新疆国道g315线大风特征分析

新疆国道g315线大风特征分析

风雨交加对道路建设、维护和安全行驶产生了重大影响。分析新疆公路沿线大风分布特征以及风险区划,对确定强横风区间和防护对策以及安全行车技术标准具有重要科学意义和工程价值。新疆地域辽阔,地形地貌具有“三山夹二盆”的独特特征,构筑“五横七纵”高速、高等级公路网,其中“五横”基本是E━W走向,“七纵”基本是S━N走向。“五横”是指:华东-星星峡-乌鲁木齐-霍尔果斯口岸高速公路(区内里程1431km);华北-明水-克拉玛依-巴克图口岸高速公路(区内里程1520km);乌鲁木齐-喀什-红其拉甫口岸高速、高等级公路(1760km);西南-西宁-依吞布拉克-和田-喀什-伊尔克斯坦口岸高速公路(区内里程1895km);伊宁-托克逊-哈密-西煤东运煤炭基地高等级公路(1254km)。“七纵”指:阿勒泰-乌鲁木齐-依吞布拉克-西宁-西南高速公路(区内里程1442km);阿勒泰-奎屯-库车-和田高速、高等级公路(1733km);喀纳斯口岸-阿拉山口-阿克苏-英吉沙高等级公路(2106km);阿黑土别克口岸-阿勒泰-木垒-鄯善-西煤东运煤炭基地高等级公路(1210km);老爷庙口岸-哈密-若羌高等级公路(883km);轮台-民丰-红土达坂高等级公路(区内里程1146km);阿克苏-图木舒克-叶城-西藏高速、高等级公路(区内里程1434km)。在特殊地形环境影响下,每次冷空气南下都可造成强劲风力,特别是线路走向与主风之间夹角垂直的强横风,对社会生产以及交通运输等造成不利影响,给经济带来严重损失。新疆短期预报指导手册中张家宝曾利用72个气象台站30年(1951~1980年)大风资料统计分析新疆大风的气候特征。作者曾用塔克拉玛干沙漠东南部若且和且末43a(1961~2003a)大风资料分析了国道G315线若且至且末公路沿线大风分布特征及变化趋势。马韫娟、等对我国高速铁路、高速公路风害的防控等方面做了大量的研究。然而,对新疆公路沿线大风分布特征及风险区划研究目前尚未见报道。本文将新疆公路沿线107个气象台站近50年大风历时资料与近10年铁塔梯度风资料和铁路沿线大风监测站监测资料相结合,在大量详实的野外监测资料基础上,进行相关对比分析,确定空间代表性,计算新疆公路沿线1km×1km格点上10min平均最大风速资料。再将空间分布与公路沿线各里程的地形地貌、路堤高和桥高、粗糙度等相结合,建立沿线任意里程距路面4m高处100m×100m空间网格点上最大瞬时风速设计值预测模式,结合强风系数确定强横风区间。采用三级区划指标体系,按照等概率分区原则,将新疆公路沿线风害风险划分为5个不同风险等级的区域,对于制定新疆公路风害防控技术具有一定指导意义。1、控信息管理数据库依据《地面气象观测规范》有关标准和公路桥梁抗风技术标准,收集整理新疆公路沿线107个气象台站近50a(1961~2010a)各月及年平均大风日数资料,选取57个有自记录的基本气象站50a(1961~2010a)场次强风数据,以及沿线7个5层多要素梯度风1年监测资料、10个铁塔梯度风和30个大风监测站近10年(2001~2010)监测站风向风速数据,进行信息化、规范化整理,建立了新疆公里风害防控信息管理数据库。此外,本文研究所用的气象数据还包括通过各种渠道收集到气象数据。如国家发改委风能评估研究在新疆哈巴哈风区、阿拉山口风区、老风口风区、玛依塔斯风区、三十里风区、哈密淖毛湖风区等分别建立10个铁塔梯度风监测站气象数据,以及公路风害防控技术、阿和沙漠公路防风阻沙课题,分别在古尔班通古特沙漠伴行公里北部和中部及南部分别建立3个6要素5层梯度风监测站、三十里风区强横风区间6要素5层梯度风监测站、百里风区红山口大风监测站、百里风区一碗泉多要素5层梯度风监测站、阿和沙漠公路k127沙漠公路北部建立多要素5层梯度风监测站,以及铁路沿线30个大风监测站近10年(2001年~2010年)风速和风向监测站(图1略)资料,进行相关对比分析,结果表明:新疆“五横七纵”高速公路沿线有自记记录的基本气象站10m高度处的最大瞬时风速与沿线梯度风监测站和铁塔梯度风监测站4m高度处最大瞬时风速,以及30个大风监测站最大瞬时风速相关显著,相关系数在0.4501~0.9897,均通过显著性检验。公路沿线气象站与沿线梯度风监测站和铁塔监测站及大风监测站之间距离越近,空间相关越强,反之则越弱。即公路沿线气象站与沿线梯度风监测站和铁塔监测站及大风监测站最大瞬时风速具有空间相关性,平原路段空间代表性为20km~40km;特殊路段(垭口、山口、峡谷、高路堤、高架桥等)空间代表性为5km~10km。2、数据分析的结果2.1公路风灾影响显著新疆公路沿线107个气象站近50年大风资料研究结果表明:新疆五横七纵高速公路沿线大风日数的分布特征受天气系统和地形影响的制约,以山口、垭口、峡谷、河谷、特大桥和高路基弯道区间强风和大风日数最多。其中五横第一横的百里风区强横风区间风害最严重,是我国乃至世界高速公路风灾最严重的区间之一,年平均大风日数在157d~209d,以十三间房气象站大风日数最多,年平均大风日数209d,2010年大风日数达到224d,高速公路百里风区红山口的年平均大风日数157d,以红山口为中心向东西递减。阿拉山口风区、三十里风区、达坂城风区强横风区间次之,年平均大风日数148d~155d。公路沿线平原绿洲区间风害最少,年平均大风日数不足10d。新疆公路沿线除个别区间年平均大风日数随年代呈现增加趋势外,大多数区间年平均大风日数随年代呈现递减趋势,这与王旭等的新疆大部分地区80年代起大风日数有减少的趋势相一致。这主要由于主要是北方冷空气活动减弱结果和新疆公路绿洲区间植树造林防风效应所致;百里风区戈壁路段自20世纪90年代开始,大风强度增加和变化趋势呈现增加趋势,变化率b=20.0/10a,这主要由于全球气候变暖,戈壁地带温度增高,气压梯度增大所致。2.2强横风间最大风速时距确定以三维的坐标轴表示气候要素空间分布三维结构的函数式:模式中的F为年最大风速或年平均大风日数等气候要素;φ,λ,H分别代表纬度、经度、高度、地形影响等地理因子;该模式将气候要素的空间分布表达为地理要素(经度、纬度、高度以及地形)的函数,是依据宏观分布函数与地形订正相结合的原理。在此基础上,应用极值Ⅰ概率模式计算出高速公路沿线最大风速不同概率设计值,它涵盖公路沿线近50年来的最大风险。再将高速公路沿线最大风速不同概率设计值空间分布与线路任意里程路堤、路堑、桥高以及不同下垫面下α系数相结合,进行高速公路强横风区间平均间距100m任意里程最大风速时距订正,路堤、桥高增速订正,地形订正,建立高速公路沿线任意里程距路面4m高处最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max,计算模式如下:式(2)中V4_2max为高速公路任意里程距路面4m高处最大瞬时风速2年一遇设计值,V10为高速公路沿线气象站10m高度处10min平均最大风速设计值,K1强风或阵风系数;K2为路堤高和桥高增速订正系数;K3为地形订正系数。进一步推论,建立高速公路沿线强风监测点以外区间瞬时风速计算模式:式(3)中V4_V为高速公路沿线强风监测点以外区间,距路面4.0m高度处2年一遇瞬时风速计算值(m·s-1),V为高速公路沿线风监测站监测瞬时风速(m·s-1),K0为比值系数。该模式的建立有助于提高高速公路沿线强风预警系统中短期风速预测模式的精度,同时可以预测高速公路防风监测点以外区间任意里程距路面4m高处瞬时风速和风向,从而为不同类型汽车强风区间安全高效行车提供技术保障。2.3、不同地形条件对七纵高速沿线保水层压的影响应用模式(1)至(3)可以计算出高速公路沿线任意里程距路面4m高处,最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max。计算结果表明:新疆五横七纵高速公路沿线V4_2max水平分布与地形关系密切,是随着特殊风环境(风口、垭口、峡谷、特大桥、高路堤、路堑)呈现独特特征,以风口、垭口、峡谷、特大桥、高路堤区间瞬时风速最大,深路堑瞬时风速最小。将距路面4.0m高度处,2年一遇最大瞬时风速V4_2max与30年一遇最大风速V4-30max进行对比分析,结果表明:高速公路沿线的V4-2max与V4-30max水平分布特征基本一致,两者数据相差不大。2.4强风天气安全行车规则分析强风定义:瞬时风速达到≥10.8m·s-1的风称为强风;强横风定义:瞬时风速达到≥15.0m·s-1,线路走向与主风向之间夹角在75~95°之间,称为强横风;大风定义:瞬时风速达到≥17.2m·s-1的风称为大风。由此提出强风盛行风向的概念,它是指月内该风向强风出现的次数占全月各强风风向出现的总次数的百分比,计算公式:式(4)中,F:某年强风风向频率;m:该强风风向出现次数的月合计;n:全年各强风风向记录总次数。我们把频率出现最多的强风风向称为强风主导风向或强风盛行风向,绘制强风风向玫瑰图,定量分析高速公路沿线强风横风对不同类型汽车安全行车影响。16方位强风玫瑰图可以定量分析高速公路沿线气流变化的特征,确定高速公路沿线强风主风向。通过分析高速公路沿线全年强风玫瑰图发现:高速公路横一百里风区、三十里风区高路堤弯道区间、纵一的乌尔禾至克拉玛区间等区间线路走向与强风风向夹角在75~90°之间,不同类型汽车行驶过此区间主要受横风的影响,而且上述区间的强风风向稳定,这是造成强风天气下不同类型汽车倾覆翻车的主要原因。应用气象模式和极值Ⅰ型概率模式计算出高速公路沿线1km×1km空间网格点上平均最大风速设计值,再将空间分布与沿线各里程的强风系数、路堤高和桥高增速系数、不同下垫面特征下幂指数α相结合,建立距路面4.0m高度处任意里程100m×100m空间网格点上最大瞬时风速预测模式,结合线路走向与强风主风向之间夹角和不同车型倾覆临界风速,从而确定高速公路沿线强横风警戒区间,如图1所示。创新点在于可以预测高速公路沿线风监测点以外区间(没有安装风速计的区间)任意里程最大瞬时风速,为制定新疆高速公路强风天气时高速公路风害防控信息管理系统规则提供科学依据。强横风天气条件下不同类型汽车安全行车临界风速监测结果表明:当V4_2max<10.8m·s-1,小客车限速60km·h-1以下,其它不同类型车辆正常运行;12.0≤V4_2max<17.0m·s-1,小型客车停行,;17.0≤V4_2max<20.0m·s-1集装箱挂车停行,中型客车限速60km·h-1以下;20.0≤V4_2max<25.0m·s-1,中型客车限速停行;大客车限速60km·h-1以下;V4_2max>25.0m·s-1,大客车停运,如图2所示。。研究结果与日本高速公路强横风天气安全行车规则基本一致。综上所述,高速公路不同类型汽车倾覆翻车事故主要由于强横风天气条件下瞬时风速达到临界风速所致,因此以2年一遇最大瞬时风速为“风害风险区划”指标的核心技术方法之一,为风害等级阈值划分提供科学依据。3、道路风险等级13.1风害风险区划采用三级区划指标体系。第一级区划指标:年平均大风日数多少是衡量一个地区风害影响程度。主要考虑年平均大风日数;第二级区划指标:V4_2max大小是衡量风害风险的轻重程度,高速公路不同类型汽车倾覆翻车事故主要由于强横风天气条件下瞬时风速达到临界风速所致,因此以最大瞬时风速2年一遇设计值为“风害风险区划”指标的核心技术方法之一,为风害等级阈值划分提供科学依据;第三级区划指标:主要考虑一年四季中各季大风日数的分配情况,风害季节变化。3.2最大发生率及区域风害等级界限值从新疆公路沿线气象站最大瞬时风速2年一遇设计值V4_2max计算结果看出:最大瞬时风速2年一遇设计值x取值范围为10.0~45.5m/s之间。它是不对称分布,这种类型的分布可以用Γ分布拟合。通过理论频率计算,等概分区原则可以得出新疆公路沿线最大瞬时风速V4_2max五个区及各区域风害等级界限值(阈值)如下:Ⅰ特强风害区V4_2max>35.0m/s;Ⅱ强度风害区30.0<V4_2max≤35.0m/s;Ⅲ重大风害区25.0<V4_2max≤30.0m/s;Ⅳ中度风害区20.0<V4_2max≤25.0m/s;Ⅴ风害较轻区V4_2max<20.0m/s。根据各区域界限值(阈值)和各等级年平均8级及以上大风日数,考虑四季大风日数的分配情况(四季大风日数占全年百分比%),结合新疆不同等级公路、不同路段制出新疆公路风害风险区划图,进行风险评价。3.3夏充风害风险区采用三级区划指标体系,等概分区原则,可将新疆公路沿线风害危险区划分为5个大区、若干小区,分别用罗马字符Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示。Ⅰ特强重大危险区、Ⅱ强重大危险区、Ⅲ重大危险区、Ⅳ中度危险区、Ⅴ危险较轻区,如图5所示。新疆公路沿线风害五大区域中以特强重大危险区和强重大危险区强横风区间危害最大。新疆公路风害区域特征如下:Ⅰ区:特强重度危险区ⅠA21a——横一高速公路百里风区红山口强横风区间、阿拉山口夏春风害风险特强重度危险区。ⅠA12a——横一高速公路三十里风区强横风区间春夏风害风险特强重度危险区。ⅠA41a——通道一老风口区间冬春风害风险特强重度危险区。Ⅱ区:强重度危险区ⅡB41b——通道一玛依塔斯至铁厂沟区间、天山西部海拔高度2800m以上高山区迎风侧冬春风害风险强重度危险区。ⅡB21b——艾比湖以北山口和湖的东南部乌伊公路黑山头、沙泉子至托托一带夏春风害风险强重度危险区。ⅡB12b—达坂城区间、七角井春夏风害风险强重度危险区。Ⅲ区:重度危险区ⅢA21a——纵一乌尔禾至克拉玛依强横风区间夏春风害风险重度危险区。ⅢB12b——纵一布克赛尔区间、横一鄯善至吐鲁番区间、哈密南北戈壁春夏风害风险重度危险区。ⅢB14b——笈笈槽子、乌拉泊至永丰渠一带春冬强风害风险重度危险区。ⅢB21b——天山西部高山区夏春风害重度危险重度危险区。ⅢB21b—通道六罗布泊等区间夏春风害重度危险。Ⅳ区:中度风险区ⅣB12b——纵一福海区间春夏风害风险中度危险区。ⅣC12c——纵一阿勒泰至北屯区间、塔城至额民区间、霍尔果斯至新源区间、乌鲁木齐至木垒区间春夏风害风险中度危险区。ⅣC21c——轮台至民丰沙漠公路、纵一的阿拉尔至和田沙漠公路区间、纵一的巴音布鲁克区间、纵二的库尔勒至铁干里克区间至若羌等区间夏春风害风险中度危险区。V区:VD12d——横一乌苏至呼图壁区间春夏风害风险较轻区。VD21d——横三的轮台至喀什区间夏春风害风险较轻区。VE21e——横三的皮山至安迪尔河等区间夏春风害风险较轻区。4、新疆高速公路沿线风害风险区划综上所述,可以得出如下结论:⑴本文将新疆公路沿线107个气象台站近50年历时资料与近10年铁塔梯度风资料和铁路沿线大风监测站监测资料相结合,进行平行对比相关分析,结果表明:公路沿线气象站与沿线梯度风和铁塔监测站,以及铁路沿线大风监测站最大瞬时风速具有空间相关性,平原路段空间代表性为20km~40km;特殊路段(垭口、山口、峡谷、高路堤、高架桥等区间)空间代表性为5km~10km。(2)新疆五横七纵高速公路沿线大风日数的分布特征受天气系统和地形影响的制约,以山口、垭口、峡谷、河谷、特大桥和高路基弯道区间强风和大风日数最多。公路沿线的绿洲区间全年大风日数不足10d。沙漠公路沿线大风日数明显多于公路沿线的绿洲区间。(3)新疆五横七纵高速公路大多数区间年平均大风日数随年代呈现递减趋势,这主要由于这主要由于主要是北方冷空气活动减弱结果和公路绿洲区间植树造林防风效应所致;百里风区戈壁路段自20世纪90年代开始,大风强度有增加