挡风墙设计与结构形式探讨

青兆麟，徐 刚

（1.新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006；2.成都固源工程材料有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

新疆是全国公路铁路交通风害多发区，春秋季多寒潮大风，夏季多阵性大风，风害对公路基础设施性能和交通安全影响巨大。连云港—霍尔果斯高速公路（G30）新疆段横穿百里风区（见图1）、三十里风区，一年中有320d风力在8级以上，瞬时最大风速60m/s，相当于17级飓风。2012年3月20日4～15时，因大风原因，兰新铁路十三间房段客、货车全部停运，停运车辆达80多列；一碗泉至红山口高速公路数百辆车辆滞留，车窗玻璃被风刮起的碎石击碎，数辆大型货车被大风刮翻，交警部门只好组织裝甲车对被困乘客进行紧急搜救；国家电网十三间房120千伏变电所多处塔架损坏。大风天气给公路、铁路运输造成较大影响，给居民出行带来不便，为了保证大风环境下公路铁路的行车安全和正常运营，在大风区重点路段布设有效的挡风墙十分重要。

图1 百里风区示意图

1 挡风墙设计

1.1 设计原则

效果好，就高不就低，坚固耐用，经济环保，因地制宜，美观大方。

1.2 挡风墙作用原理

挡风墙的作用就是干扰、阻碍风场气流，在挡风墙与车体间形成明显的涡流，耗散了部分风能，降低行车区域的风速，减小了风场对汽车行驶稳定性的影响，以达到外侧强风，内侧弱风；外侧小风，内侧无风的效果，提高行车安全。

车体所受侧向力，阻力和升力中，侧向力一般最大，阻力次之，升力最小。表明在风场中，对行车安全威胁最大的为侧向风力。

当线路走向与强风风向夹角β在75°～95°之间时，称为强横风。在强横风作用下，行驶在高速公路的汽车所受到的空气阻力和气动升力急剧增加，随着横风强度的增大，气动横向力、升力、空气阻力均成非线性增加。所以，强横风引起的横向力和升力是造成汽车被吹翻事故的主要和直接原因。

通过安全行车流体模拟分析，挡风墙位置的不同，挡风墙对风场的影响不尽相同。在挡风墙迎风侧与背风侧，风场发生较大改变。在背风侧形成涡流，随着挡风墙位置的改变，挡风墙背风侧的涡流由一个变为两个，且涡流形状越来越大，表明涡流影响范围越大，涡流形状越大，其对风能的耗散越强，从而降低风对汽车的影响，增加行车安全性。

在大风过程中，所有车辆应尽可能靠有挡风墙一侧的道路限速行使。

1.3 风力等级

风力等级是挡风墙设计考虑的重要因素。风力等级划分见表1。

表1 风力等级表

1.4 稳定性验算

挡风墙的稳定设计是重中之重，直接影响到挡风墙的使用效果。挡风墙的高度越高且距路基边缘越近，挡风的效果就越好。以格宾网箱为例，假定为重力式挡墙，且墙身为不透风结构（事实上网箱内填料有孔隙，是透风结构，分析时透风因素等暂未考虑）。

1.4.1 迎风面稳定分析

挡风墙断面图见图2，断面计算模型简化图见图3。

图2 挡风墙断面图

图3 断面计算模型简化图

1.4.1.1 风速与风压

根据伯努利方程得出的关系公式：

式中：wp——风压，kN/m2；

r0——空气密度，kg/m3；

v——风速，m/s。

在标准状态下，气压为101.3kPa，温度为15℃，空气重度r为0.01225kN/m3，纬度为45°处的重力加速度g为9.8m/s2，公式（1）变为：

此公式为用风速估计风压的通用公式。

注意，空气重度和重力加速度随纬度和海拔高度而变，一般来说，空气密度在高原上要比在平原地区小，也就是说同样的风速在相同的温度下，其产生的风压在高原上比在平原地区小。

我们设计挡风墙，应该考虑迎风面上作用的最大风力情况下情况，则空气密度取值在平原地区常温下的情况，采用公式（2）计算最大风压。

根据计算机模拟试验结果，载重60t的列车的临界翻车风速约为50m/s，相当于22kN·m的倾覆力矩。所以，挡风墙只要将倾覆力矩减弱至22kN·m以下，就可以保证列车不倾覆。挡风墙高度越高，挡风效果越好，但在经济上未必合理可行。根据不同挡风墙后倾覆力矩的数值模拟结果，3m高的墙可使60m/s风速的倾覆力矩减至22kN·m以下，3.25m高的墙可使64m/s风速的的倾覆力矩减至22kN·m以下。

1.4.1.2 风速与风力

挡风墙上的作用力主要有：水平风力、自重力、地基反力和地基水平抗力。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所通过试验、分析，拟合而成风速和风力的关系为：

式中：F——水平风力，kN；

A——受风面积，m2；

ρ——空气密度，实验计算取ρ=1.247kg/m3；

Cd——阻力系数，取0.62；

V——风速，m/s。

在平坦地形条件下，均匀风速当遇到阻挡物时，风速将重新分布，最底部为0，顶端为无阻挡物时的风速，风速随高度变化。在此处考虑挡墙风力作用时，应考虑最危险的情况。挡风墙位于填方路肩，墙面下部将会受到顺路堤边坡而上的风力作用，那么假定挡风墙所受风速为沿墙高均匀分布，此种情况风力作用大于其他情况。

1.4.1.3 作用力分析

a）风力

迎风面风力沿墙面均匀分布，利用公式（2）得迎风面墙面受力为：

则单位物体表面面积上受到60m/s的风力作用约为225kg，4m高迎风面每延米受到的风力F=9 kN/m；

利用公式（3）得4m高迎风面每延米受到的风力为：

取两种风力计算结果的最大值，则迎风面每延米受到的风力F=11.1332kN/m（滑动力）；

b）抗滑稳定系数

抗滑系数大于1.3，满足规范要求（一般土质地基上挡墙受到基本荷载组合，一级挡墙抗滑系数不小于1.3）；

c）抗倾稳定系数

倾覆力矩为风力作用，基础网箱背风处基脚点为圆心，假设风力沿墙体均匀分布，则作用点为墙高的一半，则有

抗倾系数大于1.5，满足规范要求（一般土质地基上挡墙受到基本荷载组合，一级挡墙抗倾系数不小于1.5）；

d）地基应力

1.4.2 背风面稳定分析

因为设计的挡墙为非对称结构，所以应该考虑墙背来风的情况。

1.4.2.1 风力计算

如果迎风面考虑几何坡度，迎风面顶角与基脚处的连线与竖直面夹角为19.29°。假定风力垂直作用在连线上，则风力与水平方向夹角为19.29°，则水平分力没有风力直接作用在墙体表面的力大。那在挡墙挡风的情况下，考虑最危险的作用力，则还是假定风力沿墙体均匀分布，作用点还是在墙高二分之一处。F=11.1332kN/m，力矩为M=22.2664kN·m/m

1.4.2.2 抗滑稳定系数

1.4.2.3 抗倾覆稳定系数

通过计算，发现背面风力达到60m/s时，挡墙依然不会产生滑动及倾覆。

1.4.3 迎风面不考虑埋深稳定分析

考虑基础层埋深在土内，不计算基础的重量，只考虑上层4m高箱体。参数取值设定在不安全情况。

1.4.3.1 风力作用，依然考虑风力沿墙体均匀分布，作用点在墙高二分之一处，F=11.1332kN/m，力矩为M=22.2664kN·m/m。

1.4.3.2 四层墙体自重G=126kN/m，网箱重量对基脚力矩M=225kN·m/m。

1.4.3.3 抗滑稳定系数

实际上，第四层网箱和第五层网箱是用双股扎丝20cm间距绑扎的，且网箱内的石料具有棱角，因此实际的摩擦系数不应小于0.35，这里也是保守取值，考虑危险情况。

1.4.3.4 抗倾覆稳定系数

因此即使考虑风力作用在上四层，没有基础埋深的情况依然满足稳定要求。但因为有其他未知因素，加入埋深，提高安全系数。

2 挡风墙结构形式及比选

2.1 挡风墙结构形式

格宾网箱挡风墙和较常用的二种挡风墙形式进行结构和经济比较分别见图4、图5、图6。

图4 对拉式挡风墙

图5 L型柱板式挡风墙

图6 格宾网箱挡风墙

2.1.1 对拉式挡风墙

对拉式挡风墙墙高3～4m，宽1.5m，墙面板为十字形，板幅采用1.0m×1.0m的C15钢筋混凝土预制板，板厚0.15m。墙面板采用钢筋拉杆对拉，左右对称结构，墙内填夯实圆砾，墙顶用混凝土预制块封顶。

2.1.2 L型柱板式挡风墙

L型柱板式挡风墙由L形柱和挡风板组成，L形柱高4.0m，埋深1.0m，柱截面成“工”字形，两翼宽为0.5m，翼高0.215m，腹板宽0.5m，高为0.17m，现浇施工。挡风板总长3.4m，宽0.5m，板厚0.15m。路基边坡及路肩采用浆砌片块石防护。

2.1.3 格宾网箱挡风墙

格宾网箱挡风墙为工程用机编钢丝网箱组合体结构，高4.0m，埋深1.0m，顶宽1.0m。填充料采用坚固密实、耐风化好的石料，如卵石、砾石，填充料的粒径控制10～25cm且达到80%以上。路基边坡及路肩采用浆砌片块石防护。

2.2 性能比较

在防风性能方面，格宾网箱挡风墙与对拉式挡风墙和L型柱板式挡风墙相同；在成本方面，对拉式挡风墙最高，格宾网箱挡风墙最低。三种形式的综合比较见表2。

表2 挡风墙结构形式比较表

通过以上比较和结合新疆的特殊地理环境，推荐采用柔性格宾网箱结构的挡风墙。

3 结语

近年来，新疆百里风区公路挡风墙设计一直处于理论研究阶段，主要问题之一是未能找到经济、合理的材料结构形式，随着格宾网箱结构在国内的防护工程建设中逐渐被广泛应用和“工程用机编钢丝网及组合体（YB/T 4190—2009）”行业标准的实施，这一主要问题基本可以解决。目前针对格宾网箱制作成挡风墙的设计理论不完善，主要原因是没能结合实践进一步论证，建议在理论研究过程中，多开展试验段工程验证，进一步完善挡风墙设计、施工的标准和规范。

[1]JTG D30—2004，公路路基设计规范[S].

[2]YB/T 4190—2009，工程用机编钢丝网及组合体[M].北京：冶金工业出版社，2010.

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