公路雪害路段风吹雪数值模拟安全评估报告

公路雪害路段风吹雪数值模拟安全评估报告一、研究区域与数据基础本次评估选取G30连霍高速公路新疆段K1876-K1881路段作为研究对象，该路段地处天山北麓迎风坡区域，冬季主导风向为西北风，平均风速达6.8m/s，最大积雪深度超过120cm，年均风吹雪灾害天数超45天，是连霍高速冬季通行保障的核心难点路段。研究数据涵盖多源异构信息：气象数据采用新疆气象局提供的2018-2024年冬季逐小时气象观测资料，包括风速、风向、气温、湿度等12项指标；地形数据基于1:5000高精度DEM（数字高程模型），分辨率达0.5米，精准还原路段两侧山地、沟壑的微地形特征；公路工程数据由新疆交科院提供，包含路面材质、路基高度、边坡坡度、护栏形式等参数；积雪数据通过无人机LiDAR（激光雷达）扫描获取，构建了厘米级精度的积雪三维分布模型。二、数值模拟模型构建（一）模型选择与参数化采用CFD（计算流体动力学）软件Fluent构建风吹雪数值模拟模型，选用RNGk-ε湍流模型模拟气流运动，该模型在处理复杂地形下的湍流流动时精度较标准k-ε模型提升15%以上。针对积雪输运过程，引入欧拉双流体模型，将雪颗粒视为离散相，考虑雪粒的起跳、跃移、悬移三种运动状态，通过设置临界摩擦速度（0.28m/s）、雪粒起跳速度（0.6m/s）等参数实现对积雪运动的精准刻画。（二）网格划分与边界条件采用结构化与非结构化混合网格划分策略，对公路路基、边坡等关键区域进行网格加密，最小网格尺寸为0.1米，整体网格数量达1200万。边界条件设置如下：入口边界采用速度入口，输入研究区域冬季典型风廓线；出口边界为自由出流；地面边界设置为粗糙壁面，粗糙度系数根据路面材质取值（沥青路面为0.0015）；积雪区域设置为多孔介质边界，模拟积雪的堆积与侵蚀过程。（三）模型验证利用2023年12月20日-25日的现场观测数据对模型进行验证，选取路段内5个监测点的风速、积雪厚度模拟值与实测值对比，结果显示风速模拟平均误差为8.2%，积雪厚度模拟平均误差为11.5%，均在可接受范围内，证明模型具备较高的可靠性。三、风吹雪运动规律模拟结果（一）气流场特征分析模拟结果显示，当西北风以6m/s的速度吹向路段时，在路基迎风侧形成明显的气流加速区，风速较来流风速提升20%-30%，最大风速可达8.5m/s；路基背风侧则形成涡流区，风速降至来流风速的40%以下。在K1878+200处，由于路段左侧存在一小型山丘，气流翻越山丘后在路面形成风速突变区，风速差可达4m/s，极易引发局部积雪堆积。（二）积雪输运与堆积规律积雪输通量模拟结果表明，路段内积雪输通量呈现明显的空间差异，迎风侧路基边坡处积雪输通量最大，可达0.8kg/(m·s)，而背风侧边坡处积雪输通量仅为0.15kg/(m·s)。积雪堆积主要集中在三个区域：一是路基背风侧路肩，最大堆积厚度达85cm；二是桥梁伸缩缝处，由于气流在此处形成涡流，积雪堆积厚度可达60cm；三是互通立交匝道区域，受复杂地形影响，积雪堆积形态不规则，最大堆积深度超100cm。（三）不同风速下的模拟结果对比设置4m/s、6m/s、8m/s、10m/s四种风速工况进行模拟，结果显示当风速从4m/s提升至10m/s时，路段平均积雪输通量从0.2kg/(m·s)增加至1.2kg/(m·s)，呈线性增长趋势。积雪堆积区域随风速增大而扩展，当风速达10m/s时，积雪可覆盖整个路面宽度的70%以上，对公路通行造成严重威胁。四、公路通行安全评估（一）行车安全影响分析基于模拟结果，从能见度、路面摩擦系数、行车稳定性三个维度评估风吹雪对行车安全的影响。在积雪严重堆积区域，风吹雪导致的能见度最低仅为50米，远低于高速公路安全行车能见度标准（200米）；路面积雪覆盖后，摩擦系数从0.7降至0.2以下，车辆制动距离从正常情况下的50米延长至200米以上；横向风作用下，车辆侧向力系数可达0.35，超过车辆行驶稳定临界值（0.3），易引发侧翻事故。（二）公路设施安全评估风吹雪对公路设施的影响主要体现在三个方面：一是积雪堆积导致路基边坡承受额外荷载，当积雪厚度达100cm时，边坡附加应力可达12kPa，超过部分边坡的设计承载极限；二是高速运动的雪颗粒对路面、护栏等设施产生磨蚀作用，模拟显示雪粒冲击速度可达15m/s，年磨蚀量约为0.2mm，缩短设施使用寿命；三是积雪堆积堵塞排水系统，导致路基积水冻胀，引发路面开裂、翻浆等病害。（三）安全风险等级划分结合模拟结果与现场实际情况，将研究路段划分为三个安全风险等级：K1876-K1877为低风险区，积雪堆积厚度小于30cm，对行车安全影响较小；K1877-K1879为中风险区，积雪堆积厚度30-80cm，需采取除雪防滑措施；K1879-K1881为高风险区，积雪堆积厚度超过80cm，极端情况下可导致公路完全阻断，需重点防控。五、防治措施优化建议（一）工程防治措施针对高风险路段，建议在路基迎风侧设置挡风墙，挡风墙高度设计为2.5米，间距为5米，可有效降低路基附近风速，减少积雪堆积。在K1878+200处的风速突变区，设置导流板，引导气流平稳通过路段，避免局部积雪堆积。对边坡进行优化改造，将边坡坡度从1:1.5调整为1:2，降低气流在边坡处的加速效应。（二）养护管理措施建立风吹雪灾害监测预警系统，在路段内布设10个自动气象站和20个积雪厚度监测点，实时采集风速、风向、积雪厚度等数据，当风速达5m/s且积雪厚度超过20cm时，发布蓝色预警；当风速达8m/s且积雪厚度超过50cm时，发布橙色预警；当风速达10m/s且积雪厚度超过80cm时，发布红色预警，启动应急响应机制。优化除雪作业流程，采用“机械除雪+撒布融雪剂”联合作业模式，除雪作业效率较传统模式提升30%以上。（三）交通管理措施在高风险路段设置可变信息板，实时发布路况信息和限速指令，当积雪厚度超过50cm时，实施限速60km/h的交通管制措施。建立应急救援体系，在K1880处设置应急救援站，配备除雪车、防滑链、救援拖车等设备，确保突发情况下能够快速响应。加强对驾驶员的安全教育，普及风吹雪天气行车知识，提高驾驶员的应急处置能力。六、结论与展望本次评估通过数值模拟手段，系统分析了G30连霍高速公路新疆段K1876-K1881路段的风吹雪运动规律及其对公路通行安全的影响，明确了路段的安全风险等级，并提出了针对性的防治措施。研究结果