高速公路交通噪声仿真模拟及声屏障设计研究

2015-12-21刘月红程为波李国旗

水利与建筑工程学报 2015年3期

刘月红，程为波，李国旗

（1.山东省交通规划设计院，山东济南250031；2.山东省环境保护科学研究设计院，山东济南250013）

高速公路方便了人们出行，加速了物流，在拉动经济的同时，交通噪声污染问题也相当严重。沿线居民深受影响，易出现诸如听力损伤、失眠、情绪暴躁等症状。因此，如何防治交通噪声污染，应当引起足够的重视。

不少学者对交通噪声强度、特点、传播规律等做过相关研究[1－4]。除现场实测外，也有采用数学计算公式法或计算机仿真数学模型分析噪声污染分布特点[5－6]。湖南大学翟云波[7]等根据高速公路周边噪声敏感点的分布特点，构建真实的模拟场景。李彦[8]等系统地分析了声屏障设计过程中需要考虑的问题，以及跨专业的综合应用。重庆交通大学陈永光[9]等针对不同顶部造型的声屏障，采用声学软件对声屏障的降噪效果进行模拟。唐松林[10]以道路噪声实测数据为依据利用有限元方法综合分析了不同高度声屏障对不同频段道路噪声的抑制作用。徐志胜[11]建立了基于Cadna/A软件的高速铁路噪声预测模型。李方园[12]、陈淑燕[13]等分析了交通噪声的危害及防治措施，李妍[14]论证了声屏障的降噪效果。

本文针对某高速公路及其西侧向阳村，以道路中心线外200m范围的居住建筑为研究对象[15]。首先对向阳村昼间和夜间噪声背景值进行现场监测[16]和分析。然后采用Cadna/A噪声模拟软件建立噪声预测模型分析交通噪声达标距离及传播衰减规律。再将环境噪声背景值与交通噪声贡献值进行能量叠加计算，研究噪声污染特点及发展趋势。最终确定采用声屏障来降低噪声污染对居民生活的影响，并计算确定声屏障设计参数。根据仿真模拟分析结果，提出应进行跟踪监测及预留资金安装隔声窗的建议。

1 工程概况

高速公路设计车速为120km/h，双向四车道，路基宽度为28m。对2014年通行车辆监测，分析了小货车、中货车、小客车、大客车等各种车辆所占比例。通过对中货车、大货车、拖挂车等按重量折算，分别得到2014年和2028年小、中及大型车的交通数量。根据观测站车流量统计结果，按照昼间16 h与全天24h车流量之比得出昼间系数。具体数值如表1所示。

表1 高速公路交通数量表单位:辆/h

向阳村位于高速公路西侧，沿道路方向延伸侧对道路，长度为350m。最前排四户距离道路中心线约60m，其它位于130m之外。该村地势低于高速公路，全年主导风向是SSW风。该村全部为砖瓦结构的平房。该区域执行《声环境质量标准》[17]（GB3096－2008）中2类标准，即昼间60dB（A），夜间50dB（A）。

向阳村与高速公路位置关系图如图1所示，分别为卫星地图和实测地形。

图1 向阳村与公路位置关系地图

2 声环境背景值监测

（1）监测项目:L10、L50、L90、等效连续 A 声级Leq

（2）监测方法:将高速公路中心线两侧200m以内范围作为研究对象。测量方法按《声环境质量标准》[17]（GB3096－2008）及有关测量规范规定执行。监测时间分别在昼间（6∶00～18∶00）和夜间（22∶00～次日6∶00）进行。测量期间无雨雪，风力小于5m/s，将传声器加戴防风罩。为保证测量结果的准确性，在等效的情况下，至少在各测点测量3次。

（3）评价方法:《声环境质量标准》[17]（GB3096－2008）中2类标准噪声值为昼间60dB（A），夜间50dB（A）。对昼间和夜间等效连续A声级Leq与标准值作差比较。声环境背景监测数值及评价结果如表2所示。正值表示监测值高于标准值；负值表示监测值低于标准值。

表2 噪声背景值监测数值及评价结果单位:dB（A）

从表2可以看出，向阳村昼间声环境背景值为51dB（A），比标准值低9dB（A）；夜间声环境背景值为43.1dB（A），比标准值低6.9dB（A）。可见，向阳村昼、夜间声环境噪声均能够满足《声环境质量标准》[17]（GB3096－2008）中2类标准，不存在噪声污染问题。

3 交通噪声仿真模拟

为了更全面掌握向阳村交通噪声污染情况，采用Cadna/A噪声模拟软件进行环境噪声计算机仿真模拟。

本文Cadna/A仿真计算模型采用的参数为:（1）技术标准:高速公路，双向四车道，全路封闭；（2）车流量与车型比:2014年及2028年各种车型交通量见表1所示；（3）设计车速:120km/h；（4）道路宽度:路基宽度28m，行车道宽19.5m（含中央分隔带3.5m）；（5）房屋高度:均为平房，高度取4.5m。仿真模拟成果如图2～图5所示，以不同颜色表示不同噪声水平。颜色越深，噪声污染越严重。

图2 2014年昼间噪声叠加值等值线图

图3 2014年夜间噪声叠加值等值线图

从图2～图5中可以看出，要满足《声环境质量标准》[17]（GB3096－2008）中2类标准，高速公路空旷地域噪声达标距离:2014年昼间约为70m，夜间约为260m；2028年昼间约为100m，夜间约为390 m。可见，夜间噪声达标距离大于昼间噪声达标距离，2028年噪声达标距离大于2014年噪声达标距离。

图4 2028年昼间噪声叠加值等值线图

图5 2028年夜间噪声叠加值等值线图

在与道路垂直方向，随着距离增大，噪声值逐渐衰减。第一排的四户居民受噪声污染较重。由于建筑物的遮蔽作用和距离衰减使得位于第一排之后的建筑物噪声污染减弱。

2014年昼间和夜间交通噪声贡献值分别为61.5dB（A）和60.0dB（A）；2028年昼间和夜间交通噪声贡献值分别为64.7dB（A）和63.2dB（A）。由此可以预测，随着高速公路运营时间延续，交通流量越来越大，噪声达标距离会越来越大，噪声污染也会越发严重。

4 交通噪声叠加值计算

参照《环境影响评价技术导则声环境》[15]（HJ 2.4—2009）提供的公路交通运输噪声公式计算方法，将机动车分为大、中、小车，采用公式（1），将其交通噪声声压级值进行叠加计算。

式中:Leq为声环境敏感点接收到的噪声（dB（A））；Leqb为大型车辆在声环境敏感点的交通噪声（dB（A））；Leqm为中型车辆在声环境敏感点的交通噪声（dB（A））；Leqs为小型车辆在声环境敏感点的交通噪声（dB（A））。

采用公式（1）分别计算了2014年和2028年向阳村昼间、夜间环境噪声叠加值。将叠加值与《声环境质量标准》[17]（GB3096－2008）中标准值作差计算噪声超标值。正值表示噪声叠加值高于标准值；负值表示噪声叠加值低于标准值。噪声叠加值及评价结果如表3所示。

表3 环境噪声叠加值与评价结果单位:dB（A）

从表3可以看出，2014年昼、夜间及2028年昼、夜间交通噪声声压级值分别为61.9dB（A）、60.1dB（A）和64.9dB（A）、63.2dB（A）；噪声超标值分别为1.9dB（A）、10.1dB（A）和4.9dB（A）、13.2 dB（A）。向阳村声环境已经不满足《声环境质量标准》[17]（GB3096－2008）中2类标准要求，出现噪声污染问题。2014年夜间交通噪声超标值比昼间交通噪声超标值高8.2dB（A）；2028年夜间交通噪声超标值比昼间交通噪声超标值高8.3dB（A），可见夜间噪声污染重于昼间。2028年比2014年的昼间及夜间的超标值分别增长3dB（A）和3.1dB（A）。随着交通量增大，噪声超标值呈上涨趋势，噪声污染呈严重趋势。因此，需要采取措施降噪措施。

5 声屏障的设置

声屏障是设置于噪声污染源和声环境敏感点之间的声学障板，利用其后的影区达到降噪的目的。声屏障的材质、高度、长度、设置位置直接决定降噪效果。声屏障的降噪效果用插入损失ΔL表示，可用公式（2）计算。声屏障设置长度采用公式（3）计算。）式中:ΔL为插入损失（dB（A））；LP1为安装声屏障前受声点的声压级（dB（A））；LP2为安装声屏障后受声点的声压级（dB（A））。

式中:L为声屏障的总长度（m）；L1为声屏障的端部长度（m）；L2为声环境敏感保护区长度（m）；H为接收点至声屏障的垂直距离（m）。

由计算及仿真模拟结果可知，若要满足噪声污染防治需求，插入损失ΔL至少为13dB（A），向阳村沿高速公路方式长度为350m，通行车辆至声屏障距离约为5m，采用公式（3）可计算得到向阳村应设置的声屏障长度为490m。

声屏障采用3.2m高弧形结构，地面以上1.7 m至顶端采用百叶窗式吸声屏以增强降噪效果。声屏障的降噪结构及立柱采用除锈防腐措施，以防止酸雨等对结构造成破坏，延长使用寿命。声屏障设计图如图6所示。

国家环保部[2010]7号文《地面交通噪声污染防治技术政策》指出:“地面交通设施的建设或运行造成噪声敏感建筑物室外环境超标，如采取室外达标技术手段不可行，应考虑对噪声敏感建筑物采取被动防护措施（如隔声门窗、通风消声窗等），对室内声环境质量进行合理保护。”通过以上分析可知，2028年夜间噪声超标值已经达到13.2dB（A）。因此，需要对交通噪声跟踪监测，噪声超标值超过声屏障的降噪能力时，需要为居民安装隔声门窗。