峡谷复杂地形风场空间分布特性试验研究

张　玥， 唐金旺， 周　敉， 高　亮

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，西安　710054；2.长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安　710064；3.西安理工大学 土木建筑工程学院，西安　710048)

峡谷复杂地形风场空间分布特性试验研究

张玥1， 唐金旺1， 周敉2， 高亮3

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，西安710054；2.长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安710064；3.西安理工大学 土木建筑工程学院，西安710048)

山区峡谷地貌复杂，风场参数确定是桥梁设计面临的突出问题，而现有桥梁抗风规范缺乏对此类地形条件的描述;以某实桥作为工程背景，进行了桥址区峡谷地形风洞试验研究。根据试验数据分析了峡谷复杂地形下不同风向的平均风和脉动风特性，并基于气象站历史风速记录和规范风速标准，总结了以梯度风高度及基本风压推算桥址区基本风速的方法。试验结果表明：桥址峡谷地带，无明显峡谷风效应，平均风剖面分布不能依据统一形式描述；拟合得到桥址桥面高度处风速剖面指数α=0.20，地表类型归为C类；顺着峡谷中心来流，湍流强度值明显小于其它来流；与理论曲线相比，实测风速功率谱在低频段偏低而高频段略微偏高；随着风向角增大，水平脉动风速谱向高频段偏移。

山区峡谷；桥梁工程；风特性参数；地形模型；风洞试验；基本风速

本文以位于晋陕大峡谷地带禹门口黄河大桥桥址周围风场特性为研究对象，考虑其地形、地貌复杂，具有一定的代表性。通过开展地形模拟风洞试验，总结了各向异性复杂地形下桥峡谷地带风场分布特性，并归纳了峡谷特殊地形桥址处基本风速的确定方法。

1工程概况

禹门口黄河大桥[7]位于晋陕大峡谷南端，地处黄河中游禹门口至潼关河段，为典型的河流堆积地貌(见图1)，该河段为南北走向，禹门口两岸岩壁陡立，地形为宽100 m左右的峡谷河槽，出禹门口后骤然扩散，形成宽浅性河床，水流散乱，沙洲密布。桥址区属于暖温带大陆性半干旱季风气候区，历年平均气温12.2～13.6℃，年极端最高气温42.8℃，极端最低气温-25.6℃。主要地形特征是东西走向的山岭，山体连绵起伏，西南低、东北高，其海拔高度为380～875 m不等，桥位恰处于峡谷的咽喉部位(最窄位置)。该区域风向以NW风和SE风为主，历年平均风速为9.0 m/s，最大风速24 m/s。

图1　桥址地形平面图Fig.1 Sketch of terrain at the bridge site

2风洞试验规划和布置

2.1模型制作

该风洞试验在长安大学风洞实验室 CA-1 大气边界层风洞中进行。试验模拟桥址周围1 000 m范围地形，其模型为一半径R=1 m圆形区域，沿河道中心线布置0～4号测点，共计5个测点，测点间距为20 cm，其它具体测点布置(见图2)。模型比例采用1∶1 000，底盘高度为10.8 cm，以河谷水面为基准，采用挤塑板按照等高线切割分层累积模拟山形地貌，每层挤塑板厚度为5 cm。

试验流场风速由皮托管和微压计进行测量、监控，大气边界层模拟风场的调试和测定采用丹麦 DENTEC 公司的 Streamline 热线/热膜风速仪；试验压力测量系统采用美国 PSI 公司电子压力扫描阀，进行模型相应点处压力的测量。

图2　桥位地形模型测点布置图Fig.2 Measuring points map of bridge site terrain model

2.2试验工况及数据处理

叶总在等待老贾过来的时候，也打量起这盒子钱。孟导心急，之前就已经看过了，盒子里一共1 4 1枚铜钱，大小各异，材质和成色也各有差异。至于值钱不值钱，有没有价值，孟导当然就不得而知了。

桥址风场采用均匀流风场，其风速为10 m/s。排管由低至高共布设30个测点，高度范围为2.1～96 cm。规定风洞试验来流方向为河道最窄处连线的垂直方向，模型按照顺时针旋转，0号测点风向角范围为0°～330°，以30°为一级增加，共12个风向角，1～9号测点风向角选取0°和180°为参考，测试不同来流方向下桥址周围风场的变化情况。将采集到的风压时程转换成风速时程，可分别计算出风速剖面、紊流强度、积分尺度、功率谱等风特性参数。

3桥址风特性参数结果及分析

3.1山区峡谷风效应

河谷中心0号测点12个风向角来流下的最大风速记录见图3～图4，出现最大风速主要来自NE、SE和NW三个方位，其中SE附近的风向达到了12.25 m/s，这与历史记录资料相符。表明在以后的抗风安全监测中要予以重视，尤其是沿着河谷走向的NW和SE两个风向。虽然桥址处各方向来流最大风速多数超过试验来流风速，其产生最大风速所在高度普遍超过山顶，并不意味着峡谷内存在风速加速效应。

图3　风洞试验模拟0号测点风速玫瑰图Fig. 3 Wind rose diagram of 0 measuring points in wind tunnel test

图4　0号测点风速玫瑰图局部放大示意图Fig. 4 Local enlargement of wind rose diagram at 0 measuring points

图5　0号测点不同风向角来流风速变化图Fig.5 Variation of wind speed with different wind direction at 0 measuring point

图5是桥位处0号测点在不同来流方向下风速随着高度变化的示意图。从图5可知,河谷中心测点不同来流方向下，风速随着高度增加而增大，在一定高度以上风速垂直分布几乎不变，不受限制。当风顺着山谷方向吹来，(0°和30°、180°和210°)四个风向下，风速随着高度变化规律比较符合传统的风剖面。当风向垂直河谷时(60°，90°和270°，300°，330°)，河谷中心一定高度范围内，其平均风速特别小且保持不变，几乎为零；随着高度变化接近山顶时，平均风速骤然增加，基本达到风洞试验设计风速。这种现象主要是因为风速受到整个山体遮挡，风特性受回流区控制，其风特性与平坦地区显然不同。在其它来流方向(120°，150°和240°)风速部分受到遮挡影响，在高度低于山顶时，平均风速变化频率快，但风速变化程度较慢；在高度超过山顶时，风速轮廓接近传统的指数分布特征。根据地形分析，这三个风向处于下游，地形为浅滩，风速受到地表粗糙度的影响，其边界层的风速无法达到试验风速。

3.2平均风剖面

试验表明,不同风向来流在桥位处有以下规律：顺桥向来流(90°和270°风向角)在遮挡作用下，风速剖面不符合指数变化规律。横桥向来流(0°和180°风向角)顺着峡谷到达桥位时，平均风速垂直方向变化与传统风剖面吻合较好。其他来流方向在受到周围山体干扰，风速有一定减弱，峡谷底部区域风速垂直变化规律不明显。

沿着峡谷上下游两个方向角来流，在局部不同海拔高度处测点风速剖面存在差异。0～4号测点位于河道中心，其风剖面无典型变化，5～9号测点受山地影响，其平均风速在一定高度范围的变化规律趋于传统风速剖面；在相同的风向角下，河道中各测点风剖面接近一致，山坡上布置的测点风速变化程度较河谷中布置的测点大，坡脚位置的平均风速最小；0号测点风剖面差异较大，下游风速大于反向来流时的风速，主要是来流方向峡谷谷口尺寸不同，桥位上游地形复杂多变，对风速有一定弱化作用(见图6～图7)。

图6　横桥向0°来流不同测点位置风速变化图Fig.6 Change of wind speed under transverse incoming flow with 0 angle in different positions

图7　横桥向180°来流不同测点位置风速变化图Fig.7 Change of wind speed under transverse incoming flow with 180 angle in different positions

取桥面高度为参考点高度，依据最小二乘法拟合出的风速剖面指数α主要分布在0.15～0.3之间，综合分析表1和表2，平均风剖面指数α随着测点及来流方向有很大差异。总结其如下规律：① 河道中心测点与峡谷走向一致时，风剖面指数小。② 各测点处的风速剖面指数具有离散型，与河谷走向一致的两个风向角受地形影响，上游来流山体上测点风剖面指数普遍高于反向来流。③ 《公路抗风设计规范》风剖面指数的相关规定已经不满足，计算桥址处的风速剖面指数α=0.20，为方便风载荷计算，地表类别归为C类。

表1　0号测点不同风向角来流作用桥面高度处试验结果

表2　横桥向来流风作用下不同测点桥面高度试验结果

3.3湍流强度

由于受到两侧山坡干扰，当风向角与河谷走向一致时，湍流强度明显比其它来流方向小，尤其是来流方向与山体基本保持垂直，边界层对峡谷风场产生干扰，湍流强度很大，在山区复杂地形条件下越是靠近山体，这种干扰作用更加突出。在河道中各个测点湍流强度接近一致，然而在7号测点位置，紊流强度值高出其它测点数倍。产生这种现象的原因主要是该测点位于NE方位山顶最高点，测试最低点高度已接近峡谷内桥面高度，在山体表面粗糙度的影响下，形成了风速小而紊流强度高的特点。对于桥梁抗风设计来说，一般主要依据横桥向桥面高度位置的湍流强度值，并结合一定偏角范围，选取湍流强度较大值作为水平湍流强度参考值。

3.4湍流积分尺度

空间上某点湍流的原因，可以认为是平均风输送的大小漩涡引起脉动，湍流积分尺度就是气流中湍流涡旋平均尺寸的度量。湍流积分尺度是与湍流空间相关性关联的参数，实现多点测量是最理想的方法。但由于现实条件下往往难以实现，依据Taylor[8-9]假设，采用自相关函数代替空间函数计算。

(1)

根据实验数据分析，积分尺度大致呈现随高度上升而增大的规律，位于坡脚6号测点受山体干扰，出现积分尺度值先增大后减小的趋势。同一高度计算结果远大于“抗风规范”规定值。桥面高度处换算积分尺度结果见表3和表4，从表中可知：受局部地形影响下，积分尺度在同一测点不同来流方向下有很大差异，尤其是垂直河谷方向来流，积分尺度值很小；在横桥向来流时，河道中各个测点积分尺度值较为接近；6～9号测点处于山坡上，上游来流方向(0°)湍流积分尺度结果明显小于反向来流。

表3　0号测点不同来流方向下积分尺度结果

表4　横桥向来流不同测点位置积分尺度结果

3.5脉动风功率谱

脉动风速功率谱表征紊流中各频率成分所作贡献大小。目前我国抗风设计规范建议水平顺风向脉动风速谱为Kaimal谱[11]，高度Z处平均风速为U(z)的顺风向脉动风功率谱密度函数具体表达式为：

(2)

式中：su(n)为顺风向脉动风功率谱密度函数，n为频率，u*为气流摩阻速度，f=nZ/U(z)，为莫宁坐标。

由于篇幅所限，文章仅给出0号测点横桥向和顺桥向两个主要来流方向脉动风速功率谱(见图8)。在垂直高度方向，峡谷谷底以小尺度涡旋为主，随着高度增加，地表摩阻减少，谱频率变低，能量耗散；在水平方向，实测风速功率谱与理论曲线相比在低频段偏低而高频段略微偏高，随着风向角增大水平脉动风速谱向高频段偏移。沿着河谷方向风速不受山体影响，在高频段两种谱吻合很好；垂直河谷方向来流，理论谱与Kaimal谱相比高频段能量偏低。考虑到涡旋性质和能量耗散，不同频段可以选择不同的风速谱公式，综合多种方法计算。

3.6峡谷基本风速推算

表5　百年一遇不同方法基本风速结果比较

由表5可知，实测的历史风速记录值推算基本风速最小，后两者结果接近一致，抗风规范偏安全所取基本风速值最大。考虑气象站历史实测过程中，测站选择受到桥址区地势起伏以及山区小气候带来的误差影响，其测得的数据结果具有局限性。从考虑结构的抗风性能和实际工程实践需要，取桥址附近基本风速为27.6 m/s。

图8　0号测点横桥向和顺桥向来流桥面高度处水平顺风向脉动风谱Fig.8 Horizontal wind spectrum along wind direction with bridge deck under cross and longitude bridge flow at 0 measuring points

4结论

(1) 地形风洞试验证明：桥址区风场特性，受到周围山体的压缩、分离或回流作用，结果与抗风规范差异很大。桥位处风速沿垂直方向分布规律，不完全满足幂指数分布，梯度风速高度H=383.3 m以下，与传统风速剖面比较符合，递度风速高度以上风速垂直几乎不变，不受高度影响。

(2) 山区峡谷风场存在地形效应综合作用，峡谷风风剖面指数低于其它来流方向，各测点处的风速剖面指数具有离散型，与河谷走向一致的两个风向角受地形影响，上游来流山体上测点风剖面指数普遍高于反向来流。气象站资料统计，该地区介B类和C类之间，风洞试验最小二乘法拟合风速剖面指数α=0.20，地表类别为C类。

(3) 位于山区峡谷处的桥梁进行抗风设计时，湍流强度应考虑选取桥面高度处沿着河谷走向一定范围风向角的最不利值。

(4) 大多数实验结果显示，实测功率谱曲线与Kaimal理论谱吻合较好。在垂直高度方向，涡旋的主导频率有所不同，摩阻效应下峡谷谷底一定范围以小尺度涡旋为主，能量高，频率高。

(5) 桥址处NW、NE和SE三个方位最大风速脉动特性易引起风致振动，对桥梁抗风性能应予以重视，基于气象站实测资料和规范计算，确定该桥址区域基本风速为27.6 m/s。

(6) 针对此类复杂地形的桥梁风振响应分析来说，一般桥址区横桥向作用为主导因素，顺桥轴线及其它最大风速频繁的方向仍有待细致研究。综合规范和气象站历史记录资料确定基本风速的方法，合理的选取基准高度尤为重要。本文目前只针对实际复杂地形进风洞试验研究，相关数值模拟计算等验证是下一阶段研究的重点。

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Experimental research on the spatial distribution characteristics of wind field in valley terrain

ZHANG Yue1， TANG Jin-wang1， ZHOU Mi2， GAO Liang3

(1. School of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China；2. Key Laboratory for Bridge and Tunnel Engineering of Shaanxi，Chang’an University，Xi’an 710064, China；3. School of Civil Engineering and Architecture，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

Landscapes in mountainous valleys are complex. Determining the parameters of the wind field is a prominent problem in the design of bridges. However, the existing wind-resistant specification for bridges lacks descriptions such as terrain conditions. Based on a real bridge as the engineering background, this study carries out a wind tunnel test on the valley of the bridge site. According to the test data, the average wind and fluctuating wind characteristics of different wind directions are analyzed. On the basis of a historical wind speed record on the weather station and the wind speed standard in specification, the method of calculating basic wind speed at the bridge site area with the gradient wind height and basic wind pressure is summarized. The experiment results prove that there is no obvious valley-wind effect in the bridge site and that the mean wind profile cannot be simulated in a uniform way. The wind profile exponent isα=0.20, a type of surface classified as C. The turbulence intensity of the flow down the valley center is significantly smaller than in other types of landscapes. The measured wind power spectrum compared to the theoretical curve is lower at a low frequency and higher at a high frequency. Its horizontal turbulence power spectrum will shift to high frequency along with the increase in the wind direction.

mountain valley；bridge engineering；wind characteristic parameters；terrain-model；wind tunnel test；basic wind speed

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.006

陕西省自然科学基础研究计划项目(2013JQ7031)；中央高校基本科研业务费资助项目(3108211511070)；西安市建设科技项目(SJW2014012)

2015-11-11修改稿收到日期：2015-12-28

张玥 女，博士，副教授，1978年生

U448.25

A