0 引言

风吹雪是雪粒在气流的作用下产生蠕移、跃移及悬移等运动的一种自然现象。在中国北方，尤其是冬季积雪区域，风吹雪对交通安全构成了严重威胁，该灾害在寒区道路交通中频繁发生，对道路的建设与运营带来挑战^[1-2]。交通工程作为线型构造物，其穿越地形复杂，沿线风吹雪灾害呈现“点多、面广、危害大”的特点^[3]。

针对风吹雪现象及其防灾措施，国内外研究通常采用理论分析、实地观测与模拟试验相结合的研究方法。风吹雪作为复杂的非典型两相流，现有理论分析难以精确阐释其流动机制^[4-6]。近年来，通过实地观测获取区域环境与风雪场条件，结合模拟试验进行定量分析，已成为研究风吹雪现象的主要方法^[7-8]。风洞试验通过缩小比例的实体模型模拟真实环境，探究雪粒受力与运动状态，能够精确调控风速、风向及雪量，高度还原自然流场及雪粒动态过程。相较于现场监测，风洞试验在控制试验条件方面具有显著优势，早期学者在起始风速、雪输送速率和运动状态方面为风洞试验奠定了理论基础，并探讨了相应的试验技术与材料选择^[9-13]。当前，风洞试验主要聚焦于风工程、建筑风荷载及风沙流等领域，分析特殊结构的风荷载响应及颗粒堆积特性^[14-16]。

近年来，针对风吹雪区域的新建交通工程，已采取了一系列防护措施，如设置挡雪板、种植防雪林及构建防雪走廊等^[17-18]。挡雪板以其简便有效的特点，在减轻积雪灾害、保障道路安全方面发挥了重要作用，但其结构差异会影响积雪的沉积效果^[19]。受地形影响，山脊上的挡雪板设计需确保积雪更多沉积于迎风面，以有效保护山下设施^[20]。在Banihal山顶底部设置的挡雪板研究中发现，挡雪板下风侧的积雪沉积距离可达挡板高度的15倍，而板后最大积雪深度几乎与板高相当^[21]。

当前，防雪措施的选择多依赖于经验，这导致在实际应用中难以充分发挥其对风吹雪灾害的防治效能，同时也缺乏针对交通工程区域特点的风吹雪灾害防治措施的科学选择依据^[22-28]。此外，由于雪粒的独特性质，多数室内常温风洞试验选择使用模拟材料替代真实雪粒，而在低温风洞中进行的真雪试验则多依赖于将室外积雪移至室内风洞设备中，这种方法主要模拟了地面积雪在风力作用下的动态过程，但对于降雪过程的模拟则显得不足^[29―32]。因此，模拟试验在设备、测量精度及建模方法上仍有待进一步优化，有必要研究更为合理的试验设备，选取更为理想的试验材料，采用更为精确的测量方法进行风吹雪现象的相关研究。本研究基于自主研发的可移动风洞设备，结合配套的风雪场测量技术，开展考虑降雪影响的室外风洞试验，深入研究了防雪结构的作用机制及其影响因素，并从风吹雪运动平衡的角度出发，对积雪的形成机理进行了阐释。

1 试验方法 1.1 可移动直流风洞

可移动式低速、直流、边界层风洞设备如图 1所示。相对于室内风洞实验室和低温风洞实验室，该风洞轻便可移动，可放置于现场野外环境进行试验，避免雪粒从室外搬运至室内所产生的扰动。风洞由整流结构和试验结构组成，整流结构为产生流场并将调节流场至稳定状态的区域，试验结构为放置试验模型并进行相关测量的区域。

整流结构中，在动力段内放置JSDS-5型变频风机，风机最大功率为5.5 kW，最大转速2 900 r/min，可连续调节风速范围在0~28.5 m/s，变频器放置于动力段外部与风机相连，并配备380 V发电机满足野外试验条件。整流结构为产生流场并将调节流场至稳定状态的区域，试验结构为放置试验模型并进行相关测量的区域，试验中雪粒通过雪粒入口装置进入管道以模拟降雪作用，试验测量系统为风速、积雪分布和输雪率3种参数的测量装置。雪粒入口装置为400 mm×20 mm开口的矩形漏槽，试验中将漏槽插入试验结构第一段入口处的顶部开口，试验中可根据降雪率向漏槽中均匀倒入一定质量的雪粒。除了必要的风洞结构特征，该风洞在设计时也从以下部分进行了完善。

(1) 试验结构采用亚克力板材质，试验时可直接观察风洞内部雪粒运动状态。

(2) 该风洞为专门针对地面风蚀现象制作，各结构底面在同一水平面上，避免气流悬浮于地表流过。

(3) 风洞内试验测量设备、测量方式均考虑雪粒特殊性质避免测量时干扰结果。

1.2 风雪场测量装置

(1) 风场测量装置

图 2为风洞内移动支架和风速传感器，由手摇式滚珠丝杆滑台、伸缩式变送器、风速传感器、主机组成。风速传感器安装在伸缩式变送器的尾部，伸缩式变送器端部与滚珠丝杆滑块相固定，并通过端部的线缆与管道外主机连接，滚珠丝杆滑台顶部伸出管道上壁面，由手摇轮调节滑块高度，试验测量系统整体可以沿着流场方向移动。该风速测量装置可多向调节，装置在滚珠丝杆上的伸缩式变送器可进行x，y，z共3个方向的调节，满足洞内任意点位的风速测量。

(2) 雪深测量方法

基于实时差分定位(Real - time kinematic，RTK)的摄影建模方法采用正射和倾斜摄影相结合的方式，以点云数据建立雪深分布分析模型，其中RTK技术用来获取精确的模型定位。该方法主要由相机、云台和数据处理系统组成，选用搭载RTK装置的专业级DJI Phantom4进行测量作业。基于多视立体视觉和特征点影像匹配等原理，选用DJI Terra专业建模软件进行数据处理工作。利用将纹理数据信息投射到三维模型表面上，实现对试验模型的重建。建立带有地理坐标信息的三维模型后，将吹雪后模型(如图 3(a)所示)与无雪模型(如图 3(b)所示)图层在WGS-84坐标下的高度相减。考虑到积雪表面为纯色且反射率高，在吹风后积雪表面播撒黑色碳粉，增加三维建模方法对雪深识别的准确性^[33]。在建模所需图像数量充足的情况下，该方法测量精度可达到0.1 mm。

1.3 试验模型与雪粒

室外风洞试验主要考虑环境温度、湿度、日照量、场地平整度等因素。环境温度会显著影响雪粒性质，因此合适的环境温度是试验的首要考虑因素，通常在低于―5 ℃时雪粒性质不会因温度改变而产生明显变化；低含水量也是风吹雪灾害易发区域环境条件所需的一个因素；太阳照射下雪粒表面会直接吸收热量并影响性质，因此阴凉的背风区域也是试验环境的必要条件。基于上述分析，本试验最终试验地点选为某山区公路沿线废弃项目部内。

为保证试验所用雪粒性质统一和数量充足，试验采用人造雪颗粒。试验中根据各个工况试验雪量边用边造，以保证雪粒性质的统一性和稳定性。雪粒粒径和密度是影响风吹雪运动的2个重要参数，将喷雪机出口的雪颗粒直径设置为0.1 mm。雪粒密度采用称重法，在风吹雪现场钢尺测量自然堆积长方体雪块的边长l, w, h，并计算出雪块的体积，然后称量雪块质量m，计算出雪样密度ρ。试验得人造雪密度约为0.500 g/cm³。

表 1为试验采用人造雪颗粒和现场测量的真雪颗粒性质对比(部分参数来自文献[34]，可以看出关于影响风吹雪运动的雪粒主要参数上，实测雪颗粒和人造雪颗粒保持了较好的一致性。

2 试验参数与工况

交通工程位于中国新疆维吾尔自治区阿勒泰地区，该线路全长154.5 km，经过8个行政区。线路位于北纬45°11′~48°11′、东经87°38′~90°32′之间，整体海拔高度为597~1 219 m，北部地势较低，南部地势较高。线路呈西北-东南走向，穿越了2个地貌单元，即山间冲积平原和阿尔泰山南麓的低山丘陵区。

2.1 现场工程背景

图 4为某交通工程沿线路段设置的4种不同形式防雪结构，防雪结构由插板组成，每块插板高度0.3 m，插板分为有孔和无孔形式，有孔插板孔隙率P为30%，防雪结构高度均为3 m。4种形式的防雪结构参数分别如下，路基两侧均布设防雪结构，防雪结构距路基坡脚40 m。

形式1：10块有孔插板(P=30%)；

形式2：下部3块无孔插板，上部7块有孔插板(P=21%)；

形式3：下部6块无孔插板，上部4块有孔插板(P=12%)；

形式4：3 m高菱形孔防雪网，孔隙率34%。

2.2 现场积雪分布

图 5为2018年12月测量所得的4种不同形式防雪结构两侧积雪分布。由图可以看出，防雪结构作用下的两侧积雪增多，但是在不同形式的防雪结构两侧，其积雪分布也呈现出显著的差异性，根据对现场的来流风向分析可以得出图路基左侧为起雪风速的主迎风侧，而路基右侧虽也有起雪风速的作用，但其频率和风速都相对较小，因此路基两侧防雪结构形成的堆积雪量存在差异。

在4种不同形式防雪结构两侧的积雪分布中，形式1结构后的最大雪深达到了860 mm，形式2和形式3结构后的最大雪深分别为770 mm和640 mm，而形式4的菱形防雪网下风侧雪深波动范围显著小于其余3种防雪结构对应形式，最大雪深则仅为490 mm。随着防雪结构孔隙率的减小，下风侧积雪堆积范围逐渐缩小，最大雪深也相应减小。防雪网由于其结构形式对流场影响较小，两侧沉积雪量也小于防雪结构对应区域，更多的雪粒运动至路基坡脚处形成沉积。

2.3 试验验证

风洞试验和现场测量的风速对比如图 6所示，其中等高线图为风洞试验测量数据生成，图中黑点为风速测量点位，其余位置处风速采用插值法生成，括号内为相应位置处的现场测量风速。由图可以看出，顺着来流风向, 路基的直接阻碍作用导致迎风坡坡脚处流速明显减小，然后顺着迎风坡向上流速增大，在迎风坡路肩处由于路基断面形状的突变，风场在此处产生分离再附现象达到相对较大值，在路基表面和背风坡流场呈逐渐减弱的趋势，风速变化趋势保持了较好的一致性。在流速明显减小的迎风侧边坡坡脚处风洞试验与现场测量的数值出现了一定的差异。这可能是由于在风洞试验中将地形因素进行了理想化，而路堑外地形坡度起伏、粗糙度不均也会对流速产生一定影响，因此近地面流速出现了差异。但在大部分测量点位中，二者的数值和变化趋势几乎保持了一致，说明该风洞设备和参数设置是合理的。

3 防雪结构作用研究 3.1 试验条件与工况

孔隙率为防雪结构区别于实心防雪结构(P=0)最主要的结构特征，底部间隙的存在也会对风雪场的分布产生一定影响，结合孔隙率为0的防雪墙和存在孔隙结构的防雪结构，同时考虑防雪结构高度，通常高度过低(小于2 m)的防雪结构难以发挥阻雪作用，高度过大(大于6 m)的防雪结构在大风条件下稳定性存在问题并且造价较高。本研究对防雪结构不同孔隙率、高度和底部间隙对路基内外积雪分布变化的影响进行了分析。以暴雪等级降水(雪)量为试验基础条件，即24 h内降水量为12 mm，降水量和积雪深度比例选取为1∶10，形成雪深为120 mm，算得降雪量为6.0×10^―4 kg/(m²·s)。如果试验过程中降雪率与实际降雪率保持一致，根据相似时间比算得试验时间为24 min，风洞内形成的雪深仅几毫米，难以对其进行准确测量。因此，将试验时间放大5倍至120 min，并考虑到设备开、关时流场的不稳定性，选择单一工况，总试验时间为130 min。根据降雪率和试验时间，单次工况的平均雪深为10 mm。

3.2 积雪分布结果

不同形式防雪结构下作用的雪深分布如图 7所示。图中P为孔隙率，H为防滑结构高度，d为底部间隙。各工况下来流风速均为4 m/s，降雪率均为6.0 × 10^―4 kg/(m²·s)，为方便对比，各工况采用统一云图颜色范围表示雪深。以工况(a)为例，其上风侧沉积雪量向着防雪结构逐渐增大，但最大沉积量较(b)(h)(i)工况较小，防雪结构下风侧沉积雪量先增大后减少，其上风侧沉积雪量向着防雪结构逐渐增大，但最大沉积量较(b)(h)(i)工况增多。结果表明，防雪结构的孔隙率，高度与底部间隙共同影响了沉积雪量分布。

3.3 流场分布结果

孔隙率为50 %，高度3 m的防雪结构作用下，来流风速6 m/s时防雪结构两侧不同点位处竖直方向风速分布如图 8所示，根据图中防雪结构两侧风速变化范围，选取距离防雪结构前20，10，5，2，1，0.5，0.1 m和后0.1，0.5，1，2，5，10，20 m进行风速测量。

在防雪结构上风侧，距离20 m处的流速自下而上几乎保持对数律分布，说明该点位处防雪结构影响较小，在距离10 m处的流速则出现了一定程度的波动，说明此时流场受到了防雪结构的影响；顺着流场方向流速减弱越来越明显，在紧贴防雪结构的0.1 m处，3 m高度以下的风速均在2 m/s以内，部分雪粒受到防雪结构实体结构直接的阻碍而沉积，而也有部分雪粒穿越防雪结构向下风侧运动。

在防雪结构下风侧，由于防雪结构孔隙结构的存在使得流速表现出极大波动性，0.5 m测点处流速减小至约3 m/s，2 m测点处流速减小至约2 m/s，而在距离5 m到20 m的区域内，流速由地面向上呈现先减小后增大的趋势，这是由于防雪结构底部间隙的存在使得近地面流速增大，因此流速最低处出现在距地面约1.5 m高度处；在30 m测点处防雪结构影响减弱，流速有所恢复，40 m测点处的流速分布与无防雪结构工况时的流速分布已较为接近，从地面向上恢复近似对数律分布，可以认为防雪结构下风侧的影响范围约为40 m。

4 讨论 4.1 防雪结构影响因素

(1) 孔隙率

孔隙率不同时路基外的雪深箱线图如图 9所示，可以看出P=0即防雪结构为不透风结构时，雪深极小值和极大值差异非常大，而随着孔隙率的增加雪深浮动范围越来越小，积雪变化越来越平缓，P=75%时雪深均值和中位线与无防雪结构已较为接近，在P=0增加至P=100%过程中路基外积雪均值先增大后减小。

孔隙率不同时防雪结构作用范围内的平均雪深对比如图 10所示，可以看出结构上风侧的雪量随着孔隙率的增加而减少，结构上风侧雪量与孔隙率成反比，同时随着孔隙率的增加结构下风侧雪量先增多后减小，在孔隙率为50%时，防雪结构作用范围内的雪量达到最大值。

(2) 高度

高度不同时路基外的雪深箱线图如图 11所示，随着防雪结构从无到有并逐渐增加高度时，积雪浮动范围也逐渐增加，同时路基外积雪均值也随着防雪结构高度的增加持续增加，说明高度越大的防雪结构对积雪分布影响越剧烈。

高度不同的防雪结构两侧和作用范围内的雪深对比见表 2，可以看出5 m高时防雪结构作用范围内最大雪深达到15.9 mm，其作用范围内的平均雪深也达到了15.5 cm。与无防雪结构工况相比，2，3，4，5 m高度下防雪结构作用范围内雪量分别增加了17.3%，35.7%，42.8%，58.1%。

(3) 底部间隙

底部间隙不同时路基外的雪深箱线图如图 12所示，底部间隙d=0时路基外积雪深度差异最大，随着底部间隙的增加，积雪深度差异性逐渐减小，说明防雪结构对流场的影响随着底部间隙的增加逐渐减弱。图 13为不同底部间隙防雪结构作用下各位置处的沉积雪量对比。防雪结构影响范围内的总沉积雪量随着底部间隙的从无到有并逐渐增加呈现先增大后减小的趋势，由于底部间隙增大导致防雪结构透风率增加，结构下风侧流速增加，因此过大的底部间隙也会减弱防雪结构的阻雪作用。防雪结构底部间隙在0.1~0.2 m时作用范围内总沉积雪量达到最大值，而后随着底部间隙的进一步增大平均雪深逐渐减少。

4.2 防雪结构作用机理

图 14(a)为不同孔隙率防雪结构作用下，沿水平方向的风速分布，测量高度分别距离地面高度0.1，0.5，1，2和5 m。可以看出在不同孔隙率防雪结构作用下，风速均从结构上风侧前10 m开始减弱，孔隙率较小的结构其风速减弱更为明显，孔隙率为0时近地面流速几乎也为0；在结构下风侧，由于防雪墙无孔隙结构直接的阻碍，在0.5 m高度范围内流速几乎均为0，而存在孔隙结构的下风侧，近地面流速范围在1.5~3 m/s，孔隙结构的存在增加了下风侧流速。在0.1 m的测点高度上，防雪墙在墙后约30 m处的位置，风速已与来流风速恢复一致；在0.5 m的测点高度上，风速在结构下风侧约30 m处的位置已恢复至初始风速的70%；在5 m测点高度处结构下风侧约30 m处的位置为初始风速的30%。以上表明，随着测点高度的增加，防雪结构对下风侧流场的影响范围越大；随着孔隙率的增加，各高度测点的风速变化更为平稳，在防雪结构高度以内，同一高度的风速随着孔隙率的增大而增加，而在防雪结构以上的高度，同一高度的风速随孔隙率的增大而减小。

对比图 14(b)不同高度防雪结构两侧水平方向风速分布，可以看出结构下风侧流速的减弱区域与防雪结构高度H表现出相关性。在5 m高处的测点中，高度为2 m和3 m在防雪结构下风侧流速并未与结构上风侧流速表现出明显差异，而高度为4 m和5 m的结构下风侧依然表现出显著的流速减弱。在低于防雪结构高度H的区域，结构两侧流速减弱效果均较为明显，并且减速区范围随H的增加而增大。在1 m测点高度上，2 m高防雪结构的下风侧减速区范围长约25 m；3 m高防雪结构的下风侧减速区范围长约30 m；4 m高防雪结构下风侧存在长约40 m。随着防雪结构高度的增加，减速区范围逐渐向下风侧移动，范围逐渐变大。

对比图 14(c)不同底部间隙防雪结构两侧水平方向风速分布。可以看出在0.1 m高度测点上，底部间隙越大风速波动越大，底部间隙d=0.3 m时，防雪结构处的最大风速达到了6.0 m/s，同时在下风侧流速也相对其余工况显著增加，但是不同底部间隙的减速区域范围几乎一致；随着测点高度的增加，当测点高度为1 m时，d=0.3 m时的防雪结构下风侧流速依旧较其余工况增长明显，但最大流速相对0.1 m测点高度有所减小。这说明当防雪结构存在底部间隙结构时，其近地面流速会大于较高处，当测点高度大于1 m时，不同底部间隙的防雪结构下风侧风速分布已几乎一致，说明底部间隙主要影响的是近地面流场分布，对于较高处测点位置的风速影响差异较小。

4.3 风吹雪运动平衡

作为风吹雪运动的动力源和物质基础，风场和雪量分别直接影响着积雪深度。在风吹雪运动中，雪粒不断从气流中获取动能，这使得雪粒进入运动状态并随气流移动，从而增加了气流中的雪量；同时，当风吹雪运动发生时，靠近雪面的运动雪粒降低了平均风速，雪粒运动减少了气流动能，部分雪粒无法持续运动而沉落至地面，减少了气流中雪量。部分雪粒从地面被吹起，同时也有雪粒降沉落至地面，气流能量变化与雪粒运动变化处于动态平衡中。雪粒运动影响气流，而气流的变化也影响雪粒的运动，形成了双向反馈系统。由于气流能量和雪粒运动状态不断变化，所达到的平衡状态是动态的。

风吹雪运动对雪粒表面具有沉积和侵蚀作用，在动态平衡状态下沉积性和侵蚀性可认为是等量的，而防雪结构导致的来流条件的改变会打破这种平衡，导致沉积量和侵蚀量的差异，使更多雪粒进入风吹雪运动状态或沉落在地面上。在防雪结构的作用下，风速的变化导致流场状态的差异性，流速增加区域里风吹雪运动表现出更明显的侵蚀性，更多雪粒进入风吹雪运动，而流速减弱区域里风吹雪运动表现出更明显的沉积性，雪粒沉落至地面。通过防雪结构对流场的影响和对雪粒运动直接的阻挡，更多的雪粒沉积在防雪结构的作用范围区域内，进而减少交通工程线路的积雪，并最终达到减弱风吹雪灾害发生的可能性。

5 结论

本研究以防雪结构为主要研究对象，基于自主研发可移动直流风洞设备，依托新疆地区风吹雪现象易发区域交通工程，在冬季自然环境中开展试验。研究了防雪结构作用和影响因素，并总结了风吹雪运动机理，主要结论如下。

(1) 研究采用可移动直流风洞设备对风吹雪现象进行试验分析。试验条件依据实际风吹雪区域交通工程沿线的风雪特性设定，并综合考虑了实际吹风时间、降雪量及降雪速率，从试验设备、试验材料和测量方法均提供了更优化的方法。

(2) 流场作为风吹雪运动的动力源是雪粒产生运动的本质原因，防雪结构底部间隙主要影响防雪结构区域近地面流速分布，随着底部间隙的增大，防雪结构近地面处流速增加，导致下风侧近地面流速也有所增大，雪粒在较大间隙的风速作用下会向防雪结构下风侧堆积，防雪结构底部间隙的变化对1m高度以上的流场分布影响较小。

(3) 孔隙率为50%时，防雪结构下风侧积雪沉积区长度约为防雪结构高度的10~12倍，防雪结构底部间隙主要影响防雪结构区域近地面流速分布。试验中2，3，4，5 m高度下防雪结构作用范围内雪量分别增加了17.3%，35.7%，42.8%和58.1%，防雪结构底部间隙在0.1~0.2 m时作用范围内总沉积雪量达到最大值。

(4) 风吹雪运动具有动态平衡性，防雪结构导致的来流条件的改变会打破这种平衡，防雪结构高度以下的流场会受到减速影响，防雪结构孔隙率主要影响下风侧流场的形态分布，导致沉积量和侵蚀量的差异，使更多雪粒进入风吹雪运动状态或沉落在地面上。

研究结论可为相关寒区交通工程的风吹雪灾害防治工作提供一定参考，后续可进一步完善模型试验的设备和测量技术，在风洞中配套三维粒子成像测量技术并采用真实雪粒，对风吹雪运动下的雪粒特征进行模拟试验分析，并通过对比人造雪和自然雪的试验结果，进一步增加研究方法的可靠性和准确性。