公路风吹雪防治棚洞实验研究

　　一、研究背景

　　本次棚洞设置在K34+860-K35+160半填半挖段，该段冬季风雪灾害严重主要危害型式为路面积雪、低能见度。一次风吹雪天气至少积雪50cm以上，能见度最差不足5m。通过以往资料判定主导风向与路向的夹角30°。

　
　图1-1棚洞地理位置

　　本次棚洞方案采用拱形的混凝土框架刚波纹板结构，其中基础采用混凝土灌注桩，采用C30混混凝土，为保证上部结构的稳定灌注桩基础需打进基岩2.5m，等级为乙级，抗震设防烈度为7度;棚洞顶部结构采用弧形框架梁结构，能较好的承受雪压和风压。棚洞顶部采用镀锌波纹钢板和11+1mm的pc耐力板布设，每隔11m布设pc耐力板用于棚洞内部照明。该棚洞优点安全性能好，耐腐蚀能力较强，抗震性能较强，施工便捷、易拆卸，强度高;缺点是土方工程量大，采光、通风较困难。

　　二、实验方法

　　2.1风洞设备

　　风洞设备采用中国科学院新疆生态与地理研究所莫索湾多功能环境风洞。风洞实验段长8m，水平宽1.3m，高1m。本次实验的边界层厚度约为22cm，湍流度约为1%，采用皮托管测定风速。

　　本次实验根据S201线拟实施的工程实际尺寸缩小一定比例制作了实验模型，模型缩尺比为1∶60，所有实验模型均照此比例制作。

　　2.2实验材料

　　实验中采用的精盐为日常食用盐，细砂为干砂。采用的锯末粒径在1~3mm之间，多为片状，实验前用2mm筛孔进行筛分，控制实验锯末最大粒径不大于2mm，湿度介于15%~20%。经专家打分求算术平均后，密度权重为0.25，介质粒径权重为0.25，堆积形态权重为0.50。

　　2.3三类棚洞堆积定性实验方案

　　堆积定性实验主要通过模拟风吹雪中的吹雪沉积情况，来判定具有较好效果棚洞的型式。实验过程中棚洞迎风侧洞口不设挡雪板，参照玛依塔斯区域风向与路向夹角，将路基和棚洞组合模型与风向成90°布置，实验过程与介质相关性实验基本相同，实验结束后测定各类棚洞迎风侧、洞内、背风侧介质堆积的体积。

　　2.4封闭式棚洞有无挡雪板堆积定量对比实验方案

　　对堆积定性实验中的封闭式棚洞进行有无挡雪板的对照组实验，通过对比堆积实验中无挡雪板工况下的介质堆积情况与有挡雪板工况下的情况，来验证挡雪板的洞口吹雪防治效果。实验中，棚洞与风向的角度按照拟实施棚洞工程的玛依塔斯区域S201线K34~K35段实际情况设置为30°。挡雪板平面布置与流场实验相同。

　　2.5封闭式棚洞流场实验方案

　　(1)洞外流场实验

　　洞外流场实验采用对比有无挡雪板的方法来研究。棚洞、挡雪板布设方案等与堆积实验相同。实验入流风速为8m·s-1、10m·s-1和12m·s-1，流场实验每条风持续3min，采用每组数据的平均值作为实验值。实验测点分别位于棚洞两端0H~5H距离，测点高度为0.07H~3.57H。本实验中由于棚洞为30°放置，因此棚洞截面宽度为3.1H，绘图时以迎风侧棚洞0H处为坐标原点，实验测点垂直布设9层，沿棚洞上下风向位置水平布设8层。实验过程中先测定无挡雪板时三种风速流场的分布，再测定有挡雪板时的三种风速流场。

　　(2)洞内流场实验

　　洞内流场实验与洞外流场实验方案基本一致，只是在测点布设方面不同。洞内流场实验均在洞内布设测点，实验共测定了5组断面，分别在两侧洞口、洞身1/4、1/2、3/4位置。

　　三、实验结果

　　3.1三类棚洞堆积定性实验

　　堆积实验过程中由于不同棚洞阻滞效应的差异，部分介质会被直接吹出风洞，因此堆积总量不一定与源介质总量相同。实验结束后通过分析迎风侧、洞内、背风侧介质堆积体积得出有关结论。

　　(1)封闭式棚洞

　　洞身迎风侧堆积为源介质体积的50%，洞内堆积为源介质体积的0.1%，洞身背风侧堆积为0。

　　(2)透风式棚洞

　　不同透风率堆积情况不同，以45%透风率的棚洞为例，迎风侧堆积质量为源介质体积的23%，洞内堆积质量为源介质体积的4%，洞身背风侧堆积体积为源介质质量的16%。在洞侧透风率从45%向25%降低过程中，相应指标存在规律性变化：洞内介质堆积质量随透风率降低而降低，背风侧介质堆积质量随透风率降低而降低。

　　(3)上挑式棚洞

　　洞身迎风侧堆积体积为源介质质量的48%，洞内堆积介质为源介质体积的0.1%，洞身背风侧为0。从阻雪性能上来讲，上挑式棚洞洞体阻雪性能与封闭式相当，洞内产生的堆积极少。

　　3.2封闭式棚洞有无挡雪板堆积定量对比实验

　　在堆积实验中，未设置挡雪板的棚洞洞口有较多介质堆积，堆积宽度为棚洞宽度的3/4，宽度随深入洞内逐渐减小。设置挡雪板的棚洞洞口有少量介质堆积，堆积宽度为未设置挡雪板工况的1/3，堆积质量为未设置挡雪板的1/30。

　　3.3封闭式棚洞流场实验

　　(1)洞外流场实验

　　为简化表达不同层高的风速流场情况，将实验模型外轮廓以内的部分风速全部设置为0，并按照相应坐标加入人工处理参数，绘制了流场图。图中左侧一列三张流场图为未设置挡雪板的棚洞外部流场情况，从上到下入流风速分别为8m·s-1、10m·s-1和12m·s-1;右侧一列三张流场图为设置三排挡雪板后的流场情况，入流风速与左侧同排相同。

　　以8m·s-1入流风速无挡雪板流场为例，风在通过棚洞的时候会围绕洞身环流，就形态上而言，入流方向风速变化相对较快，流场形态较尖锐，通过棚洞以后风速恢复较缓，流场形态较为平滑。从8m·s-1至12m·s-1风速变化过程中，流场形态无明显变化。以8m·s-1入流风速无挡雪板与有挡雪板流场对比来看，挡雪板对流场影响极大，尤其是1.25H高度以下的风速较入流下降均在40%左右。在入流风速8m·s-1至12m·s-1变化过程中，随入流风速提升，风速下降呈增大趋势。在设置挡雪板的工况下，-2.5H至-1H区间出现了流场扰动缩短的现象，并且随着风速不断提高，该现象有扩大的趋势。

　　(2)洞内流场实验

　　实验数据以棚洞左侧为坐标原点，洞高方向为Y轴正方向，洞左至右为X轴正方向，建立数据坐标后采用Origin软件绘制图像。洞内流场实验也与上述流场条件相同，采用8m·s-1入流风速进行分析研究。

　　在洞口未设置挡雪板的工况下，洞口入流方向弱风区较为明显，尤其是0.1H高度以下风速存在较为明显的下降，这一趋势在第五个断面依然存在。在此工况下，结合有关研究成果判定，可能对应吹入洞内的风吹雪滞留现象。

　　在洞口设置挡雪板的工况下，前两个断面基本与未设置挡雪板流场情况类似，但在第三个断面以后流场存在较大的差异。结合有关工程经验，若将4m·s-1及以下区域定为弱风区，那么设置挡雪板的棚洞在第三个断面弱风区占比为10.3%，第四断面和第五断面为0。同等条件下，未设置挡雪板的棚洞第三个断面弱风区占比为19.6%，第四个断面弱风区占比为17.4%，第五个断面弱风区占比为7.2%。经推算可得，设置挡雪板后，洞内弱风区长。