公路风吹雪防治棚洞的风洞实验研究.docx

0 引言

中国有风吹雪区域的面积占陆地国土面积的 55.2%，主要分布在青藏高原

及周边山区、北疆和天山、内蒙古与东北地区。风吹雪对自然环境和社会经济

影响较大，直接给经济建设与人们的生命财产造成严重损失

［ 1］

。受公路风吹

雪影响，新疆地区 G3015 线铁厂沟至额敏段 2014—2018 年期间冬季交通中

断时间平均占比为 41.2%，S201 线铁厂沟至额敏段冬季交通中断时间平均占

比为 30.8%

［ 2］

。当前风吹雪的研究较为成熟，国际上美国学者 Tabler

［ 3］

、日

等

采用力学分析手段，初步实现了对风吹雪积雪深度的定量化描述；时光

磊

通过研究风吹雪综合运动模型，总结了风吹雪过程中悬移和跃移运动的

有关特征。在工程实践方面，国内学者王中隆

［ 1］

系统总结了中国风雪流的特

征，提出风吹雪区划；刘健等

［ 2］

、马磊等

［ 10］

结合新疆地区典型公路风吹雪灾

害实际，提出综合防治措施和计算体系；张家平

提出黑龙江省风吹雪灾害

1 实验方法

1.1　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 8 m，水平宽 1.3 m，高 1 m。本次实验的边界层厚度约为 22

cm，湍流度约为 1%，采用皮托管测定风速（图 1）。实验中模型高度低于边

界层厚度，袁鑫鑫等

［ 12］

柳灌丛沙堆流场实验，均表明该风洞满足相似条件。

图 1

型。依据实验需求，共制作三种棚洞模型：第一种是利用洞侧孔隙抑制吹雪且

顶部封闭的透风式棚洞，洞侧透风率分别为 25%、35%、45%［图 2（a）］；

第二种是利用弧形引导气流原理的上挑式棚洞［图 2（b）］；第三种是常规

全封闭式棚洞［图 2（a）］。棚洞模型内侧宽 21.7 cm，侧墙高 9.2 cm，洞

顶弧面高 14.0 cm。为表述方便，下文中用 H 代替棚洞弧顶高度。

图 2

Fig. 2 Model structure of the 3D printing shed tunnel： fully enclosed

（ventilated） shed tunnel （a） and overhanging shed tunnel （b）

（2）挡雪板模型

于 2 mm，湿度介于 15%~20%。

实验风洞设备在温度低于 10 ℃时无法保证湍流度，因此无法直接利用雪

为介质进行吹雪低温实验，故本次实验采用锯末、盐、细砂作为介质模拟吹雪

堆积。为保证实验的有效性，选用多种相似要素判定模拟介质与雪之间的相似

性。由于介质堆积实验主要用于验证棚洞洞口可能的吹雪堆积和挡雪板的吹雪

阻拦功能，因此堆积形态相似度是最重要的要素。堆积形态相似性判定，主要

以挡雪板模型前后的介质堆积情况与玛依塔斯区域已经实施的挡雪板前后吹

雪堆积形态为参照对象进行对比。实验过程中，先将介质平铺在风洞实验区上

游，入流风速缓慢均匀提升至介质起动风速后保持，至介质无明显移动后结束。

实验完成后测量典型介质堆积断面，再放大 60 倍后与参照对象进行量化对比，

并按照相似度在 0~1 中间取值。考虑到介质本身物理性质与雪的相似性，实验

还选取介质密度和粒径作为补充要素进行相似性判定（表 1）。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。

表 1 实验测定的模拟介质参数

相似性判定采用加权欧氏距离的计算方法

，x

）、（x

，x

，x

）时，令 a

=1，则有