坝陵河大桥桥位深切峡谷风剖面实测研究

朱乐东，任鹏杰，陈 伟，3，周 成，王继全

（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092；2.同济大学桥梁工程系，上海 200092；3.同济大学桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室，上海 200092）

坝陵河大桥桥位深切峡谷风剖面实测研究

朱乐东1，2，3，任鹏杰2，陈 伟2，3，周 成2，王继全2

（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092；2.同济大学桥梁工程系，上海 200092；3.同济大学桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室，上海 200092）

用相控阵声雷达风廓线仪对坝陵河大桥桥址处深切峡谷中风剖面进行了实地观测，结果表明：在地形复杂的山区深切峡谷中，平均风剖面受峡谷地形影响较大，形态有时显得较为复杂而不规则，呈现锯齿形、正切变形或逆切变形等多样化。在峡谷的上半部，平均风速较大时其剖面相对较为规则，但不符合规范中描述平坦地貌平均风速剖面的幂函数形式，而具有e指数函数的变化规律。此外，统计显示，风向角在低空范围内受峡谷地形的影响要比在高空范围内严重，其在低空范围的变化幅度也要比在高空范围的变化幅度大。风迎角的散布范围和绝对值大小均随高度的增加呈减小的趋势。观测得到的峡谷湍流度大于平坦地貌湍流度的规范推荐值，同时峡谷湍流度具有一定的随机性，并且这种随机性随高度的增加而变大。

深切峡谷；平均风速剖面；湍流度剖面；现场实测；声雷达

0 引 言

随着我国经济的不断发展，西部大开发进程的不断推进，对交通能力的要求不断提高。西部多山地区将建立越来越多的跨峡谷大桥，而为了确保桥梁结构在风荷载作用下能够安全通行，就必须合理确定桥址处的风场特性，为桥梁抗风设计提供可靠的依据。现在对山区风场的研究主要集中在山顶风速加速效应以及山体背风区湍流特性的研究，或者是多重山脉干扰效应作用下风场特性的研究［1－2］，而对深切峡谷中的风场特性研究还很少，陈政清等［3］通过湘西矮寨大桥桥址处地形模型的风洞实验，对峡谷地形的风场进行了研究，但风洞试验的研究结果并不能完全准确地反映山区峡谷地区的实际风场特性。气象部门［4］通过现场实测曾对山谷地形的风温轮廓线特征进行了一些研究，但是目前还鲜有针对桥梁抗风设计的深切峡谷地形风场现场实测研究。作者通过在坝陵河大桥桥址处进行现场实测，取得了一些关于深切峡谷地形风场特性的资料。

1 工程概况

坝陵河位于贵州省西南部，属珠江水系北盘江流域，北部为石山山原山地和盆地，海拔较高，地形起伏较大；南部为低中山，低山丘陵。区内河流切割侵蚀强烈，地形破碎，岩溶发育明显，坡度大，地表常处于干旱缺水状况。按照气候带的划分标准，该地区为典型的中亚热带季风湿润气候区，雨热同季，多云寡照，四季分明，具有温和，春干夏雨的气候特点。坝陵河大桥地处高山峡谷之间，桥位处峡谷近接南北方向，深约560m，谷顶宽约2～2.5km。桥位处的山地气象条件与河流、平原地区存在明显差异。与沿海和平原地区风速相比，山区峡谷阵风强烈、频繁，湍流强度大，非平稳特性突出。坝陵河大桥为国内首座单跨超过千米的钢桁加劲梁悬索桥，主跨1088m。大桥跨越坝陵河峡谷，结构跨度大、结构自振频率低，对风的作用敏感，运营和施工中的抗风安全是坝陵河大桥设计的一项控制因素。故需要开展桥位处山区峡谷自然风风场特性、风参数的实测研究工作，为坝陵河大桥的抗风设计提供合理的风场参数。研究结果对其它工程具有借鉴价值。

表1 MFAS型SODAR风廓线仪主要性能指标Table 1 Main parameters of MFAS SODAR wind profiler

2 试验概况

2.1 试验仪器和测点位置介绍

本次实地风剖面测量采用了由德国SCINTEC公司生产的MFAS型相控阵声雷达（SODAR）风廓线仪系统（图1）进行风廓线的实测。该声雷达能够测量三维风速和风向及湍流竖向剖面；仪器主要性能指标见表1。主要附件有：MFASNS标准声音屏蔽设备；MFAPAE主设备供电单元；MFAHEA天线加热设备；MFAPHE天线加热设备供电单元。

经过对坝陵河大桥桥址附近峡谷地形和桥下三棵树村房屋条件、供电条件的实地考察，确定了风廓线仪的观测位置，即图2中的S1，此测点位于大桥的下游约299m处，沿大桥轴向离开跨中向镇宁侧桥塔偏离距离约103m，海拔高度约758m；测点距峡谷顶面高度约480m，测点距桥面高度约为300m。

2.2 坐标系统定义

声雷达风廓线仪系统的坐标定义见图3和表2，图中U、V、W 表示坐标系的3个方向。

图1 测试系统介绍Fig.1 Description of test system

图2 测点位置Fig.2 The position of measurement

图3 SODAR坐标系Fig.3 Coordinate system of SODAR

表2 风偏角与风向对应关系表Table 2 Relationship between yaw angle and azimuth of wind

2.3 数据采集情况

自2006年11月开始，在贵州镇宁的观测点进行了5次现场风廓线观测，时间分别是：2006年11月28日～12月1日、2007年3月12～14日、2007年4月18～27日、2007年10月10～15日以及2009年12月2～10日。声雷达的有效观测高度在坝陵河大桥主梁施工前基本上都超过了海拔1158m，最大超过了海拔1558m，只有少数情况低于海拔1158m。但是在2009年12月2～10日期间进行最后一次测量时，主梁已经合龙，由于主梁对声雷达信号干扰，使得测量高度均低于桥面的海拔高度1058m。利用声雷达观测得到的原始样本包括：高度H（距离声雷达）、平均水平风速、水平风向角、U 方向平均风速UU、U 方向风速根方差值σU、V方向平均风速UV、V方向风速根方差值σV、W 方向平均速度UW、W 方向风速根方差值σW等9项内容。图4～7给出了2007年10月13日12点20分测得上述各参数的竖向剖面图，其中Z为海拨高度。其中数值为0的数据为无效数据，在进行数据分析时去除。对此样本的观察发现，V方向的速度分量分布形式与平均水平风速方向的分布形式相接近，且V方向代表的沿峡谷南北方向为主要风速方向。比较U，V，W3个风速分量，V风速风量对总风速大小影响最大，W 风速风量影响最小。

图4 平均水平风速及水平风向角剖面Fig.4 Profiles of hovizontal mean speed and azimuth angle of wind

图5 U方向平均风速及风速根方差剖面Fig.5 Profiles of UU ＆σU

图6 V方向平均风速及风速根方差剖面Fig.6 Profiles of UV ＆σV

图7 W 方向平均风速及风速根方差剖面Fig.7 Profiles of UW ＆σW

3 主要试验结果与分析

3.1 平均风剖面实测数据分析

选择离测站离测站300m高度（主梁高度）处平均风速大于4m／s和有效测试高度超过400m的平均风剖面观测样本（共计221个）进行分析，其中高度是指离开声雷达的高度。图8中给出了几个典型的原始风剖面样本，其中Utot的定义见式（1），从对风廓线的观察可以看到，在地形复杂的山区深切峡谷中，平均风廓线的形态较为复杂，并且具有多样性，有时风速沿高度呈“锯齿形”变化；有时在距仪器200～400m高度范围内会出现显著的风速正切变或逆切变现象；此外，对于风速较大的情况，有时也观测到了一些比较规则的平均风廓线，但这些较规则的平均风廓线仍与规范中幂函数或对数函数所描述的常规平均风廓线有显著区别。根据规范中的风廓线，随着高度的增加，平均风速的增长率逐渐降低，且在超过梯度风高度后，平均风速不再增加。但在这里所观测到的较规则的风廓线中，随着高度的增加，平均风速增加的速率不断增加，特别是在接近谷顶时，速度增长率非常大。此现象与深切峡谷的特征吻合，即：随着高度的增加，峡谷的宽度增大，山坡在水平方向对风的阻滞作用越来越弱，使得风速的增长率随之越来越大。

根据对实测样本的观察分析可以发现，风速受地形影响很大。对这些相对较大的风速样本进行风向统计后发现，绝大多数风向都和河谷的走向相近，为北风或南风。从对不同高度风玫瑰图（图9～11）的观察可以看到，在海拔858m（桥塔根以下约100m）处风向主要是N、NNE、SSW等3个方向，其频度分别为40.8%、18.3%、23.4%，在海拔1058m（近桥面高度）处风向主要是N、NNE、S等3个方向，其频度分别为42.5%、14.0%、19.9%，在海拔1158（桥塔顶部高度）处风向主要是是N、S两个方向，其频度分别为34.7%、20.8%。由此可见坝陵河大桥桥址处峡谷风风向的离散度随高度的增加而下降。

图8 实测的多样性平均风剖面示例Fig.8 Typical examples of measured diverse mean wind profiles

图9 858m高度处风向玫瑰图Fig.9 Rose diagram of wind azimuth at 858m

图10 1058m高度处风向玫瑰图Fig.10 Rose diagram of wind azimuth at 1058m

图11 1158m高度处风向玫瑰图Fig.11 Rose diagram of wind azimuth at 1158m

3.2 平均风剖面推荐公式

对有效样本的平均风剖面图观察分析显示，测站上空200m范围内的数据变化凌乱，没有规律可循，故进行数据拟合时选择200m以上的数据。对于深切峡谷的平均风廓线，规范中用于表示平坦地区平均风廓线的幂函数公式或对数函数公式显然已不再适用。作者通过对实际观测样本的拟合，获得了代表坝陵河深切峡谷测站上方海拔958～1585m范围内的风廓线数学表达式，具体如下：

其中：Z为海拔高度，Zr为参考高度，Ur为参考风速，U1058为1058m 处风速，p 为拟合参数，UV，UU，UW为V，U，W3个方向上的速度分量。对于本桥，参考风速Ur的值可以通过参考文献［5］中给出的数值取用。

拟合中选用了风速较大（U1058≥4m／s）且风向与河谷走向（南北走向）相近的样本，共计118个。分别采用两种方法对样本进行拟合。

（1）统一拟合法，首先将118有效样本的所有无量纲风速－海拔高度数据对的实测结果放在一起构成一个实测数据对的整体集合（见图12中的离散方块）；然后以公式（3）为目标函数进行一次性统一最小二乘拟合，得到参数p的统一拟合值。图12中实线即为统一拟合法得到的平均风剖面曲线，其中p＝573.05。

图12 平均风速剖面拟合结果Fig.12 Fitted results of mean wind speed profile

（2）独立拟合参数平均法，即以公式（3）为目标函数，对所选118个样本逐个进行独立的最小二乘拟合，分别得到每个样本对应的参数pi，然后对所有拟合得到pi求平均值得到最终的参数p。基于不同样本的拟合结果离散度较大，其平均值p＝558.97，与统一拟合法得到的结果接近。根据平均值得到的风剖面曲线用虚线画在图12中，由此可发现，两种方法得到的平均风剖面非常接近。最后，以统一拟合结果为准，推荐坝陵河大桥的桥址处的平均风剖面公式：

3.3 风迎角剖面观测数据分析

实测中得到U，V，W3个方向上的平均风速UU，UV，UW，按照公式（5）可以求得相应的风迎角α，并定义当风速的垂直分量UW竖直向上时，风迎角为正，反之为负。对海拔1058m高度处风速在大于4m／s的样本进行分析可以得到实测平均风的迎角随海拔高度的变化规律（如图13所示）。图中两条虚线包含的范围是桥梁塔基到塔顶的范围（965m≤Z≤1161m）。

其中，α为风迎角，单位为度（°）。

图13 风迎角—海拔高度关系图Fig.13 Correlation between attack angle and height

从图13可以看出，虽然风迎角的数值较为离散，但是，随着海拔高度增加，风迎角的散布范围和风迎角的绝对值大小均有减小的趋势。大的迎角主要在低空处（海拔高度Z≤900m）出现，低空处风速较小，以及风特性受地形影响较大是造成此处风迎角较大的原因。而随着海拔高度的增加，风速不断增加且山谷变得开阔，地形对风特性影响变小，从而使得风迎角的散布范围变窄。在图中所示的桥梁设计的高度范围内风迎角分布范围变化不大，大约在－15°～15°之间。

3.4 湍流度剖面观测数据分析

实测采用的测试仪器MFAS型SODAR相控阵声雷达可同时得到湍流度沿高度方向的剖面，对离SODAR 300m高度（海拔1058m）处风速在大于4m／s的样本分析，依据相关文献相对湍流度（简称为湍流度）是脉动风速的标准差同主风速方向上的平均风速的比值，但由于本试验设备中得到的数据不是风速时程，而是U，V，W3个方向的10min平均风速UU、UV、UW和其对应的脉动风标准差σU、σV、σW，故利用式（6）得到U、V、W3个方向的湍流度IU、IV、IW：

其中Utot为3个方向的合速度，可由式（1）得到。图14～16分别为贵州坝陵河大桥桥址处海拔高度为858、1058、1158m的湍流度分布情况。随着高度的增加，湍流度的离散性增大，在近桥面高度处（海拔1058m）U 方向的湍流度主要集中在区间［0.1，0.4］，V方向的湍流度较离散。基于实测统计分析得到湍流度U 方向的分量IU平均值为0.365，最大值为0.923，最小值为0.041，标准差为0.246；V 方向的分量IV平均值为0.411，最大值为0.990，最小值为0.042，标准差为0.257。

分析结果中，V方向的湍流度大于U方向是因为V方向代表的南北方向是峡谷中风速方向的主要方向，其更加接近于风速的主风向，而在相关文献中可以发现主风向上的湍流度分量一般大于其它两个方向的湍流度分量。同时发现，分析得到的湍流度明显大于相关规范中规定的湍流度大小，这是因为规范中考虑的地貌与本研究的深切峡谷地形相差较大，后者的地貌复杂，增大了湍流度的值及其随机性；同时文中分析的样本包含的大部分都是小风速样本，一般认为小风速条件下的风特性不确定性要强，使其脉动特性与强风相比存在一定的差异。

统计分析表明，坝陵河大桥桥址处的实测脉动风湍流度与平均风速存在一定的关系（如图17所示），随着平均风速的增加，湍流度有减小的趋势，这与之前的分析一致，进一步解释了小风速样本的湍流度要大于基于强风数据分析所得的数值。其主要原因是由于风速较小，地表热应力作用增大，边界层的稳定性偏离中性［6］。

4 结 论

采用相控阵声雷达风廓线仪系统对西部山区风剖面进行现场实测和研究，通过对测量数据的整理分析，现将结论总结如下：

（1）坝陵河大桥桥址处峡谷地形的平均风廓线与规范中幂函数或对数函数所描述的常规平均风廓线有显著区别。山区风轮廓线随着高度的增加，平均风速增加的速率不断增加，特别是在接近谷顶时，速度增长率非常大；

（2）桥址处峡谷地形的风向角与峡谷走向基本一致，其离散度随高度的增加而下降；

（3）在深切峡谷中，在峡谷下部一半深度范围内，平均风速剖面规律性较差，而在上部一半深度范围内的平均风速剖面可用e指数函数进行拟合；

（4）在深切峡谷中，随着海拔高度增加，风迎角的散布范围和绝对值大小均有减小的趋势；

（5）在深切峡谷中湍流度具有一定的随机分布特性，并且要大于规范所推荐的数值；湍流度有随着风速增大而增大的趋势。

［1］MILLAR C A，DAVENPORT A G.Guidelines for the calculation of wind speed－up in complex terrain［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998，74－76：189－197.

［2］CAPRENTER P，LOCKE N.Investigation of wind speeds over multiple two－dimensional hills［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodunamics，1999，83（1－3）：109－120.

［3］陈政清，李春光，张志田，等.山区峡谷地带大跨度桥梁风场特性试验［J］.实验流体力学，2008，22（3）：54－67.

［4］孙海燕，梅再美.贵州山区山谷地形大气边界层夏季风温轮廓线结构特征分析［J］.陕西气象，2008（4）：5－8.

［5］朱乐东，王继全，陈 伟，等.坝陵河大桥桥位风速观测及设计基准风速的计算［J］.石家庄铁道大学学报（自然科学版），2010，23（4）：5－9.

［6］邓 扬，李爱群，丁幼亮，等.润扬大桥悬索桥桥址风环境的长期监测与分析［J］.空气动力学学报，2009，27（6）：632－638.

朱乐东（1965－），男，浙江宁波人，同济大学桥梁系研究员，博导。1986年毕业于同济大学土建结构工程专业，工学学士，1989年毕业于同济大学结构工程专业，工学硕士，2002年香港理工大学土木及结构工程系博士研究生毕业，获哲学博士学位。主要从事桥梁与建筑结构抗风方面的研究。通讯地址：上海市四平路同济大学桥梁系桥梁馆309室；E－mail：ledong＠tongji.edu.cn。

Investigation on wind profiles in the deep gorge at the Balinghe bridge site via field measurement

ZHU Le－dong1，2，3，REN Peng－jie2，CHEN Wei2，3，ZHOU Cheng2，WANG Ji－quan2
（1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Department of Bridge Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.Key Laboratory for Wind Resistance Technology of Bridges of the Ministry of Transportation，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Wind profiles in the deep gorge at the Balinghe bridge site were investigated via a field measurement using aphased array sodar wind profiler.It is found that the mean wind speed profiles in a deep gorge are seriously affected by the gorge terrain，and sometimes show complicated，irregular and diverse patterns，such as zigzag patterns，positive or negative shear patterns，etc.In the upper half part of the gorge，the mean wind speed profiles have relatively regular patterns in the relevant cases of large mean wind speeds.The regular profiles，however，are clearly different from the power law specified in codes for common flat terrains，and show variation patters of exponential law.Furthermore，the statistic results show that the wind azimuth is affected by the gorge terrain more significant in the lower part of the gorge than in the upper part of the gorge，and its variation amplitude is thus larger in the lower part than in the upper part of the gorge.Both the scattered range and the absolute value of the wind attack angle display decreasing tendencies with the increase of the height.The observed turbulent intensities in the gorge are larger than those suggested in the relevant codes for common flat terrains，and possess a certain degree of random，which is more violent with the increase of height.

deep gorge；profile of mean wind speed；profile of turbulent intensity；field measurement；sodar

P412.16

A

1672－9897（2011）04－0015－07

2010－10－14；

2011－05－09

科技部国家重点实验室基础研究项目（编号SLDRCE 08－02）；交通部西部交通建设科技项目（项目编号200531800019；200631849426）