青藏高原公路路基周边风场特征风洞实验研究

陈 领， 马 巍， 穆彦虎， 虞 洪， 张 坤， 栗晓林

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2.中国科学大学，北京 100049；3.兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050； 4.甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

青藏工程走廊全长1 120 km，穿越多年冻土区632 km，大片连续多年冻土区约550 km［1-2］。在区域社会经济发展需求推动下，走廊内陆续修筑了大量线性工程。这些重大工程不仅是内地通往西藏的生命线，也是维护国防安全、区域社会稳定的国家战略工程［3-4］。在多年冻土区，工程建设和赋存严重影响原有地-气能量的交换过程，使得工程活动区域内多年冻土升温退化、上限下移、融化夹层发育，由此可导致构筑物基础出现不均匀沉降、路基路面纵向裂缝发育和边坡滑塌等一系列工程病害问题［5-10］。此外，在气候变暖及人类工程活动加剧双重影响下，冻土升温和地下水水位下降导致走廊内植被退化，土地沙漠化趋势加剧，风沙灾害日益严重。沙粒在块石结构中的填充，将导致其内部多孔介质孔隙率降低，对流换热效率下降，进而影响到块石结构类冻土路基的长期冷却降温效果［11-16］。

在青藏工程走廊内，多风气候条件对地表能量收支平衡起着关键作用［12］，流场特征的改变将影响工程走廊内冻土路基冷却降温措施（块石、通风管）的应用效果。目前，针对冻土路基的主动降温措施，研究人员从冷却降温机制、工程结构措施、环境因素影响等方面开展了大量的研究工作。穆彦虎等［17］、孙志忠等［18］研究了块石基底、块石护坡及U型块石路基下部冻土温度场的变化过程，发现冷季的对流降温在保护冻土中发挥着主要作用。吴青柏等［19］、张明义等［20］、赖远明等［21］通过现场实体实验和室内模型实验，研究了封闭与开放边界条件下块石气冷路基的降温机理与过程，并对比了两种条件下的降温效果。针对青藏工程走廊内日益严重的风积沙灾害问题，多位学者结合现场监测及数值模拟分析了沙粒差异化堆积状态对路基下部多年冻土的热影响［22-26］，结果表明薄沙层有利于保护冻土、而厚沙层将加速冻土的退化。上述研究重点关注块石类冷却路基结构自身以及其内部的对流换热过程对下部多年冻土的热影响，但对于风场绕流路基过程及流场速度分区侧向范围较少关注。风场不仅是地-气能量交换及物质运输的主要媒介，也是块石、通风管等冻土路基降温效果的主要环境边界。因此，对于块石、通风管等冻土路基，研究路基迎风坡、路面和背风坡风场分布特征将有助于准确分析块石、通风管等路基的对流换热机制及降温效果。同时，对于多年冻土区线性工程而言，基于双线冻土路基不同布局条件下，探讨双线冻土路基侧向流场分区可为双线路基合理间距布局提供参考依据［27-28］。此外，对于多年冻土区风沙灾害频发区域，冻土路基周边流场速度分区水平范围将直接影响其周围沙粒运移和沉积过程。因此，开展多年冻土区路基周边流场速度分区研究，对于路基工程风沙灾害防治和多年冻土保护同样具有重要意义。

路基高度是影响冻土路基工程热力稳定性的一个重要因素［29］。同时，不同高度的路基其周边风场分布特征也将不同，这会进一步影响到局地的地-气能量交换过程。为此，以青藏公路为研究对象，选取三种典型路基高度，研究不同高度路基周边风场分布特征并进行分区量化。利用中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室大型风洞设备，开展了不同环境风速、路基高度条件下，单幅路基周边风场的分布特征，考察在路基阻碍条件下周边风场的分布特征，以及环境风速和路基高度对风场分布的影响规律及程度，以期为青藏工程走廊路基工程的选线、设计和维护以及沙害频发地区风沙防治提供科学依据。

1 实验设计及方法

1.1 实验设备介绍

本文开展的风洞实验于中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室进行。该风洞为室内闭口直流式风洞，全长37.78 m，实验设备包括实验段、驱动系统和测试系统三部分内容。驱动系统位于实验设备前端由动力段及整流段两部分，前者为实验提供来流流场，流场风速可实现1～40 m·s-1连续可调，后者是将动力段产生的来流进行处理为实验段提供稳定流场，如图1（a）所示。实验段位于驱动系统后侧，全长16.23 m，横断面尺寸为0.6 m×1.0 m，如图1（b）所示。风洞边界层厚度约为12 cm［30］。

图1 直流式风洞Fig.1 Non-circulating blow-type wind tunnel：dynamic system（a）and test section（b）

1.2 实验原理及设计

为保证风洞实验的可靠性，模型实验需要与野外实际情况相似，满足三大相似准则，即几何相似、运动相似和动力相似，相似度越高，实验结果可靠性越高。

（1）几何相似

即模型路基参数（高度、宽度和粗糙度）满足同一比例缩尺，根据已有研究结果和青藏公路路基高度实际统计数据，青藏高原冻土区段路基一般在2～5 m 以内［31］。因此，实验选取路基高度为3、4 和5 m，考虑到风洞中边界层厚度及实验段横断面尺寸，几何相似比取为1∶50，对应模型路基高度分别为6、8和10 cm（均小于边界层厚度12 cm），路基边坡坡度为1∶1.5，如图2所示。由于实验条件的有限，模型尺寸存在误差，实验段表面粗糙度不能完全满足野外实际情况。因此，几何相似条件仅能部分满足。

图2 实验模型路基设计图Fig.2 Schematic of the embankment models with different heights：6 cm（a），8 cm（b）and 10 cm（c）

（2）运动相似

风速廓线形式及流动状态相似（即雷洛数Re相等）。Re定义为

风洞实验中选取的三种风速分别为10、15 和20 m·s-1。根据流体力学定义可得，当Re值大于Recr（临界雷洛数）时，流场运动为湍流状态。由式（1）可知，当实验风速大于2 m·s-1时，实验段流场的运动状态均为湍流运动，即实验段流场可模拟自然状态下流场湍流运动形式。关于风速廓线形式，根据风洞实验段初始风速的测定结果（图3），在3种实验风速条件下，实验段的风速廓线均能满足指数型分布，该廓线形式与青藏高原野外观测风速廓线吻合［32］。

图3 风洞初始流场测定结果Fig.3 Initial wind flow profiles measured in the wind tunnel test

（3）动力相似

即模型流动与原型流动应该受同种外力作用，且对应点上的应力成比例。即满足

式中：F、G、P、R和Fσ分别为合力、重力、阻力及表面张力；下标p和m分别表示原型量和模型量。

动力相似条件下两种流场中力场必定相似，且动力相似是力学相似的重要条件，是实现运动相似的主导因素。本次实验在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室风沙环境风洞完成，该风洞能够满足风沙环境动力过程模拟的动力相似准则。

1.3 数据采集及处理方法

为研究不同高度单幅路基对周边风场分布与风速分区的影响，将实验区设置于所选实验段中部。实验区长度介于4～5 m，以保证路基迎风坡和背风坡两侧受扰动流场能恢复到环境风速状态。图4 给出了实验段测量布设方案。如图所示，在沿洞体轴线水平方向，路基模型迎风坡一侧布设5 个测量点，分别为-1H、-3H、-5H、-8H和-10H（H为模型路基高度，-表示迎风坡侧）；路基背风坡一侧布设10 个测量点，分别为+1H、+3H、+5H、+7H、+9H、+11H、+13H、+15H、+17H和+19H（+表示背风坡侧）。对于路基迎风坡坡面、背风坡坡面和路面，分别均匀布置3个测量点。风速的测定采用可移动毕托管，毕托管共计设置10 个测量高度，沿竖向高度分 别 为0.6、0.9、1.5、2.2、4.3、8.3、12.3、16.2、20.3 和24.2 cm。实验过程中通过移动毕托管的位置来测定不同位置风速廓线变化。实验数据的采集使用FSKX-10 数字式风速廓线采集仪，该仪器由设备由中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室研制，结合配套的数据采集软件可得到每一个测点的风速廓线，数据采集时间间隔为2 s，采集时间为30 s，实验数据通过配套的软件可得到该测点在该时间段内的平均值风速。

图4 风洞路基风速测点布设Fig.4 The layout of test sites around the embankment in the wind tunnel test

2 结果与分析

2.1 不同高度条件下路基周边流场特征

图5中给出实际路基高度为3 m（模型路基高度6 cm）、路面宽度为10 m（模型路面宽度20 cm），环境风速为10 m·s-1条件下路基周边流场速度云图。由图中可以看出，流场在靠近、翻越、远离路基过程中，在路基的影响下坡前、路面及坡后不同区域内流场变化趋势不同。其主要表现为：路基迎风坡前侧，流场速度降低在迎风坡坡前形成减速区（Ⅰ）。随后，在迎风坡坡面上，流场气流沿坡面遇阻抬升，速度逐渐增加，在路基路面上部形成一个明显的加速区（Ⅱ），且受路肩“集中”效应影响，迎风坡路肩处风速增长幅度达到最大值。当风场越过路基后，流场与路基路面分离，流场气流下沉，形成坡后扰动区（Ⅲ），该区域存在流场速度的最小值，且受路基高度及环境风速影响，甚至在坡脚附近出现流场回流现象。而随着流场背向远离路基，路基对流场的扰动减弱消散，流场风速逐渐恢复原始运动状态。

图5 路基周边风速分布云图Fig.5 Wind speed distribution around the embankment

为掌握不同高度路基对其周边流场速度分区范围的影响，图6 给出了实际路基路面宽度为10 m（模型路面宽度为20 cm）、环境风速为10 m·s-1，实际路基高度3、4 和5 m（模型路基高度为6、8 和10 cm）路基高度条件下的路基周边风速分布云图。从图6 可以看出，不同路基高度周边流场速度变化形式基本相同，但受路基高度影响，路基周边速度分区的侧向范围存在显著差异性。路基坡前扰动区为流场减速区（Ⅰ），该区域风速值小于初始环境风速下同高度处风速值，且由图6中可知，三种高度路基坡前扰动风速最大达到8 m·s-1。因此，根据8 m·s-1的风速等值线变化可以看出，当路基高度H=3 m时，坡前减速区（Ⅰ）水平范围约为1.8H，而当路基高度H=4 和5 m 时，减速区（Ⅰ）水平范围分别为2.2H和2.5H。对于路基上部加速区，由于路基坡面上流场遇阻抬升，风速值逐渐增大，路基高度为3 m 时，迎风坡路肩对应的风速值约为10.7 m·s-1，路基高度增加到4和5 m时，路基迎风坡路肩对应风速分别为12.2 和13.4 m·s-1。与环境风速中同一高度处风速值相比，三种路基迎风坡路肩对应风速分别增加了24%、34%和41%，其说明路基高度越大迎风坡路肩“集中”效应越显著，风速增加幅度越大。而对于路基坡后扰动区而言，3、4和5 m高度路基所对应扰动区水平范围分别为11.0H、12.2H和12.9H。

图6 环境风速为10 m·s-1条件下不同高度路基周边流场分布云图Fig.6 Wind speed distribution around the embankments with different heights under the ambient wind speed of 10 m·s-1：6 cm（a），8 cm（b）and 10 cm（c）

此外，由图6中坡后扰动区（Ⅲ）可以看出，在背风坡坡面和坡脚附近流场风速下降趋势明显，并随着流场背向远离路基，路基对流场的扰动效应逐渐弱化直至消失，流场逐渐恢复初始运动状态。因此，根据坡后流场风速值大小及风向，可进一步将坡后扰动区流场划分为低速回流区和消散恢复区。受实验毕托管限制，实验无法测得背风坡坡面处流场的回流风速，但结合已有的研究结果［33］及流场气压分布梯度可以看出，三种高度路基背风坡坡面及坡脚附近均存在流场风速回流现象，当路基高度为3、4和5 m时，其坡后低速回流区水平范围分别为2.0H、3.0H和4.1H。消散恢复区位于回流区后侧，3、4和5 m路基对应消散恢复区水平范围均约为9.8H。

对比分析10 m·s-1环境风速条件下三种高度路基迎风坡前减速扰动区与坡后低风速扰动区可以看出，路基高度与路基两侧扰动范围存在良好的线性关系（图7）。随着路基高度增加，路基坡前减速区、坡后低速回流区水平范围均逐渐增加，说明随着路基高度的增加，其对原始流场运动状态的扰动越显著。

图7 坡前/坡后扰动水平范围与路基高度关系曲线Fig.7 Horizontal range of disturbed area at windward/leeward slope toes vs.embankment hight

2.2 不同环境风速条件下路基周边流场特征

图8 给出了环境风速为10、15 和20 m·s-1条件下，3 m 高路基（模型路基高为6 cm）周边流场分布云图。由图8 可以看出，环境风速为10、15 和20 m·s-1时，路基对其周边近地表流场的最大扰动速度分别为8、12 和18 m·s-1，对应竖向高度分别为1.1、1.4和3.0 m。以最大扰动速度为标准来看，随环境风速增加，同一路基高度条件下路基坡前、路面、坡后速度分区范围差异较大。环境风速为10、15 和20 m·s-1时，3 m 高路基坡前风速减速区（Ⅰ）水平范围分别为1.8H、2.2H和5.5H。在路基迎风坡坡面上风速梯度逐渐增加，等值线分布愈加密集。流场平均风速（实验所测10 个高度处风速的平均值）最大值出现在路基迎风坡路肩处（图9）。然而，在路基坡后，环境风速的增加对坡后低速回流区影响较小，其影响水平范围主要集中在坡后2.0H内。

图8 不同环境风速条件下6 cm高路基周边流场分布云图Fig.8 Wind speed distribution around 6-cm high embankment with different ambient wind speeds：10 m·s-1（a），15 m·s-1（b），and 20 m·s-1（c）

图9 不同风速条件下路基周边平均风速变化曲线Fig.9 Variations of average wind speeds around the embankment under different ambient wind speeds

考虑到路基高度及环境风速对路基周边流场速度分区的共同作用，表1～2 中分别给出不同环境风速条件下，路基高度为4 和5 m 时，路基周边风速分区的相关参数。从表1、2 和图8 可以看出，三种路基高度下，坡前减速区（Ⅰ）水平范围均随着环境风速的增加而增大。此外，环境风速增加，三不同种高度路基路肩处风速变化幅度均呈上升趋势，表明随着环境风速的增加，路肩处的“集中”效应越显著。而在坡后低速回流区，同一路基高度下，不同环境风速对低速回流区的影响较小。因此，对于普通填土路基而言，布设合理的防护措施有利于减小路肩“集中”效应对路基的风蚀作用。

表1 H=4 m路基周边风速分区相关参数Table 1 Zoning parameters of wind flow around the 4-m high embankment

2.3 路基坡前不同高度处风速变化特征

为掌握不同环境风速条件下，路基坡前减速区（Ⅰ）范围内不同高度处流场风速变化情况，图10中给H=3 m 高路基（模型路基高度为6 cm）坡前5H范围内0.3、0.6、1.1 m 高度处风速沿水平方向的变化。由图9 中可以看出，随着流场距离路基坡脚距离的减小，流场风速受路基扰动状态越显著。因此，通过引入速度曲线平均变化率来衡量流场在坡前减速区（Ⅰ）范围内扰动风速平均变化率。表达式为

表2 H=5 m路基周边风场分区相关参数Table 2 Zoning parameters of wind flow around the 5-m high embankment

图10 不同环境风速条件下6 cm高路基坡前不同高度处风速变化曲线Fig.10 The wind speeds at the heights of 0.6 cm，1.2 cm and 2.2 cm before 6-cm high embankment with different ambient wind speeds：10 m·s-1（a），15 m·s-1（b）and 20 m·s-1（c）

式中：U为流场水平方向速度；Umax和Umin分别为某一高度水平方向上流场最大速度和最小速度；ΔH为最大速度与最小速度之间距离（单位为路基高度H）。

根据扰动区内流场风速的变化趋势，式（3）中三种高度处Umax均为5H处对应的风速值，Umin为坡脚处对应风速值。因此，由式（3）可得，当环境风速为10 m·s-1时，坡前三种高度处风速的平均变化率K0.3、K0.6和K1.1分别为0.22 m·s-1·H-1、0.30 m·s-1·H-1和0.28 m·s-1·H-1（K0.3、K0.6、K1.1分别对 应0.3、0.6、1.1 m 高度处速度变化曲线的K值）。当环境风速增加时，坡前减速区（Ⅰ）内风速的变化总体规律基本不变。不同高度处，随着风场距路基坡脚距离的减小，风速呈下降趋势。然而，对比同一高度处风速变化率，随着环境风速的增加，风速变化率逐渐降低（表3）。因此，通过对比不同环境风速条件下三种高度处的风速变化率可以得出，流场在朝向路基运移过程中，在三种环境风速下，不同高度处风速的衰减率不同，最大衰减率出现的位置为0.6 m 处，衰减幅度为对应高度处初始环境风速的27%～30%。

表3 环境风速为15和20 m·s-1条件下不同高度处流场的衰减率Table 3 Wind speed attenuation rates at different heights with the ambient wind speeds of 15 and 20 m·s-1

3 结论

针对多年冻土区线性工程周边流场风速的分布特征，以青藏公路路基为对象，通过室内风洞实验，研究了不同高度、不同环境风速条件下路基周边流场风速分布特征并进行了分区量化，结论如下：

（1）未受扰动流场自远场靠近、翻越、远离路基过程中，根据路基周边流场风速变化特征可分为3个区域，即坡前减速区、路面加速区和坡后扰动区。针对块石、通风管等气冷冻土路基而言，路基坡前减速区、坡后扰动区流场风速变化应当重点关注，该区域速度大小及方向将影响气冷类冻土路基内部的对流换热效率。此外，在风沙灾害频发区域，路基坡前减速区和坡后扰动区沙粒沉积可能存在差异。

（2）同一环境风速条件下，随着路基高度增加风场扰动水平范围逐渐扩大。当环境风速为10 m·s-1时，3、4和5 m高模型路基坡前减速区水平范围分别为1.8H、2.2H和2.5H；坡后低速回流区分别为2.0H、3.0H和4.2H。在冻土区修筑分幅路基时，建议考虑流场分布对主动冷却路基降温效果，分幅路基布设间距应大于低速回流区范围。

（3）随环境风速增加，路基坡前风速扰动水平范围逐渐扩大，环境风速由10 m·s-1增加至20 m·s-1时，3 m 高路基坡前减区水平范围由1.8H增加至5.5H。此外，在坡前减速区内，同一高度处，随环境风速的增加，风速沿水平方向衰减幅度呈下降趋势。对于坡后低速回流区，环境风速的增加对其分区影响较小，10、15和20 m·s-1环境风速条件下，3 m高路基低速回流区水平范围均集中在坡后1.8H内。此外，环境风速增加将强化路肩处流场“集中”效应，风速越大路肩处风速增加幅度越大。

（4）路基对风场的最大扰动水平范围包括低速回流区和消散恢复区两部分。同一环境风速条件下，在扰动区水平范围内，路基高度的增加，对低速回流区水平范围的影响大于消散恢复区。当环境风速为10 m·s-1，3、4 和5 m 路基坡后水平扰动范围分别为11.0H、12.2H和12.9H，而对应的消散恢复区水平范围均约为9.8H。

致谢：感谢中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室屈建军、李宏、谢胜波和谭立海四位老师在实验过程中的指导与帮助。