丘陵地区深切峡谷风特性现场实测研究

张志田 谭卜豪 陈添乐

摘   要：根据测风塔和当地气象站数据，对江底河大桥桥址处深切峡谷的风场特性进行研究. 基于数据统计分析得到桥址处风场的平均风速、风向、湍流强度、湍流积分尺度和湍流的功率谱密度函数. 结果表明：该桥所在的深切峡谷地形对风向有锁定作用、对风速有加速作用、并且对各个风向下的湍流特性有明显的影响;深切峡谷顺风向湍流强度与平均速度的关系用反比例型函数拟合，拟合效果良好且高风速下接近规范值;竖风向湍流强度明显高于规范推算值. 顺风向实测风谱与Kaimal谱相差较大而与von Karman谱吻合较好 ;竖风向实测风谱明显大于Panofsky风谱而与von Karman谱比较接近. 横风向实测风谱与Panofsky谱、von Karman谱都比较接近.

关键词：深切峡谷;平均风速;湍流强度;湍流积分尺度;湍流的功率谱密度

中图分类号：P412.16;P425.2                 文献标志码：A

Abstract： Based on the data obtained from a tower and a local meteorological station， the wind properties at the Jiangdihe Bridge site， located at a deep-cut valley，were investigated. According to statistical data processing， the mean wind properties， wind directions， turbulence integral scales， as well as wind spectra were obtained. The results show that the deep canyon terrain in which the bridge is located plays roles in locking the wind direction and accelerating the wind speed， and shows obvious influence on the turbulence characteristics. The relationship between the turbulent intensity and mean wind speed was obtained by fitting with inverse example functions， resulting in good fitting effect and high wind speed close to the standard value. The vertical turbulence intensities are much higher than those values specified in the China wind-resistant design specification for highway bridges. The wind spectra from the measured wind are quite different from the Kaimal spectrum， but in good agreement with the von Karman spectrum. The wind spectra of the vertical wind fluctuations are obviously larger than the Panofsky wind spectrum， but close to the von Karman spectrum. The measured across-wind spectra are quite close to both the Panofsky spectrum and the von Karman spectrum.

Key words： deep-cut canyon;mean wind speed;turbulence intensity;turbulence integral scale;power spectrum density of turbulence

隨着我国经济以及高速公路网的发展，在西部多山地区将架设越来越多的跨峡谷大桥. 为确保大桥在风荷载的作用下能够满足行车安全、舒适的要求，需要对山区峡谷地形的风特性进行细致的研究. 张对禹门口黄河大桥西部谷口桥址处风场特性研究[1]得出：湍流强度随风速增大而减小;湍流积分尺度随风速增大而增大等结论. 朱乐东等对坝陵河大桥桥址处深切峡谷风场进行研究[2-4]得出：峡谷地区湍流强度脉动风谱高于平原地区;峡谷风主要改变了风谱的低频成分;各个方向湍流强度关系与规范给出较为接近等结论. 庞加斌等人对四渡河峡谷大桥桥位处的风谱特性研究[5]得到：水平向湍流积分尺度相对于平坦地貌减小等结论. 李永乐等对龙江大桥桥址处风场特性研究[6]表明：峡谷对风速有5%～15%的加速效果. 本文通过对江底河大桥桥址处深切峡谷风场特性的观测，分析风场的平均风速、风向、湍流强度、湍流积分尺度受峡谷地形影响的变化规律;基于Kármán[7]、Kaimal[8]、Davenport[9]等人通过理论和经验推导出的风谱，分析峡谷风场的风谱特性.

1   工程概况

1.1   峡谷地形特点

江底河大桥拟建于距云南省楚雄市永仁县西南25 km左右的深切峡谷中. 如图1、图2所示峡谷近似东西走向，南部海拔约1 712 m，北部海拔大约1 640 m，谷底海拔约为1 393 m，测风塔位于峡谷北侧海拔约1 610 m的平台上. 峡谷两岸的植被以低矮灌木为主，整体来看两岸属连绵起伏的丘陵地形.

1.2   风观测方案

如图3所示采用2层风速仪进行观测，分别位于离地10 m高度及30 m高度处. 其中10 m高度风观测层安装2台进口Young05103二维机械式风速仪，2风速仪水平间距为2.5 m，其连线走向为正南北方向（基本平行于桥轴线）;30 m高度风观测层安装1台进口YOUNG81000三维超声风速仪以及1台Young05103二维机械式风速仪，二者水平间距以及连线走向与10 m高度处相同（三维风速仪更靠近峡谷测）. 4台风速仪的采样频率均设置为1.0 Hz. 三维风速仪测试精度为±0.05 m/s，风速范围为0～40 m/s，风向范围0～360°，仰角范围±60°内. 二维风速仪测量风速精度为±0.3 m/s，测量范围为0～100 m/s，风向精度及测量范围分别为±3°与0～360°.

采用CR1000信号采集仪将风速信号转化为数字信号，再通过485模块即将RS235转化成RS485之后通过GPRS无限传输模块将风速数据远程传输到实验室专门用于采集数据的计算机中，完成数据的收集工作. 三维风速仪采集数据正方向判定是正东风向、正北风向和正下方来流风向为正. 由于风向与风速方向相反，所以定义正西、正南、正上为x轴、y轴、z轴正方向.

2   平均风特性

由式（11）和b的性质可得：由于外界因素不可控，所以每一个样本中的b值都是不同的，在低风速下b值对湍流强度影响大所以可以如实反映出湍流强度离散性大的情况;随着风速的增加b值对湍流强度的影响越来越小进而趋于稳定.

由于b值不确定性，只能通过样本按照式（11）形式拟合湍流强度曲线，如图8～图10所示. 由图可知：拟合的效果比一次函数拟合效果更好，并且高风速下湍流强度趋于平稳这一性质也与实际现象相符合;规范中给出的湍流强度值在高风速下才可与实测值进行对比. 表2为拟合的反比例型函数分别在8 m/s、10 m/s风速下湍流强度计算结果. 可以看出：当平均风速U由8 m/s增加到10 m/s时湍流强度减少3%，并且达到了理想湍流强度的82%～85%. 图12为反比例型函数拟合湍流强度曲线与规范[11]曲线对比. 可以看出：湍流强度在高风速下慢慢接近Ⅱ类粗糙度对应湍流强度规范取值. Ⅱ类地形为平坦开阔地形与当地地形比较接近. 所以，针对平原区的湍流强度规范值在深切峡谷地形中同样较为适用.

由湍流强度均值比值（见表3）可知：Iv /Iu比规范要求略小4%左右;Iw /Iu结果实际值比规范值要大15%左右;ESE、ES风向Iw /Iu均值比WNW、WN风向要大.

根据以上现象可以认为湍流强度受地形影响较大：在顺峡谷风向下，峡谷对顺风向不存在太多阻塞，所以顺风向湍流强度Iu结果与平原区得出的规范值基本相同;横风向受到北侧峡谷的一定阻塞，所以Iv相对减少，進而Iv /Iu比规范要求略小;竖风向由于峡谷具有一定深度，相比于平原地区竖向阻塞减小，所以Iw相对比较大，进而Iw /Iu比规范大.

3.3   湍流积分尺度

4   结   论

本文对江底河大桥近深切峡谷桥址处风观测数据进行收集、采样和分析，得出以下结论：

1）深切峡谷对风向有比较强的锁定作用;并且对风速有一定加速效果. 尽管如此，峡谷风场与当地气象数据存在着明显的相关性.

2）深切峡谷中各个风向的湍流强度相差较大. 湍流强度随着风速变化使用反比例型函数拟合与实际结果吻合较好;在风速超过8 m/s时湍流强度基本稳定接近规范值的特性.

3）基于实测结果推测，在高风速、风向为顺峡谷方向时，峡谷在顺风向不存在太多阻塞，所以顺风向湍流强度Iu结果与平原区得出的规范值基本相同;横风向与顺风向湍流强度的比值Iv /Iu比规范要求小约3%;竖向与顺风向湍流强度比值Iw /Iu比规范大15%左右.

4）顺峡谷方向湍流积分尺度小于其他方向湍流积分尺度;湍流积分尺度大小随风速增大而增大.

5）高、低风速下实测风谱与Kaimal谱有很大的差别，而与von Karman谱吻合程度更好.

6）实测横风向风谱在低频区域和Panofsky谱吻合较好，在高频区域明显高于Panofsky谱;竖风向风谱明显高于Panofsky谱. 实测横风向、竖风向风谱在低频段与von Karman谱吻合很好，但在高频段存在一些偏高和离散.

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