京新高速（G7）新疆伊吾—木垒段风吹雪特征及危险度评价

王瑞祥， 魏 静， 刘佳昕， 闫志越， 刘 强

（1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044； 2. 中铁建新疆京新高速公路有限公司，新疆 乌鲁木齐 830092）

0 引言

风吹雪是我国北方地区常见的一种自然灾害，是雪在风的作用下迁移、重新沉积的过程。我国风吹雪区域总面积约530×104km2［1］，主要位于新疆中温带、青藏高原寒带、内蒙古温带等地区，其时空分布的不均匀性与季节更替和纬度位置等因素有关，例如，新疆风吹雪灾害频发季节是在冬季和初春，并且多发生于西部和北部山区［2-3］。风吹雪给工农业和交通运输带来严重危害，因此，详尽掌握交通基础设施沿线的风吹雪特征及灾害分布情况，对于防灾减灾和保障交通运营安全具有重要意义。

目前已有较多针对风吹雪灾害预测及危险度评价判定等方面的研究，对采用防治措施起到理论和实践上的指导。例如，在区域雪灾预测及风险评价方面，周晓莉等［4］建立了基于距离函数的雪灾等级评估模型，得出西藏地区发生雪灾次数最多的季节为春季以及21 世纪来发生严重雪灾次数有所减少的结论。王秀琴等［5］利用多指标综合评估法，运用连续型随机变量分布密度近似法，进行了新疆雪灾等级区划。刘强等［6］结合公路的危险性评价、公路系统脆弱性和风吹雪灾害风险分析，建立了黑龙江省风吹雪区域的概率分析模型，用于道路灾害预警，德勒格日玛等［7］基于BP 方法和层次分析法建立了内蒙古锡林郭勒盟雪灾综合风险评价体系，并对其进行风险评价与区划等。上述研究成果给出省域范围的雪灾分布及等级，便于掌握大范围内风吹雪分布，但对于受到风吹雪影响的铁路公路等基础设施而言，沿线风吹雪灾害点多线长面广，因此了解风吹雪危险程度更为重要，霍张丽［8］采用GIS平台结合层次分析法，对新疆精伊霍铁路沿线和试验段雪害进行评价区划，判断出风吹雪灾害的重度危险区位置。吴鹏等［9］基于模糊综合评价法建立了公路风吹雪危险度评价模型，对新疆塔城S201线进行危险度判断，结果与实际基本相符。罗新文［10］利用站点观测和气象数值模拟得出克塔铁路沿线冬季和夏季的主导风向，利用卫星影像和区域气候模拟得出铁路线路方案的积雪分布特征，为确定合理的线路方案提供了科学依据。孙元春等［11］对克塔铁路风吹雪特征进行进一步分析并对危害分区进行评价，结合不同路基形式对风吹雪的影响，确定出霍吉尔特区域为风吹雪防治重点段落。上述学者采用多种评价方法分析了我国新疆北部和西部的公路和铁路风吹雪的危险程度，为防治风吹雪提供了借鉴，但目前，针对新疆东部东天山以北高等级公路风吹雪特征和危险度方面的研究尚较为缺乏。由于风吹雪灾害发展演变会受到所在研究区域地形地貌、风速风向、降雪量等局部气候环境以及路基结构形式等多种因素的共同影响，具有很强的地域性，因此，对于已有相关理论和技术不能照搬或直接应用，需要根据工程实际开展分析。

位于东天山北麓风吹雪灾害易发地区的京新高速公路（G7）新疆伊吾—木垒段，是本区域首条设计时速为120 km 的高等级公路，国防及经济意义重大。由于当地气象站的点位少距离远，气象资料远远满足不了高速公路防风雪设计需求，2021 年6 月30 日高速公路开通运营以来，经历了第一个冬季，面临了若干次风吹雪灾害引起的封路问题。考虑到高速公路路面更宽、附属设施更多以及对运营通行要求更严格的情况，了解京新高速（G7）新疆伊吾—木垒段风吹雪发生和分布的特殊性，掌握其风吹雪特征并进行危险度评价，针对风吹雪灾害发生风险极高的地段提出调整或者增设防雪措施的相关建议，是亟须解决的实际问题。因此，本文通过风速风向远程监测、卫星遥感、现场雪情调研以及模糊综合评价等研究方法，得出了本高速公路沿线的风吹雪特征，给出了风吹雪危险度划分，这对下一步开展风吹雪防治工作具有重要意义。

1 京新高速（G7）新疆伊吾—木垒段项目概况

1.1 工程概况

京新高速（G7）新疆伊吾—木垒段地处哈密市和昌吉州境内，路线自伊吾向西途经巴里坤和木垒县，与奇木高速相连，全长约328.4 km，建设期分为伊吾至巴里坤标段（以下简称YBTJ 段）和巴里坤至木垒标段（以下简称BMTJ 段），标段划分和路线走向如图1 所示。路线行经区域为北温带大陆干旱区、寒温带亚干旱区和亚寒带亚干旱区等气候区，冬季严寒，降雪量大，乱风现象明显，气候条件复杂。据当地气象资料显示，巴里坤县降雪最大积雪深度达380 mm，木垒县最大积雪深度为440 mm，整个冬季降雪日数平均在40 天，降雪量94.4 mm，占全年降水总量的三分之一。巴里坤和木垒地区风向多为南风、西南风和西风。高速公路路线大致为东西走向，风向与路线交角较大，极易发生风吹雪害。高速公路经过的地形地貌也存在较大差异，如山前冲洪积平原、剥蚀—堆积微丘区、台地、山间盆地低中山以及湖相沉积平原等，区域各路段风吹雪害严重程度不一，高速公路的修建改变局地范围内原有的微气候和微地形条件，从而会产生更严重的风吹雪灾害。

图1 京新高速伊吾—木垒段标段及路线走向示意图Fig. 1 Schematic diagram of the bidding section and route direction of the Yiwu-Mulei section of the Beijing-Xinjiang Expressway

1.2 远程监测和卫星遥感

2018—2020 年冬季对处于建设期的该条高速公路全线进行了雪情调查，综合考虑沿线的地形地貌、主导风向、风速大小、风吹雪危害程度、路基填挖高度等因素，重点选择浅路堑、深路堑、互通立交、路堤路堑过渡段以及隧道进出口等风吹雪较严重路段的代表性工点，设置26 处监测点位，实时获取风速、风向、温湿度等数据，如图2 所示。其中，YBTJ 段监测范围为K50+580～K60+600，BMTJ 段监测范围为K148+800～K236+340，这里K50+580 表示的是公路建设期的桩号，即以K0+000 为伊吾至巴里坤设计段起点，K50+580 表示距离标段起点50 km又580 m的位置。

图2 远程监测点位示意图Fig. 2 Schematic diagram of long distance monitoring points

采用自主设计的远程实时监测气象站获取环境温湿度、1.5 m 和3 m 高度的风速风向数据，每套监测设备包含供电保障、数据采集、数据传输和物联网云平台等系统。考虑到沿线部分区域电信信号不稳定且时有信号缺失情况，系统设计中增加了断点传输技术以防止数据丢失。监测时间从2020年11 月11 日至2022 年3 月20 日，数据实时上传至新疆京新高速风吹雪监测物联网平台。

根据京新高速（G7）新疆伊吾—木垒段的经纬度，采用卫星遥感方法，获取国产高分二号卫星影像多景，应用目视解译和自动分类技术，得到较为清晰的高速公路雪地覆盖影像，这对探索利用高分辨率卫星影像得到高速公路积雪覆盖范围提供了可行性和较好的精度，并能够为后续高分卫星影像应用于高寒等条件恶劣地区的交通监测提供技术支持。

2 京新高速（G7）伊吾—木垒段的风吹雪特征

2.1 高速公路沿线的风速风向特征

风是风吹雪发生的重要因素之一，远程监测数据表明，公路沿线的风速风向差异大。筛选出冬季大于4 m·s-1起动风速［12］的实测风速值，分析其出现频率，如图3所示。统计起动风速以上范围的风速频次，利用高德地图开放平台中的数据可视化平台，分析得到风速分布热力图，如图4 所示。确定出公路沿线风力较强易发生风吹雪的路段有：YBTJ 段的K50+000～K56+000，BMTJ 段的K148+800～K155+100和K206+040～K232+980区域。

图3 公路沿线冬季风速分布Fig. 3 Winter wind speed distribution along the expressway

图4 公路沿线风速分布热力图Fig. 4 Heat map of wind speed distribution along the expressway

根据监测的风速风向数据可知，YBTJ 段以西风、西南风为主，BMTJ 段东侧以西北风为主，向西逐渐过渡到以东南风为主，如图5 所示。由于高速公路整体呈东-西走向，主导风向与路线有较大夹角，会加重风吹雪对公路的危害。

图5 公路沿线风速风向分布图Fig. 5 Distribution of wind speed and direction along the expressway： K50+580 of YBTJ tender section （a）；K148+800 of BMTJ tender section （b）； K236+340 of BMTJ tender section （c）

监测数据表明部分路段风向随季节和天气变化大。冬季与夏季风向不同，如图6 所示BMTJ 段的K200+000～K210+000 路段冬季东南风和西北风交替出现，夏季均为偏北风，无偏南风。冬季降雪期间与非降雪期间风向不同，如图7 所示的K210+000～K223+000 非降雪期主导风向为东南风，降雪期间西北风和东南风交替出现。

部分路段主导风向由地形决定，位于峡谷地带的路段主导风向顺应山体走向。包括：K155+100主导风向为西南风，K194+780 主导风向为东北-西南风，K206+040 主导风向为南-北风，K209+390 主导风向为东南-西北风。

2.2 高速公路沿线的雪特征

京新高速（G7）新疆伊吾—木垒段经过的伊吾县、巴里坤县、木垒县2009—2021 年历史降雪量如图8 所示。由图可见，从伊吾县向西至巴里坤县和木垒县降雪量逐渐增加，巴里坤县和木垒县的历史平均降雪量较多，降雪量年际变化较大。2020—2022 年，巴里坤县和木垒县降雪量处于历史高位，单次降雪量最大62.5 mm，调研发现公路路面的积雪最深在100 mm以上。

图8 公路途经县域年降雪量变化Fig. 8 Annual snowfall changes in counties along the expressway

天山冬季积雪密度分别为：新雪（干雪）0.04～0.08 g·cm-3，新雪（湿雪）0.10～0.20 g·cm-3，细粒雪0.11～0.17 g·cm-3，中粒雪0.17～0.23 g·cm-3，粗粒雪0.18～0.24 g·cm-3，融冻雪0.20～0.27 g·cm-3，深霜0.22～0.27 g·cm-3，而美国内华达山脉附近平均雪密度约为0.17 g·cm-3，法国阿尔卑斯山的雪密度约为0.30 g·cm-3，日本山区雪密度约0.35 g·cm-3，格陵兰地区雪密度约为0.32 g·cm-3，北极积雪密度约为0.4 g·cm-3，与上述地区的积雪密度相比较，天山积雪密度明显偏小，属于低密度雪，有利于雪粒起动，形成风吹雪［12］。2019—2022 年冬季雪情调研时测得的项目区域新雪密度如表1所示。

表1 京新高速（G7）伊吾—木垒段新雪密度Table 1 New snow density in Yiwu-Mulei section of Beijing-Xinjiang Expressway

不同时段多次测量项目区新雪密度平均为0.10 g·cm-3，属于新雪（湿雪）类，这是由于降雪期间环境湿度较大导致。2022 年1 月11 日至1 月13日降雪期公路环境湿度变化如图9 所示，降雪期间公路附近环境湿度由47.4%增加至82.5%，降雪停止后下降至19.3%。将地面以上1 m 高度处使雪粒起动运行的风速定义为雪起动风速，新雪（湿雪）的起动风速在3.7～4.3 m·s-1之间［12］。

图9 降雪期间公路环境平均湿度变化Fig. 9 Annual snowfall changes in counties along the expressway

公路沿线积雪遥感图像取自2022年1月11日，图片表明BMTJ段具体公路位置处发生严重的风吹雪，如图10所示。

图10 BMTJ标段路面风吹雪卫星遥感图像Fig. 10 Satellite remote sensing image of snowdrift on BMTJ section： snow in pavement at K203+000 （a）； snow in pavement at K219+540 （b）； snow in pavement at K242+310 （c）； snow in pavement at K243+300 （d）

2.3 易造成积雪的路基形式

京新高速公路（G7）新疆伊吾—木垒段穿越山前平原、低山、丘陵、山间沟谷等地形，路基填挖方高度变化大，部分最大填方挖方达到10 m 以上，低填浅挖或零路基地段也较多。2021—2022 年冬季雪情调研发现，低填浅挖路基是风吹雪灾害最严重的路基形式，其通常位于地形平坦开阔地带，有利于风吹雪发育，路基与两侧地面高差小，风吹雪过程中雪粒更易跃上路面，这是产生路面积雪的前提。此外，安装在路侧和中央分隔带的波形梁护栏改变了路面近地面风的流场分布，波形梁后侧形成涡旋，在路面上形成弱风区，致使风雪流中的雪粒沉积［13］，如图11（a）所示。在半路堑背风坡坡顶，气流导致风雪流贴地附面层分离产生涡旋，由于涡旋的影响，使得雪沉积在坡面并逐渐蔓延至路面，或者路面上的降雪被吹远再被卷回来沉积在路面上，如图11（b）所示，这与文献［14］中阐述的在铁路路基上设置挡风墙后，越过墙的沙粒在墙后风沙流涡旋的影响下发生沉积或被卷回到路基面上的规律类似［14］。

图11 路基积雪Fig. 11 Snow cover on the subgrade： snow cover on the embankment （a）； snow cover on the cutting （b）

3 京新高速（G7）伊吾—木垒段的风吹雪危险度评价

3.1 风吹雪危险度评价模型

风吹雪危险程度受多种因素影响，是一个模糊的概念，因此建立评价模型宜采用模糊综合评价法。模糊综合评价法是建立评价模型以准确反映事物各影响因素与评价指标的逻辑关系，只能以定性或半定量形式来描述和评价［15］。

3.1.1 因素集和权重

本研究中因素集是包含影响风吹雪严重程度因素的集合，用U表示。

式中：u1，u2，...，un为影响因素，根据《公路雪害防治技术规范》（DB 65/T 4185—2019）（以下简称规范）［16］中提及的风吹雪影响因素，结合现场调研，确定主评价因素为自然因素和工程因素。

自然因素包含的子评价因素有：（1）平均风速；（2）主导风向与道路夹角；（3）吹雪频率；（4）最大积雪深度。

工程因素包含的子评价因素有：（1）上风侧开阔地带长度；（2）路线曲率半径；（3）路基高度；（4）路基边坡坡度。各评价因素评价指标和取值范围如表2 所示。为构建广泛应用的评价模型，评价因素取值范围考虑了理论上所有可能情况。

表2 公路风吹雪危险度评价因素指标和取值范围Table 2 The evaluation factor index and value range of road snowdrift

为突出各因素对风吹雪的影响程度，引入权重向量A。

根据规范中的因素影响大小确定各因素权重如表3所示，各级权重满足归一化原则。

表3 公路风吹雪危险度各影响因素的权重分配Table 3 Weight distribution of various influencing factors of road snowdrift

权重向量：A11=（0.33，0.11，0.33，0.23），A12=（0.43，0.14，0.29，0.14），A2=（0.56，0.44）。

3.1.2 评语集

评语集是评价结果的集合，用V表示。

式中：v1，v2，...，vm为因素集中各影响因素的评价结果，根据规范和以往学者研究结果，将风吹雪危险度分为3 类：危险度极高，危险度较高，危险度不高。即：V={危险度极高，危险度较高，危险度不高}。

评价因素和评语组成的两级评价模型如表4所示。

表4 公路风吹雪危险度的层次评价模型Table 4 Hierarchical evaluation model of road snowdrift risk

3.1.3 单因素评价

单因素模糊评价是因素集U中单一因素的评价结果对评语集V中某个评语的隶属程度［16］，各因素对各评语的隶属关系构成评价矩阵。确定隶属函数采用模糊分布方法，总结已有研究结论，各评价因素选用合理的分布类型，并根据规范中界定的部分因素影响程度和大量现场调研观测确定分布参数取值。单因素评价矩阵R1包含4 个自然因素，用变量x表示，见公式（4），其中，变量x在第一行代表平均风速，第二行为主导风向与道路夹角，第三行为吹雪频率，第四行为最大积雪深度。矩阵R2包含4个工程因素，见公式（5），变量x在第一行代表上风侧开阔地带长度，第二行为路线曲率半径，第三行为路基高度，第四行为路基边坡坡度。

3.1.4 多因素模糊评价

模糊综合评价是权重和单因素评价矩阵模糊变换的结果。一级评价计算如式（6）所示。

二级评价计算如式（7）所示。

b1、b2、b3分别为综合评价后对应评语危险度极高、较高、不高的隶属度。按最大隶属度原则，b1，b2，b3中最大值对应的评语为某一路段的风吹雪危险度等级。

3.2 风吹雪危险度评价结果

采用模糊综合评价模型对京新高速伊吾—木垒段进行风吹雪危险度评价得到的风吹雪危险度分区如图12所示，图中红色、黄色、蓝色分别代表风吹雪危险度极高、较高和不高路段，即分别对应图中的危险、较危险和安全分区。

图12 京新高速伊吾—木垒段风吹雪危险度分布图Fig. 12 Distribution map of snowdrift risk in Yiwu-Mulei section of Beijing-Xinjiang Expressway：YBTJ tender sention （a）； BMTJ tender section （b）

风吹雪危险度依据京新高速公路新疆伊吾—木垒段的各路段路基形式、周边环境、实际风吹雪大小、吹雪频率等因素进行划分。根据远程监测、卫星遥感及模糊综合评价方法，确定出风吹雪危险度极高和较高路段如表5 和表6。

表5 风吹雪危险度极高路段范围Table 5 Range of road sections with extremely high risk of snowdrift

表6 风吹雪危险度较高路段范围Table 6 Range of road sections with high risk of snowdrift

3.3 风吹雪高危险度路段现场积雪分析

高危险度路段均为风力较大和雪源处积雪深度大的区域，其满足风吹雪发生的自然条件，该区域的路基设计参数显著增大风吹雪灾害程度，通过卫星遥感结果及2021—2022 年冬季雪情调研验证了前文模糊评级给出的风吹雪危险度分区，在风吹雪危险度极高地段，积雪深度达到100 mm 以上，完全阻断交通，而风吹雪危险度不高的地段路面基本无积雪。

现场雪情调研发现，风吹雪危险度极高路段包括设置波形梁护栏的中低填方路堤和浅路堑。设置波形梁护栏的中低填方路堤段由于风吹雪造成的路面积雪最严重，波形梁护栏［17-19］对路基近地面风场扰动使风雪流中的雪粒通过路面困难，因此大量沉积，而高填方路堤由于上风侧边坡阻挡部分雪粒，到达路面的雪颗粒相对减少，两种路堤路面的积雪情况对比如图13 所示。在风吹雪危险度极高路段如K51+300～K53+300、 K56+900～K59+100、 K154+000～K157+000、K214+000～K216+000 以及K222+000～K223+000均为风吹雪造成的路面积雪类型。

图13 设置护栏段路堤路面积雪图Fig. 13 Snow on the embankment road in the guardrail section： snow on pavement of middle-low embankment （a）；snow on pavement of high embankment （b）

比起波形梁护栏易导致低路堤路面积雪堆积的情况，缆索护栏由于透风率高，对近地面风场扰动小，风雪流可通过路面，如图13（a）中左侧设置缆索护栏，左幅路面无明显积雪。混凝土护栏也易导致雪沉积，如图14（a）所示。其引起的积雪集中在路侧，对行车道通行影响相对较小。桥梁段采用的金属梁柱式护栏对风雪流扰动较小，加之桥面距地面高，不受地面风雪流运动影响，风吹雪对设置金属梁柱式护栏的桥涵段危害较小，如图14（b）所示。设置波形梁护栏的路堤段，适当提高路堤高度或改用透风率高的缆索护栏可有效减轻路面积雪。

图14 不同护栏形式的路面积雪Fig. 14 Snow on pavement surface with different barrier： snow cover of the concrete barrier section （a）；snow cover of beam-column barrier section （b）

工程中常在易发风吹雪路堑段采用路堤式路堑，即在路堑内部填筑路堤，同时开挖路堤两侧土石方，与两侧边坡之间形成一定的储雪空间（积雪平台）。京新高速（G7）伊吾至木垒段的路堤式路堑和积雪平台如图15 所示。积雪平台储雪量受边坡高度影响，平台宽度相同的情况下，边坡越高储雪空间越大。因此，浅路堑位置的积雪平台更容易达到饱和，积雪溢出至路面，如图16所示，风吹雪危险度极高的路段K203+000～K205+000 为此类风吹雪造成的路面积雪类型。

图15 路堤式路堑和积雪平台Fig. 15 Embankment cut and snow platform of Beijing-Xinjiang Expressway

图16 浅路堑路面积雪Fig. 16 Snow on shallow cut road

浅路堑相比深路堑，在设置路侧或中央分隔带护栏路段的路面上产生较多积雪，积雪形成原理与路堤段相同。浅路堑位置可拓宽加深路侧积雪平台，增加储雪量以减少路面积雪。

4 结论

本文通过风速风向远程监测、卫星遥感和现场雪情调研，明确了京新高速公路（G7）新疆伊吾—木垒段风吹雪特征，分析了风吹雪发生的自然因素和工程因素，建立风吹雪危险度评价模型，对全线风吹雪危险度进行划分，给出风吹雪严重地段的路基形式，为本条高速公路开展防风雪措施的设置提供了依据。主要结论如下：

（1）京新高速（G7）新疆伊吾—木垒段新降雪的密度小，远程监测显示沿线风速超过雪起动风速的频率高，高速公路部分路段风向与路线走向垂直或呈大角度，具备发生严重风吹雪害的风场条件。YBTJ的K50+000～K56+000、BMTJ 的K148+800～K155+100和K206+040～K232+980是三处风力较强路段，叠加降雪条件，极易发生严重风吹雪灾害。近年来降雪量年际变化大，例如BMTJ 的K144+000～K259+806降雪量大，具有发生严重风吹雪的雪源条件。当降雪量较大，风速超过雪粒子起动风速时，极易发生风吹雪灾害。

（2）选取自然和工程因素，给出单因素评价隶属函数矩阵和两级评价权重向量，建立公路风吹雪危险度模糊综合评价模型，遵循最大隶属度原则确定风吹雪危险度。经评价得出全线共6处风吹雪危险度极高路段和6 处风吹雪危险度较高路段，卫星遥感资料及高速公路建设和开通运营后的冬季现场雪情调研证明了上述模糊度评价模型的准确性。

（3）分析风吹雪高危险度路段的路基形式发现，低路堤路面的大量积雪由波形梁护栏引起，导致冬季雪后高速公路封路除雪次数较多，建议距离低路堤一定位置可设置挡雪板，或者改用透风率更高的缆索护栏来减轻路面风吹雪灾害。浅路堑的积雪是由于路侧积雪平台储雪量不够导致，易使风吹雪蔓延至路面，增大路侧积雪平台储雪空间可减轻路面积雪，也可考虑在浅路堑来流侧增设挡雪板措施。