（环境工程专业论文）高速公路生态型声屏障评价指标体系研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h e r ei sal a r g en u m b e ro fh i g h w a yn o i s eb a r r i e ri st oc o n s t r u c tw i t hh i g h w a yr a p i d d e v e l o p m e n ti nc h i n a sw e s t e r nr e g i o n b u tt h et r a d i t i o n a ln o i s eb a r r i e ro fs i n g l es t r u c t u r e t h a tl a c ko fl a n d s c a p ee f f e c ta n de n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o na r ea l r e a d yc a l l tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fe c o l o g i c a lh i g h w a yc o n s t r u c t i o no fc h i n ai nr e c e n ty e a r s ，s ot h eb u i l do f e c o l o g i c a ln o i s eb a r r i e ri se x t r e m e l yu r g e n t b u ti n r e c e n ty e a r st h er e a s e r c hi nf i e l do f e c o l o g i c a ln o i s eb a r r i e ri s n td e p t he n o u g h ，e s p e c i a l l yw e a ki nt h ef i e l do fe v a l u a t i o n ，a l lo f t h i sb e c o m eo n eo ft h em a i nf a c t o r st h a th i n d e rt h es t u d ya n dc o n s t r u c t i o no fh i g h w a yn o i s e b a r r i e r t h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fh i g h w a yn o i s eb a r r i e rn e e dt ob e e s t a b l i s h e dt og u i d ea n dr e g u l a t et h ec o n s t r u c t i o no fe c o l o g i c a ln o i s eb a r r i e r s t h er e a s e r c ho fh i g h w a ye c o l o g i c a ln o i s eb a r r i e re v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mw a sr e p l y e d o nt h es u b j e c to ft h ew e s t e r nh i g h w a ye c o l o g i c a ln o i s eb a r r i e ra p p l i c a t i o nr e a s e r c h c o n s t r u c tt h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mb a s e do na n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s e s t a b l i s h e dt h e i n d e x s y s t e m s t r u c t u r el e v e l t h a tc o n s t i t u t eo ff o u rc r i t e r i o ns t r a t ai n d e xi n c l u d e f u n c t i o n a l ，e n v i r o n m e n t a l ，l a n d s c a p e ，e c o n o m i c a l a n dt w e n t y - t h r e e s p e c i f i c i n d i c a t o r s b y c o m b i n i n gp r o p h a s es u r v e ya n a l y s i sa n de x p e r t si n v e s t i g a t i o nr e s u l t s t h e nu s i n g t h ee x p e r t s c o n s u l t e dm e t h o dt oc a l c u l a t et h ei n d e xw e i g h tt oc o n s t r u c tac o m p l e t es e to fh i g h w a y e c o l o g i c a ln o i s eb a r r i e re v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m t h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mi su s e dt oe v a l u a t et h r e eo p t i o n a ld e s i g ns c h e m e so f e c o l o g i c a ls o u n db a r r i e r si nw o r k s i t e ，a n dr e c o m m e n d e dt h eb i o m a s s p l a t et y p en o i s eb a r r i e r s w h i c hi sr e l a t i v e l yh i g h e rs c o r e da so p t i m i z a t i o ns c h e m e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h i se v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mc a no b j e c t i v e l yr e f l e c tt h eh i g h w a ye c o l o g i c a l n o i s eb a r r i e r sf e a t u r e s ，a n dt h ee v a l u a t i o nr e s u l t si sm o r er e a s o n a b l et ob eu s e da sai m p o r t a n t b a s i sf o rc o n s t r u c t i o ns c h e m e ss e t t i n go fh i g h w a ye c o l o g i c a ln o i s eb a r r i e r s k e y w o r d s ：h i g h w a y ；s o u n db a r r i e r ；e c o l o g i c a l ；e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题背景 近年来，我国高速公路建设发展非常迅速，特别是西部地区的高速公路建设更得 到了巨大的推进，以四j i i 省为例，根据新近调整的四川省高速公路网规划( 2 0 0 8 - 2 0 3 0 年) ( 川府i 霾 2 0 0 9 1 4 4 号) ，高速公路建设总规模将达到1 2 万k m 。截止2 0 1 0 年9 月，四j ii 省高速公路已建通车里程达2 3 0 3 k m ，在建里程约3 5 9 0 k m 。高速公路的 迅速发展必将造成更加严重的噪声污染，而声屏障作为一种防治高速公路噪声的最有 效途径在国内外均已经得到了广泛应用。根据前期调研，我国西部地区高速公路虽然 建设了大量的声屏障，但大都采用传统的材料及构型，景观效果较差，环境友好性不 足，与我国当前建设生态高速公路的宗旨不相符合。因此，在保证降噪性能的基础上， 兼具良好的环保性、景观协调性以及经济优势的综合性能更优的生态型声屏障逐渐成 为未来高速公路声屏障的发展方向，建设生态型声屏障是一种必然的趋势。 但是目前生态型声屏障还只停留在概念的层面，国内外对其研究还存在诸多不 足，有着不少诸如生态型声屏障概念不明确，缺乏相关的法律规范、研究不够系统深 入、缺乏工程应用经验等问题，特别是其评价方面尤显薄弱。此外目前声屏障研究发 展迅速，我们对于声屏障发展前沿的掌握还不足，缺乏对生态型声屏障研究的指导和 参考。各种类型声屏障的降噪效果不明确，对于传统声屏障存在的问题以及生态型声 屏障适宜使用的材料和构型还缺乏判断。这都成为了阻碍我国西部地区生态型声屏障 发展的关键因素。因此，建设西部地区高速公路生态型声屏障评价指标体系已经成为 我国西部地区高速公路建设的一项重要课题。 通过建立西部高速公路生态型声屏障评价指标体系，可以进一步明确生态型声屏 障的概念和标准，对西部地区高速公路声屏障建设提供明确的指导和参考。 1 2 高速公路发展及交通噪声污染防治 1 2 1 高速公路发展概况 随着汽车工业的发展，世界汽车运输业出现了急剧的增加，从2 0 世纪5 0 年代起， 世界上许多发达国家开始大量地修建高速公路l l 】。之后一些发展中国家也逐步开始建 设高速公路。高速公路的建设和运营已经在一定程度上改变了世界交通运输的宏观格 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 局，进一步体现了公路运输灵活便捷以及运行速度快等优势，产生了巨大的经济和社 会效益，有力促进了全世界各国经济社会的发展。发达国家如德国，其高速公路里程 居世界第三位，美国9 0 年代初期高速公路总里程已达8 8 万k m ，为世界上高速公路 总里程最长的国家。日本于6 0 年代建成了第一条高速公路后，高速公路的建设发展 非常迅速，目前已形成以首都东京为中心，贯通南北的高速网。而英、法国等国家高 速公路建设也处于迅速发展阶段。截止目前，已有约6 0 个国家和地区修建了高速公 路。 相比于国外，我国高速公路建设发展较晚。1 9 8 8 年1 0 月我国大陆地区第一条高 速公路沪嘉高速公路正式通车【2 捌。至2 0 0 9 年底，全国高速公路通车总里程约6 5 万 公里，处于世界第二位。随着已建高速公路的逐步投入使用和一些在建高速公路项目 的陆续完工，我国高速公路的运输规模正处于快速膨胀期。根据国家交通运输部统计， 截止到2 0 1 1 年1 月，我国高速公路已建成7 4 0 0 0 多公里，保持世界第二位。根据我 国高速公路建设规划，将在2 0 1 0 年末完成西部开发计划中涉及的8 条省际通道其中 的高速公路【4 1 。截止目前全国高速公路总里程超过1 0 0 0 公里的省份已经超过一半5 1 。 大规模的高速公路建设，促进了沿线产业带和经济带的生成，带动了当地经济发 展，同时也给沿线地区的生态、生活环境带来了一系列影响，其中噪声污染问题尤为 突出。 1 2 2 高速公路交通噪声污染的影响与防治 高速公路交通运输噪声，是指高速公路中机动车辆行驶时所产生的干扰周围环境 的声音。我国环境噪声污染防治法1 6 1 中明确要求对高速公路交通噪声加以有效控 制。高速公路交通噪声污染与铁路交通噪声、机场交通噪声等其他污染相比，影响范 围更大，是一类主要的环境噪声污染源。所以，对高速公路噪声进行防治是解决公路 运营期环境污染的重要环节。 1 2 2 - l 高速公路噪声的特性 由于高速公路的普遍设计车速均在8 0 k m h 以上，而且采用了全封闭、全立交的 路线形式，道路实际车速得到了较好的保证，车辆通常都能保持较高的车速连续行驶。 高速公路运营期的交通噪声将对环境产生长期的负面影响，因此应成为高速公路噪声 防治重点，交通噪声主要与车辆种类、交通行驶速度、路面、道路基础填方形式和高 度、汽车鸣笛以及公路路线技术指标等因素有关【7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 量曼皇皇曼曼曼曼皇皇皇量皇量曼曼墨量量量曼曼曼曼篡鼍曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼍鼍曼曼曼皇曼曼曼皇曼皇蔓曼! 皇曼曼鼍舅舅曼曼量曼曼曼曼量曼皇曼曼皇i 曼毫曼曼曩 另外高速公路交通噪声与城市道路有着明显的频谱特性差异，张瑞华等【8 】对京福 高速泰安段的噪声频谱特性进行了研究，结果表明与城市道路相比，高速公路交通噪 声中轮胎噪声等低频噪声占主要因素，且明显更多的载重车辆使其低频噪声特性更加 突出。他们同时还对高速公路噪声的多普勒效应进行了研究，结果表明在高速行驶的 情况下，交通噪声具有明显多普勒效应，汽车在驶近受声点时噪声峰值比驶离接受点 时高，这就说明，针对高速公路噪声源的特性，声屏障设计时应当在车辆驶近的方向 端更长，从而保证对位于屏障端头附近保护目标的降噪效果。 高速公路上的车辆主要由大卡车、大客车、中客车、小型车等组成。高速公路交 通噪声的日变化规律根据其类型不同而有所区别。对于承担邻近城市间路段交通运输 的道路( 如省网高速公路) 来说，夜间车流量明显低于昼间，交通噪声级略低于昼间。 但对于承担远距离运输任务的道路( 如国网高速公路) 来说，昼夜间交通量相差不大， 噪声级也接近。由于夜间是居民休息的时间，噪声达标要求更高，因此无论哪种类型 的高速公路夜间噪声危害均高于昼间，夜间噪声污染程度较重。特别对于国网高速公 路，由于夜间大型载重汽车比例增加，且单车噪声级更高，造成了高速公路夜间噪声 污染远超城市道路的特殊现象【9 】o 1 2 2 2 高速公路噪声的影响 交通噪声会对人的健康造成危害，干扰居民、学校和沿线各单位的正常工作和生 活秩序，降低人们的生活质量。严重时甚至可能会引发纠纷或群体性事件，影响社会 安定和公路的正常运营。此外，交通噪声还会严重影响到高速公路沿线的经济产业发 展。如房地产、商厦、工厂等在受到交通噪声影响后其经济效益和生产效益都有不同 程度的下降【1 m 1 1 1 。另根据有关交通部门调查，全国8 0 左右的高速公路交通干线两侧 距离路中心线2 0 0 m 范围内，噪声超标现象严重，这意味着治理高速公路噪声污染已 到了刻不容缓的地步。 1 2 2 3 高速公路噪声防治措施 目前高速公路噪声的防治工作主要从技术和管理两方面着手进行。技术上主要包 括噪声源的控制、传播途径中的降噪措施以及道路合理选线、公路设施和建筑布局改 进等措施；管理上主要包括定期的监测分析、制定各种法规和标准以及加强交通运输 管理。 目前各国在高速公路交通噪声防治领域进行了大量研究，相对来说比较有效的措 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 施主要包括研制低噪声车辆、公路设计改进、声屏障建设、合理规划建筑布局以及实 施必要的法规和标准等。具体介绍如下： 合理规划高速公路网 高速公路路线布设和设计对交通噪声防治起着至关重要的作用【1 2 1 。道路选线除应 考虑行车安全、工程量少等工程因素外，还应合理控制路线与敏感点之间的距离，尽 量避开居民区、医院、学校等环境敏感点。路线位于城市区域段应靠近市区，但是不 能进入市区，从而在保证带动城市经济发展的同时不带来噪声污染，减少公路运营期 噪声防治投资1 1 3 】。 低噪声路面 轮胎噪声是交通噪声的主要组成部分之一。低噪声路面是指在普通路面上铺筑一 层具有较高空隙率的沥青混合料。混合料内部互通的空隙网和路面良好的平整度有效 地降低了车辆的冲击噪声和轮胎噪声。低噪声路面可降低路面噪声3 - - , 8 d b ( a ) t 1 4 】。但 这种路面尚存在着强度小、使用寿命短，且其降噪效果容易受粉尘等堵塞空隙的影响 而下降的问题，因此对低噪声路面的研究尚处于发展阶段，对其在高速公路上进行实 际应用更有待进一步的研究和实践。 低噪声车辆 对属于主要噪声源之一的车辆行驶时本身噪声的控制也是防治高速公路噪声污 染的直接措施。目前的研究主要集中在通过机械设计改进和生产工艺改革实现有效声 辐射面积的减少，提高噪声辐射结构阻力或采用噪声更小的机动车，并严格执行我国 机动车辆噪声标准等方面。控制车辆噪声是一种主动降噪措施，是治理公路交通噪声 的最根本方法之一。但是要达到此目标需要很长的研究周期并且投资额巨大，短期内 不可能完成【15 1 。 林带绿化减噪应用研究 在高速公路与居民区之间种植宽阔的林带，可有效地防治噪声，生态效益明显， 且能有效缓解人们对噪声的心理不适感。但林带需要有相当的高度和长度才有降噪效 果。相关研究表明，林带每10 m 的降噪量在3 d b ( a ) 左右t 1 6 】。根据对沪嘉高速公路进 行的测试结果可以看出，林带每1 0 m 平均降噪量约2 9 d b ( a ) 。国外学者如r e e t h o f 等 【1 7 】的研究表明林带宽度要达到3 0 m ，才能对噪声产生较好衰减效果，同时建议绿化带 不宜超过6 0 m t l a l 。但是针对我国耕地少、人1 2 1 多的实际国情，国家对土地的使用制定 ，5 d b 夏：焉曼三翥黑竺，声在传播过程中产生明显的附加衰减，般可降噪5 ：黧= 熹黧竺a ? 撇研究；：淼路蒜二 恭黧竺黧竺竺尸懒效果茹三蒜黧黛? ” 萎：黧兰黧喜黧竺薹琶敏感点时，声屏障三主二二震兰蔷茅兰罢莩纛 篡篡黧竺竺嘛懈华忑：罴鬻嚣 茎黧勰竺麓燃磊某篡一 萎主鋈嚣耋零= 竺蚕? 耋他有效措施进行：；纛篡恐羔量嚣善譬 = 嚣纛黧黑辫懒果更谥。嚣茎麓竺 重要竺优点，具有很强的可行性，因此在国内外得；i 三高? 期更短，司拆换等 1 3 高速公路声屏障发展研究概况 声点蓍鬈：霎芸孚詈竺理兰薹竺苎苎更斯菲涅耳的波动理论，通常采用在声源与受 嚣嚣竺篓奏竺：量竺竺结构形式，当交通噪；磊篡荔茎罩：雪嚣 兰了怒兰黛黧跫f4 , r 嘲磊茹萎荔黧嚣 麓篡震的黧黧臌蹦反嘉路焉纛裟：篡 鼬船婶熊播缈透椭煅酰并茹乏茹嚣喜嚣 必 一堡型龇l我 么。_ 弹泣，7 u 一 图卜1 声波传播途径 接收点 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 声屏障的降噪效果主要取决于声波沿这三条路径传播的声能分配。声源辐射的声 波在屏体背后形成“声影区 ，其大小取决于声屏障的有效高度、在声源与受声点之 间的位置以及噪声频率。位于“声影区 内区域的噪声级低于未设置声屏障时的噪声 级，受声者可感到噪声有明显降低，这就是声屏障降噪的基本原理。 1 3 2 声屏障发展概况 1 3 2 1 国外高速公路声屏障发展概况 国外发达国家特别重视高速公路运营对环境的危害。对穿过市区和居住区的高速 公路、铁路、高架桥的两侧普遍设置声屏障，起到了较好的噪声防治效果。世界各国 学者早在多年前就对对交通噪声防治技术开始进行研究，至今已在声屏障的设计和施 工等方面进行了较为深入的研究和大量实践，积累了丰富的经验。 为使建造声屏障更加规范化，一些国家相继出台了公路声屏障设计和建设规范。 美国于1 9 7 6 年颁布了声屏障设计手册和高速公路声屏障选择设计和施工经验 【1 9 】，日本和德国也相继发布了相关公路环保规范和噪声污染防治法规。法国在6 0 年 代就己开展了声屏障研究，实施了大量工程口o l 。以上这些发达国家采用工业化生产线 生产声屏障构件，并在其标准规范、造价及道路景观效果等方面进行了研究。 据统计1 2 1 】从2 0 0 2 年开始，美国在声屏障的材料使用上进行了更为深入的研究， 在声屏障市场上陆续推出以环保、便于安装为主题的声屏障屏体材料。日本至1 9 9 0 年全部道路声屏障总长度已达1 5 7 3 公里，其中高速公路上的声屏障为1 3 7 公里。由 此可见，声屏障在国外已经被大量广泛的应用于高速公路噪声防治，形成了相对完善 的建设体系，其技术和市场都较成熟。近年来，国外关于高速公路声屏障的研究和应 用技术均在不断发展中，总的来说有如下趋势1 2 2 】：注重声屏障景观设计；采用低 成本材料建设公路声屏障；提倡在声屏障内、前与后引种各类植物；利用回收的 废旧物制造声屏障；研发多功能声屏障。 1 3 2 2 国内高速公路声屏障发展概况 声屏障作为一种有效的噪声控制手段在我国高速公路噪声防治工程中已经逐渐 开始应用。8 0 年代末，在我国一些城市路段相继出现了少量声屏障。而高速公路声屏 障是始于1 9 9 2 年贵黄高速贵州工业学院路段上的百米试验性声屏障，这是我国首次 将声屏障应用于高速公路上，作为高速公路的一种交通噪声控制措施。由于我国声屏 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 障的研究应用起步晚，所以高速公路声屏障的建设仍然处于起步阶段，总体规模较小， 结构形式较为单一。同时还存在外观造型流于形式，结构落后，可选择的吸隔声材料 范围有限等问题。另外从已建高速公路声屏障的降噪效果来看，普遍与设计目标值相 差较大，理想的可达9 6 d b ( a ) ，但基本不超过1 0 0 d b ( a ) ，与国外有一定的差距。 我国在1 9 9 6 年1 0 月2 9 日第八届全国人民代表大会常务委员会第二十二次会议 正式通过了环境噪声污染防治法，这标志着我国在环境噪声污染防治方面制定了 明确的全国性法律文件，提出了对于环境噪声污染的防治措施。其中明确了在距离噪 声敏感点较近的高速公路路段有必要建造声屏障。随后相继发布的声屏障声学设计 和测量规范( h j t 9 0 2 0 0 4 ) 、公路声屏障材料技术要求和检测方法( j t t 6 4 6 2 0 0 5 ) 等规范更加明确地规范了声屏障的设计、测量方面的技术要求，标志我国声屏障的设 计建设步入了有规可依的阶段。 关于高速公路声屏障降噪效果的研究国内也较少。国内公路部门曾于“七五”期 间开始对高速公路交通噪声进行研究，但是着重于环境影响评价，在降低噪声的实用 措施方面，研究较少。近年来，随着经济的发展和高速公路的大规模建设，声屏障的 需求量逐渐增大，对于高速公路声屏障的相关研究逐渐增多。国内不少学者从声屏障 材料、结构型式、降噪效果等方面进行了一定程度的探索，形成了一些成果，也提出 了不少针对我国高速公路特点的声屏障设计建设方案。但是仍处于初步阶段，研究的 问题不够广泛，研究深度不足，实际应用意义不大，同国外相关研究现状相比还有一 定的差距。另外，从经济效益和环境效益的角度来说，国内现有声屏障受环境影响较 大，寿命相对较短，而且声屏障材料价格较昂贵。若使用透明材料，又易发生眩目、 反光、破损等现象，需要经常清洗和维护。此外，国内现有的声屏障设计从环保和景 观的角度考虑还很不够，使用的材料如吸声纤维等对环境污染较大。声屏障的景观性 也普遍较差，大多未进行景观美化或绿化，结构形式也较单一。 1 3 3 声屏障研究概况 1 3 3 1 声屏障材料及构造研究概况 声屏障材料主要分为隔声材料和吸声材料两类。其中隔声材料一般包括混凝土 类、金属板类、有机复合玻璃类、有机塑料类等，我国高速公路声屏障目前最常采用 的隔声材料为f c 板、p c 板、彩色夹芯板等。吸声材料及构造按其吸声原理基本可分 为多孔吸声材料及结构、共振吸声以及穿孔板吸声结构。据大量研究应用表明多孔吸 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 声材料对中高频噪声有较好的吸声作用；共振吸声结构主要对低频噪声具有吸声效 果；微穿孔板吸声结构只具备吸声频带宽等优点。 多孔吸声材料主要包括纤维类材料、泡沫类材料、建筑类材料以及新型复合多孔 吸声材料等。国内的闵玉兵、杜鹏【2 3 1 、杨满宏【2 4 】等以及国外的如r a i m o n d a s g r u b l i a u s k a s 2 s 】等学者对纤维类材料吸声性能进行了研究，印证了纤维类材料的良好 吸声性能。多孔吸声结构主要包括吸声板结构、吸声尖劈两种，在多孔材料实现吸声 效果的同时采用吸声结构可以增强声屏障的降噪效果。 共振吸声结构弥补了多孔吸声材料及其吸声结构通常对中高频噪声吸声效果较 好，但对低频噪声吸收性能差的不足。常用的有薄板共振吸声结构、薄膜共振吸声结 构、穿孔板吸声结构。 微穿孔板吸声结构是我国著名声学专家马大猷教授经过多年实验研究，提出的新 型吸声结构。这种吸声结构克服了穿孔板吸声结构存在吸声频率窄的缺点，并具有结 构简单、加工方便，特别适用高温、高速、潮湿及要求清洁卫生的环境下使用等优点。 近年来对于吸声材料及构造的研究正在从过去单一吸声功能向吸声性、力学性 能、经济性、环保性和景观性等总体性能更优转变。目前研究的热点之一就是“声学 柔性表面材料 。该声学柔性材料的表面阻抗为零，满足d i r i c h l e t 边界条件，即在边 界上过剩压力为0 ，因此具有这种表面的声屏障将具有优异的降噪效果。t a k a s h i i s h i z u k a 等【2 6 1 研究发现，顶部结构为“柔性 材料的声屏障降噪效果明显好于试验中 所用的吸声材料。但是适合高速公路交通噪声的声学“柔性”材料还没有人对其进行 专门的研究，所以目前该类声屏障开发的关键是如何寻找种适合于高速公路声屏障 的“柔性 材料。这是高速公路声屏障材料研究的热点问题之一。 太阳能声屏障是将光电技术应用于声屏障中，在保证降噪效果的同时，还可以利 用太阳能发电的一种多功能声屏障。我国的梁森等【2 7 】对可调光伏太阳能声屏障进行了 研究，该研究将传统声屏障技术和光伏太阳能发电技术相结合，将太阳能光板覆盖在 声屏障表面，设计出采光角度可以调整的光伏太阳能声屏障，兼具传统声屏障的隔声 作用和光伏太阳能的发电作用。 1 3 3 2 声屏障结构型式研究概况 高速公路的声屏障型式主要分为直壁型、折壁型、表面倾斜型( 土堤型等) 、封 闭型、圆柱型、蘑菇型、箭型、鹿角型、水车型等。国内外学者对于声屏障各型式进 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 行了大量的研究，将几种典型的声屏障型式降噪效果进行了对比和分析，提出了很多 有实际意义的结论和建议，并已经被实际声屏障工程采用。 自从1 9 8 0 年m a y 和o s m a n 等【2 8 】首先得出t 型屏障比普通屏障( 矩形反射型声 屏障) 具有更优声学性能的观点至今，一直有许多学者从事t 型声屏障的研究。 g r w a t t s 掣2 9 】研究表明在大多数频率下，吸声t 型声屏障表现出最大的插入损失。 k y o j if u j i w a r a 掣3 0 】研究成果同样说明在相同高度的情况下，顶端为“柔性”表面的t 型声屏障具有最好的降噪效果。h o t h e r s a l l 3 q 则指出相对于高度相同的普通屏障，t 型 屏障插入损失增大2 6 - - 3 d b ( a ) 。k y o j if u j i w a r a 和f u r u t a 等【3 2 】研究了带管状顶部的声 屏障，结果均表明采用该种吸音体可削减声屏障顶部绕射声能，从而降低声屏障背后 噪声影响区内2 - - 一3 d b ( a ) 的声压值。y a m a m o t o 等【3 3 1 人在直立型声屏障顶部设置了一 个蘑菇型吸声装置，实测数据表明该结构为声屏障提供了2 d b ( a ) 的附加噪声衰减量。 d h c r o m b i e 等【3 4 l 综合运用了边界元和缩尺模型法预测y 型屏障相对于直立型声屏障 的附加噪声衰减，研究结果表明该种结构在保证屏障降噪性能的基础上还能有效降低 屏体高度，造价也合理。后来又有学者开发了一种声学性能良好的y 型屏障一鹿角型 声屏障，结果表明在1 0 0 0h z 频段前者的声衰减比后者高1 0 d b ( a ) 。t o d db u s c h 等【3 5 j 对土堆型、墙体型、项部附加有墙体的土堆型声屏障进行了研究，结果表明土堆加墙 体型声屏障在相同条件下具有最好的降噪性能。此外，当土堆表面覆盖毛毡等柔性材 料时，增加高度引起的插入损失值改变只有0 5d b ( a ) 。 近年来不少学者对不同于以上型式的特殊声屏障顶部结构进行研究，取得了丰富 的成果。d h c r o m b i e 等建立了边界元数学模型对多重边缘声屏障进行了理论研究， 结果表明在直立声屏障项部增加一块较小的障板就可以明显提升声屏障3 - - - 4 d b ( a ) 的降噪效果。p a m o r g a n 等【3 6 】通过二维边界元的数学模型进行研究表明，采用多重边 缘的顶部结构在不增加声屏障高度的情况下最高可以增加额外的插入损失3 d b ( a ) 。 g r w a t t s 等【3 7 】对多重边声屏障顶端结构进行了全比例的试验研究，结果表明该结构 可以增加3 d b ( a ) 以上的附加插入损失。但是日本的i s h i z u k a 和f u j i w a r a l 2 6 】采用2 维 的b e m 模型研究却发现各种多边缘声屏障降噪效果平均只有约o 2d b ( a ) 。而e g a n 和o l d h a m 3 8 】进行的研究也表明，多边缘声屏障实际上的降噪效果只有负效应。针对 各国学者的争论。d j o l d h a m 等【3 8 】进行了研究，结果表明该种结构只在某些特定的频 率下表现出提升降噪性能的正效应。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 针对噪声从声屏障顶端绕射的防治，m e n o u n o u 等【3 9 】提出了纵向异型边缘顶部， 通过不规律的声屏障顶端实现对衍射噪声的衰减作用。 在声学柔性材料研究尚未有新突破的情况下，t o k u b o 4 0 1 研究了将水车形圆 柱“柔性表面”加在声屏障顶端的特殊顶部结构，通过理论计算和模型试验表明其在 高频段对噪声有较好的额外降噪能力，位于声屏障背后的部分区域最大降噪量甚至达 到1 0 d b 。k y o j if u j i w a r a 等人利用一排制成槽状的项部应用在声屏障t 型顶端制成等 效声学“柔性”表面，结果表明该结构可以扩大项部结构降噪频率的宽度范围。 德国声学家施罗德根据数论和声学原理发明了基于共振消声作用的一种格栅型 槽沟扩散体一二次剩余扩散体( q u a d r a t i cr e s i d u ed i f f u s e r s ，简称q r d ) ，可以通过设 计可以对指定的音频范围降噪。关家振等【4 1 1 探讨了二次剩余序列的设计方法，结果表 明在中低频段特别是高速公路交通噪声等效频率5 0 0 h z 附近，扩散体的吸声系数能够 达到约o 8 5 的较高水平，在中低频的附加插入损失可以达到6 7 5 d b ( a ) 。 m r m o n a z z a m 4 2 1 等人研究发现加构了二次剩余序列顶部扩散结构的t 型声屏障降噪 效果比覆盖吸声体的t 型声屏障更优。日本学者f u j i w a r a 和m i y a j i m a t 4 3 1 在研究中发 现施罗德扩散器在低于声屏障设计频率下时表现出较高的吸声系数。 1 4 课题研究目的、内容及技术路线 1 4 1 研究目的 本课题的研究目标是建立一套完整的高速公路生态型声屏障评价指标体系。通过 评价指标体系的建立可以进一步明确高速公路生态型声屏障应具备的特征因子及各 因子之间的相对重要关系，为今后生态型声屏障研究提供思路和参考。同时还可以实 现对高速公路声屏障的各备选建设方案的综合评价，优选出既能满足声屏障降噪功 能，又具有良好的环保生态性，同时兼具经济性的高速公路生态型声屏障建设方案， 作为高速公路生态型声屏障建设方案选取的重要依据。 1 4 2 研究内容 l 、高速公路生态型声屏障特征分析。结合文献调研和声屏障工程考察，明确高 速公路生态型声屏障所应具备的基本特征以及限制性因素，作为评价指标筛选的基础 和依据。 2 、评价体系构建方法的选取。综合比较常用的如调查研究法、目标分解法、多 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 元统计法等评价指标体系构建方法，选择最适合本次研究的构建方法。 - 3 、评价指标体系的构建。运用a h p 层次分析法对研究总目标进行分解，确立体 系层次结构和具体评价指标，通过专家调查法计算指标权重，形成一套完整的评价指 标体系。 4 、指标体系在依托工程中的应用。运用评价指标体系对依托工程生态型声屏障 备选设计方案进行评价优选，推荐一种最符合建设地实际情况的优秀生态型声屏障设 计方案，为工程建设提供决策支持。 1 4 3 技术路线 本课题技术路线见图1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图1 2 研究技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章高速公路生态型声屏障研究及应用现状 从我国目前经济发展形势看，所面临的最大障碍是资源短缺和生态环境不堪重 负。在这种形势下，我国提出了循环经济发展模式并正迅速成为指导社会经济发展和 环境保护的重要原则和战略。因此，我国高速公路的建设也逐步开始适应循环经济发 展的需要，由传统单纯的公路建设转化为生态高速公路工程的建设。因此这要求作为 高速公路重点环保工程，同时也是其附属景观的声屏障也应具备良好的生态景观性， 建设生态型声屏障作为一个全新的课题应运而生。但是对于生态型声屏障的研究目前 仍处于起步阶段，研究的深度和广度不足，缺乏统一的标准和规范。不少研究虽然从 不同的方面对声屏障的生态性进行了研究，但系统性不足。本章对于生态型声屏障的 研究应用现状进行了介绍。 2 1 生态型声屏障定义 对于生态型声屏障的界定，目前没有统一的标准和规范。仅有很少的学者在其研 究中对于生态型声屏障给出了自己的定义。 张静等m 】在其研究中完整并明确的提出了生态型声屏障这一概念，认为生态型声 屏障项目应遵循“循环经济理念进行设计，生态型声屏障应具备投入低、物质循环 利用、减少能源和资源消耗、保持生态系统良性循环等四个方面的优势。同时还指出 声屏障景观设计理念应是与周围生态环境相协调并最大限度地保护生态环境。刘银 生、叶颖等【4 5 】也较为明确的提出了生态型声屏障这一理念。研究指出在环境保护日益 重要的今天，生物类型屏体是声屏障今后研究发展的趋势，符合建设“绿色环保路” 的宗旨，可与公路沿线环境有机结合。研究还提出了生态型声屏障应该是兼具降噪效 果、外观效果、综合造价、占地以及结构合理性5 个方面优势的声屏障。研究还将这 个5 个方面设置为5 个评价指标，建立了评价指标体系，并对4 个拟订的生态声屏障 方案进行了综合评价。该研究是目前唯一明确的提出生态型声屏障评价指标体系这一 概念的研究文献。范锦忠掣4 6 】将声屏障进行了分类，将在声屏障上部或旁边栽种花草 或藤蔓植物，既绿化声屏障，又增加降噪功能的声屏障定义为绿化生态型声屏障。 虽然以上的研究提出了生态型声屏障这一理念，并对其进行了定义，但却都缺乏 系统性。根据工程需要的不同，生态型声屏障的理念的着重点有区别，综合性不强。 但是所有研究当中贯穿的理念都具有一定的相似性，具有一定的参考价值。综合这些 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 研究，我们可以总结出以下几点，这是生态型声屏障所不可缺少的重要因素。 ( 1 ) 绿化是生态型声屏障极为重要的要素。绿化不仅可以美化声屏障景观，更 是将声屏障融入周围景观的最好方法，除此之外，还能提供附加的噪声衰减，调节微 环境气候。在刘先觉等著的生态建筑学中明确提出生态型建筑的重点之一就是对 其进行绿化，绿化的作用可以使建筑更利于与生态系统融合，增加建筑使用者的心理 和生理舒适度。 ( 2 ) 声屏障使用的材料应具有环保性。所谓环保性是指材料在生产、使用、废 弃的整个生命周期内都应该是环境友好型，可再生可循环的材料应该是生态型声屏障 材料选择的优先考率对象。也只有这样，设计建造的声屏障才能够与生态环境相融合， 才能称为生态型声屏障。 ( 3 ) 声屏障的经济效益也是生态型声屏障必须考虑的重要因素。声屏障的经济 效益是影响声屏障建设的直接因素。这与材料的选择、结构、占地以及养护等都密不 可分。选择易于维护且造价低的材料是一方面，另一方面，声屏障的结构稳定性应较 高，占地应尽量少。这样才能保证声屏障的建设和运营都具有良好的经济效益，进一 步体现生态型声屏障的经济优势。 2 2 生态型声屏障研究进展 2 2 1 声屏障的景观建设 在我国西部第一届交通噪声会议上，清华大学建筑学院的燕翔教授指出，声屏障 不仅应该具备基本的降噪功能，其外观和造型会对人的视觉感官和心理产生不同的影 响。对声屏障辅之以绿化设计，在声屏障的背面，正面或者项部栽种植被进行绿化， 这样会大大降低声屏障对人造成的心理不适感，还会使声屏障的造型更加柔和，更具 有景观效果。李福贵等【4 7 】也提出了声屏障景观建设的重要性，研究指出现代声屏障应 该更加注重与周围景观的协调性。在声屏障的设计建设中除需考虑声学要求外还应格 外重视声屏障的造型设计与色彩，还特别提倡在声屏障内、前与后种植各类植物，将 声屏障设计成可栽种花草的形式，使声屏障四季长青。王武祥等【4 8 】则具体指出利用混 凝土砌块的可塑性强的优点将声屏障屏体塑造成形式各异的造型，并指出在混凝土砌 块中种植植物可以增强声屏障的景观美感。俞小靖等f 4 9 】例举了大量德国、法国等声屏 障发展较早的发达国家景观性声屏障的实例，从而提出了声屏障景观性建设的重要 性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 j o r g ep a r e n a s l 5 0 】的研究指出土堆声屏障具有良好的视觉效果，因为其材料使用土 石，构型也相对缓和。不同于其他垂直声屏障会对人产生视觉压抑感。而且可以在土 堆上种植大量的绿色植物进行绿化，可以良好的融入周围自然环境。 总的来说，对声屏障进行景观设计是当前声屏障发展的趋势，也是解决声屏障景 观性差等弊端的有效办法。许多学者就如何对声屏障进行景观美化提出了丰富的建 议，但都具有类似性。除了变换声屏障的造型，对其表面进行装饰外，应用最广泛且 行之有效的就是对屏障进行绿化，在声屏障表面、顶部、背面等部分栽种植物可以起 到非常好的景观效果，同时也赋予了声屏障一定的生态意义。 2 2 2 绿化对于声屏障性能的影响 t v a nr e n t e r g h e m 等【”】研究指出，在顺风方向，有植物存在的声屏障相比单纯声 屏障可以明显增加在距离声屏障1 0 h b - - 3 0 h b 距离范围内的噪声衰减量( m 指声屏 障高度) 。研究还证实了植物发挥最大衰减作用的噪声中心频率为1 0 0 0 h z ，这正好属 于高速公路噪声的主要分布频率范围内。j o r g ep a r e n a s 5 0 1 研究指出，声屏障的降噪效 果在实际应用时受到风、温度梯度等诸多外界因素影响，有研究证明，声屏障上种植 植物可以减少风对降噪效果的负影响。s t e p h e ns a m u e l s 等【5 2 】提出了在声屏障顶端的空 腔里覆盖泥土并种植植物的措施来作为顶端的吸声结构，可以增加1 - - 2 d b ( a ) 的降噪 效果。 由此可知，通过种植植物的方式对声屏障的顶部进行绿化对声屏障的降噪效果有 着明显的正效应。对声屏障进行绿化不但能增强声屏障的生态景观性，更能提供额外 的附加降噪效果，是在进行生态型声屏障建设时一种很好的选择。 2 2 3 环保材料 生态型声屏障所使用的材料应该保证其环境友好性，材料在生产、使用、废弃过 程中不应该对环境造成污染，最好使用可再生无污染材料。传统的声屏障材料使用的 出发点主要是为了保障其降噪性能，很少考虑到声屏障作为环保工程其材料本身可能 对环境带来的二次污染。随着声屏障越来越普遍的应用，这个问题也逐渐被人们所重 视。目前已经有人开始针对无污染的环保性声屏障材料进行研究，且取得了一定成果。 2 2 3 1 无纤维污染的声屏障材料 传统无机纤维材料性脆，在施工安装过程中易折断，会形成纤维粉末灰尘飞扬、 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 污染环境，还会刺痒皮肤，从保护环境的观点来看，这类材料不易降解，容易形成固 体废弃物，会对环境产生二次污染。这个问题已经引起了相关学者和专家的重视。因 此，无纤维污染的声屏障材料研究是现在的声屏障材料发展趋势之一，最近开发出来 的如泡沫陶瓷、泡沫金属以及微穿孔共振吸声体等新型材料和结构已逐渐投入到实际 工程应用中。由于其具有良好的吸声性能，且在使用过程中对环境污染小，已经逐渐 成为传统纤维型材料的良好替代品。 2 2 3 2 废旧轮胎复合吸声材料 随着工业的迅速发展和汽车的大量普及，目前全世界各国废旧轮胎的处理和利用 已经逐渐成为一个国内外迫切需要解决的环境保护和资源再生问题。 轮胎橡胶的基体材料是一种密度较小的粘弹性高分子材料，不仅具有高强度、抗 冲击、耐腐蚀等优良的物理性能，还具有较大的内阻尼和开口型孔隙率以及较大比表 面积等结构特点，总体吸声性能良好。夏锴等研究发现废旧轮胎复合吸声屏障确实 在中、低频，尤其在5 0 0 h z 频率附近，其吸声系数有了较大改观。所以，基于废旧轮 胎来开发吸声材料，在取得吸声降噪功能的同时，兼有资源再生利用和保护生态环境 的双重意义，并且经济效益可观，可以成为目前声屏障环保材料的研究热点。 r o s c h k e p a u l n 【5 4 1 等研究同样论证了使用可循环塑料代替传统建筑材料来建造声屏障 的可行性。 2 2 3 3 土石材料 利用土石材料修建的土堆型声屏障是比较传统的声屏障类型，其优势是造价低， 可以利用道路修建时剩余的土石方进行建造，具有良好的经济效益，视觉效果较为缓 和，而且土堆型声屏障比相同高度的垂直声屏障有更好的降噪性能。但其最大的缺点 就是占地面积过大，只在特定路段适合采用，因此较为局限。另外，在声屏障运营过 程中，土堆型声屏障由于屏体材料主要是加筋土，在长期野外的环境下，受到雨水的 冲刷等