤断面风速流场中上、下风侧的行车道中心、路基内侧土路肩外缘和路基外侧土路肩外缘6处为风速的控制点（或观测点），风速控制点的横向位置沿路基断面由上风侧至下风侧，横向具体位置信息如图4所示。风速控制点的纵向位置即路基断面的选取位置，位于整个防撞护栏系
15、统中心位置，且为立柱之间的横梁中心点，如图5所示，各风速控制点的空间坐标如表1所示。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图2路侧防撞护栏截面尺寸模型（单位：mm
16、）Fig.2Section size model of side crash guardrail（unit：mm）图3护栏长度模型Fig.3Length model of guardrail图4路基断面选取位置Fig.4Location of subgrade section27945 卷冰川冻土真模拟情形见表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。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在第一种情况下（未设置防撞护栏）仿真得到的路面控制点风速数据见表3，路面整体风速变化趋势见图6所示，仿真得到的风速云图见图7（取：入口风速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，
