高速公路风害防控与信息管理系统研究

2013-06-10韦振勋马志福马韫娟马淑红

交通运输研究 2013年5期

韦振勋，马志福，马韫娟，马淑红

（1.新疆交通规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐 830006；2.国家发改委宏观院，北京 100037；3.清华大学，北京 100084；4.北京大学，北京 100871）

0 引言

在全球气候变化背景下，风害以其发生频率高、影响范围广、危害程度大，对交通运输及人民生命财产带来不利影响。而风害中最大瞬时风速是主导和动力因素，新疆地域辽阔，地形复杂，地形地貌具有“三山夹二盆”的独特特征，构筑“五横七纵”高速、高等级公路网，其中“五横”基本是E—W走向，“七纵”基本是S—N走向。每次冷空气南下都可造成强劲风力，特别是线路走向与主风之间夹角垂直的强横风，受强横风天气的影响，车辆停运、中断交通常有发生。大风天气对公路建设和养护以及安全行车影响极大。本研究对提高公路通行能力和服务水平，减少风害对交通安全的影响，具有十分重要工程应用价值和社会经济效益。

1 资料来源与方法

1.1 资料选取

依据《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ 074—94）［1］、《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）（2006年版）［2］、《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60—01—2004）［3］、《地面气象观测规范》（中国气象局2003年版）［4］有关技术标准，选取新疆高速公路沿线100个气象站近50年（1951～2010年）风向、风速长期历史资料与高速公路沿线10个铁塔梯度风监测资料、兰新二线三十里风区和百里风区2个6要素5层梯度风强风监测资料，以及30个大风监测站近10年（2001～2010年）风速和风向监测资料相结合，进行信息化和规范化整编。

1.2 研究方法

本文采用采用工程气象学、流体模拟、风监测技术、公路工程技术、空气动力学及概率论相结合方法，对高速公路沿线大风规律进行系统分析研究，提出了全球气候变化背景下，公路强风害防控技术，为我国高速公路安全行车提供了技术保障。

2 高速公路沿线大风规律

2.1 高速公路沿线大风日数分布规律

近50年大风历史资料研究结果表明：新疆高速公路沿线大风日数的分布规律受天气系统和地形影响的制约，以山口、垭口、峡谷、河谷、特大桥和高路基弯道区间强风和大风日数最多。连霍主干线百里风区强横风区间大风日数在157～209d，是我国乃至世界高速公路风害之冠；阿拉山口风区、三十里风区、达坂城风区强横风区间次之，年平均大风日数148～155d；高速公路沿线的绿洲区间全年大风日数不足10d；沙漠公路中部大风日数明显多于公路沿线的绿洲区间。

2.2 高速公路沿线大风日数月分布

新疆高速公路沿线大多数路段春秋季冷暖空气交替频繁，地区间气压梯度加大，常出现强劲的大风。夏季气层不稳定，多阵性大风天气，高速公路沿线大多数区间大风呈现单峰分布，一年中以3～9月大风最多，占全年大风日数70%～90%以上。其中连霍主干线百里风区十三间房18～25d，红山口14～20d，达坂城区间和三十里风区强横风区间为11～20d。

2.3 高速公路沿线最大风速的垂直分布特征

近10年铁塔和5层梯度风监测站风速资料分析结果显示：最大风速垂直分布遵循幂指数规律［5］，幂指数α取值1/4～1/12。连霍高速公路百里风区最大风速随高度变化遵循幂指数分布α在0.08～0.10，以α=0.10出现频率最高。建议增加0类（沙漠、砾漠风区、戈壁等区间）下垫面下α系数，α取值为0.10。

2.4 高速公路沿线最大瞬时风速2年一遇设计值水平分布特征

高速公路沿线距路面4m高处V4_2 max水平分布与地形关系密切，随着特殊环境呈现独特特征，以垭口、峡谷、高架桥、特大桥、高路堤区间瞬时风速最大，深路堑瞬时风速最小。

3 高速公路风害防控与信息管理系统

在高速公路沿线大风规律研究基础上，提出全球气候变化背景下，高速公路风害防控技术由风害防控信息管理系统和防风栅防护技术组成（如图1所示）。通过防风栅减小作用在不同类型汽车上的气动力，防止不同类型汽车倾覆翻车事故的发生。风害防控信息管理系统是指强风天气下不同类型汽车行车过程中实行运行管制的手段，运行管制是指风速超过一定值后不同类型汽车减速运行或停止运行的制度。