王瑞祥， 魏 靜， 劉佳昕， 閆志越， 劉 強(qiáng)

（1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2. 中鐵建新疆京新高速公路有限公司，新疆 烏魯木齊 830092）

0 引言

風(fēng)吹雪是我國(guó)北方地區(qū)常見(jiàn)的一種自然災(zāi)害，是雪在風(fēng)的作用下遷移、重新沉積的過(guò)程。我國(guó)風(fēng)吹雪區(qū)域總面積約530×104km2［1］，主要位于新疆中溫帶、青藏高原寒帶、內(nèi)蒙古溫帶等地區(qū)，其時(shí)空分布的不均勻性與季節(jié)更替和緯度位置等因素有關(guān)，例如，新疆風(fēng)吹雪災(zāi)害頻發(fā)季節(jié)是在冬季和初春，并且多發(fā)生于西部和北部山區(qū)［2-3］。風(fēng)吹雪給工農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸帶來(lái)嚴(yán)重危害，因此，詳盡掌握交通基礎(chǔ)設(shè)施沿線的風(fēng)吹雪特征及災(zāi)害分布情況，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)和保障交通運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。

目前已有較多針對(duì)風(fēng)吹雪災(zāi)害預(yù)測(cè)及危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)判定等方面的研究，對(duì)采用防治措施起到理論和實(shí)踐上的指導(dǎo)。例如，在區(qū)域雪災(zāi)預(yù)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面，周曉莉等［4］建立了基于距離函數(shù)的雪災(zāi)等級(jí)評(píng)估模型，得出西藏地區(qū)發(fā)生雪災(zāi)次數(shù)最多的季節(jié)為春季以及21 世紀(jì)來(lái)發(fā)生嚴(yán)重雪災(zāi)次數(shù)有所減少的結(jié)論。王秀琴等［5］利用多指標(biāo)綜合評(píng)估法，運(yùn)用連續(xù)型隨機(jī)變量分布密度近似法，進(jìn)行了新疆雪災(zāi)等級(jí)區(qū)劃。劉強(qiáng)等［6］結(jié)合公路的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、公路系統(tǒng)脆弱性和風(fēng)吹雪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析，建立了黑龍江省風(fēng)吹雪區(qū)域的概率分析模型，用于道路災(zāi)害預(yù)警，德勒格日瑪?shù)龋?］基于BP 方法和層次分析法建立了內(nèi)蒙古錫林郭勒盟雪災(zāi)綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，并對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃等。上述研究成果給出省域范圍的雪災(zāi)分布及等級(jí)，便于掌握大范圍內(nèi)風(fēng)吹雪分布，但對(duì)于受到風(fēng)吹雪影響的鐵路公路等基礎(chǔ)設(shè)施而言，沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害點(diǎn)多線長(zhǎng)面廣，因此了解風(fēng)吹雪危險(xiǎn)程度更為重要，霍張麗［8］采用GIS平臺(tái)結(jié)合層次分析法，對(duì)新疆精伊霍鐵路沿線和試驗(yàn)段雪害進(jìn)行評(píng)價(jià)區(qū)劃，判斷出風(fēng)吹雪災(zāi)害的重度危險(xiǎn)區(qū)位置。吳鵬等［9］基于模糊綜合評(píng)價(jià)法建立了公路風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型，對(duì)新疆塔城S201線進(jìn)行危險(xiǎn)度判斷，結(jié)果與實(shí)際基本相符。羅新文［10］利用站點(diǎn)觀測(cè)和氣象數(shù)值模擬得出克塔鐵路沿線冬季和夏季的主導(dǎo)風(fēng)向，利用衛(wèi)星影像和區(qū)域氣候模擬得出鐵路線路方案的積雪分布特征，為確定合理的線路方案提供了科學(xué)依據(jù)。孫元春等［11］對(duì)克塔鐵路風(fēng)吹雪特征進(jìn)行進(jìn)一步分析并對(duì)危害分區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合不同路基形式對(duì)風(fēng)吹雪的影響，確定出霍吉爾特區(qū)域?yàn)轱L(fēng)吹雪防治重點(diǎn)段落。上述學(xué)者采用多種評(píng)價(jià)方法分析了我國(guó)新疆北部和西部的公路和鐵路風(fēng)吹雪的危險(xiǎn)程度，為防治風(fēng)吹雪提供了借鑒，但目前，針對(duì)新疆東部東天山以北高等級(jí)公路風(fēng)吹雪特征和危險(xiǎn)度方面的研究尚較為缺乏。由于風(fēng)吹雪災(zāi)害發(fā)展演變會(huì)受到所在研究區(qū)域地形地貌、風(fēng)速風(fēng)向、降雪量等局部氣候環(huán)境以及路基結(jié)構(gòu)形式等多種因素的共同影響，具有很強(qiáng)的地域性，因此，對(duì)于已有相關(guān)理論和技術(shù)不能照搬或直接應(yīng)用，需要根據(jù)工程實(shí)際開(kāi)展分析。

位于東天山北麓風(fēng)吹雪災(zāi)害易發(fā)地區(qū)的京新高速公路（G7）新疆伊吾—木壘段，是本區(qū)域首條設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km 的高等級(jí)公路，國(guó)防及經(jīng)濟(jì)意義重大。由于當(dāng)?shù)貧庀笳镜狞c(diǎn)位少距離遠(yuǎn)，氣象資料遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高速公路防風(fēng)雪設(shè)計(jì)需求，2021 年6 月30 日高速公路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，經(jīng)歷了第一個(gè)冬季，面臨了若干次風(fēng)吹雪災(zāi)害引起的封路問(wèn)題。考慮到高速公路路面更寬、附屬設(shè)施更多以及對(duì)運(yùn)營(yíng)通行要求更嚴(yán)格的情況，了解京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段風(fēng)吹雪發(fā)生和分布的特殊性，掌握其風(fēng)吹雪特征并進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，針對(duì)風(fēng)吹雪災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)極高的地段提出調(diào)整或者增設(shè)防雪措施的相關(guān)建議，是亟須解決的實(shí)際問(wèn)題。因此，本文通過(guò)風(fēng)速風(fēng)向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感、現(xiàn)場(chǎng)雪情調(diào)研以及模糊綜合評(píng)價(jià)等研究方法，得出了本高速公路沿線的風(fēng)吹雪特征，給出了風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度劃分，這對(duì)下一步開(kāi)展風(fēng)吹雪防治工作具有重要意義。

1 京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段地處哈密市和昌吉州境內(nèi)，路線自伊吾向西途經(jīng)巴里坤和木壘縣，與奇木高速相連，全長(zhǎng)約328.4 km，建設(shè)期分為伊吾至巴里坤標(biāo)段（以下簡(jiǎn)稱YBTJ 段）和巴里坤至木壘標(biāo)段（以下簡(jiǎn)稱BMTJ 段），標(biāo)段劃分和路線走向如圖1 所示。路線行經(jīng)區(qū)域?yàn)楸睖貛Т箨懜珊祬^(qū)、寒溫帶亞干旱區(qū)和亞寒帶亞干旱區(qū)等氣候區(qū)，冬季嚴(yán)寒，降雪量大，亂風(fēng)現(xiàn)象明顯，氣候條件復(fù)雜。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料顯示，巴里坤縣降雪最大積雪深度達(dá)380 mm，木壘縣最大積雪深度為440 mm，整個(gè)冬季降雪日數(shù)平均在40 天，降雪量94.4 mm，占全年降水總量的三分之一。巴里坤和木壘地區(qū)風(fēng)向多為南風(fēng)、西南風(fēng)和西風(fēng)。高速公路路線大致為東西走向，風(fēng)向與路線交角較大，極易發(fā)生風(fēng)吹雪害。高速公路經(jīng)過(guò)的地形地貌也存在較大差異，如山前沖洪積平原、剝蝕—堆積微丘區(qū)、臺(tái)地、山間盆地低中山以及湖相沉積平原等，區(qū)域各路段風(fēng)吹雪害嚴(yán)重程度不一，高速公路的修建改變局地范圍內(nèi)原有的微氣候和微地形條件，從而會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的風(fēng)吹雪災(zāi)害。

圖1 京新高速伊吾—木壘段標(biāo)段及路線走向示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the bidding section and route direction of the Yiwu-Mulei section of the Beijing-Xinjiang Expressway

1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感

2018—2020 年冬季對(duì)處于建設(shè)期的該條高速公路全線進(jìn)行了雪情調(diào)查，綜合考慮沿線的地形地貌、主導(dǎo)風(fēng)向、風(fēng)速大小、風(fēng)吹雪危害程度、路基填挖高度等因素，重點(diǎn)選擇淺路塹、深路塹、互通立交、路堤路塹過(guò)渡段以及隧道進(jìn)出口等風(fēng)吹雪較嚴(yán)重路段的代表性工點(diǎn)，設(shè)置26 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，實(shí)時(shí)獲取風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等數(shù)據(jù)，如圖2 所示。其中，YBTJ 段監(jiān)測(cè)范圍為K50+580～K60+600，BMTJ 段監(jiān)測(cè)范圍為K148+800～K236+340，這里K50+580 表示的是公路建設(shè)期的樁號(hào)，即以K0+000 為伊吾至巴里坤設(shè)計(jì)段起點(diǎn)，K50+580 表示距離標(biāo)段起點(diǎn)50 km又580 m的位置。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)位示意圖Fig. 2 Schematic diagram of long distance monitoring points

采用自主設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象站獲取環(huán)境溫濕度、1.5 m 和3 m 高度的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，每套監(jiān)測(cè)設(shè)備包含供電保障、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)等系統(tǒng)?？紤]到沿線部分區(qū)域電信信號(hào)不穩(wěn)定且時(shí)有信號(hào)缺失情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加了斷點(diǎn)傳輸技術(shù)以防止數(shù)據(jù)丟失。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2020年11 月11 日至2022 年3 月20 日，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至新疆京新高速風(fēng)吹雪監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

根據(jù)京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段的經(jīng)緯度，采用衛(wèi)星遙感方法，獲取國(guó)產(chǎn)高分二號(hào)衛(wèi)星影像多景，應(yīng)用目視解譯和自動(dòng)分類技術(shù)，得到較為清晰的高速公路雪地覆蓋影像，這對(duì)探索利用高分辨率衛(wèi)星影像得到高速公路積雪覆蓋范圍提供了可行性和較好的精度，并能夠?yàn)楹罄m(xù)高分衛(wèi)星影像應(yīng)用于高寒等條件惡劣地區(qū)的交通監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。

2 京新高速（G7）伊吾—木壘段的風(fēng)吹雪特征

2.1 高速公路沿線的風(fēng)速風(fēng)向特征

風(fēng)是風(fēng)吹雪發(fā)生的重要因素之一，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，公路沿線的風(fēng)速風(fēng)向差異大。篩選出冬季大于4 m·s-1起動(dòng)風(fēng)速［12］的實(shí)測(cè)風(fēng)速值，分析其出現(xiàn)頻率，如圖3所示。統(tǒng)計(jì)起動(dòng)風(fēng)速以上范圍的風(fēng)速頻次，利用高德地圖開(kāi)放平臺(tái)中的數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，分析得到風(fēng)速分布熱力圖，如圖4 所示。確定出公路沿線風(fēng)力較強(qiáng)易發(fā)生風(fēng)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區(qū)域。

圖3 公路沿線冬季風(fēng)速分布Fig. 3 Winter wind speed distribution along the expressway

圖4 公路沿線風(fēng)速分布熱力圖Fig. 4 Heat map of wind speed distribution along the expressway

根據(jù)監(jiān)測(cè)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)可知，YBTJ 段以西風(fēng)、西南風(fēng)為主，BMTJ 段東側(cè)以西北風(fēng)為主，向西逐漸過(guò)渡到以東南風(fēng)為主，如圖5 所示。由于高速公路整體呈東-西走向，主導(dǎo)風(fēng)向與路線有較大夾角，會(huì)加重風(fēng)吹雪對(duì)公路的危害。

圖5 公路沿線風(fēng)速風(fēng)向分布圖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）

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明部分路段風(fēng)向隨季節(jié)和天氣變化大。冬季與夏季風(fēng)向不同，如圖6 所示BMTJ 段的K200+000～K210+000 路段冬季東南風(fēng)和西北風(fēng)交替出現(xiàn)，夏季均為偏北風(fēng)，無(wú)偏南風(fēng)。冬季降雪期間與非降雪期間風(fēng)向不同，如圖7 所示的K210+000～K223+000 非降雪期主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，降雪期間西北風(fēng)和東南風(fēng)交替出現(xiàn)。

部分路段主導(dǎo)風(fēng)向由地形決定，位于峽谷地帶的路段主導(dǎo)風(fēng)向順應(yīng)山體走向。包括：K155+100主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，K194+780 主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北-西南風(fēng)，K206+040 主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟?北風(fēng)，K209+390 主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南-西北風(fēng)。

2.2 高速公路沿線的雪特征

京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段經(jīng)過(guò)的伊吾縣、巴里坤縣、木壘縣2009—2021 年歷史降雪量如圖8 所示。由圖可見(jiàn)，從伊吾縣向西至巴里坤縣和木壘縣降雪量逐漸增加，巴里坤縣和木壘縣的歷史平均降雪量較多，降雪量年際變化較大。2020—2022 年，巴里坤縣和木壘縣降雪量處于歷史高位，單次降雪量最大62.5 mm，調(diào)研發(fā)現(xiàn)公路路面的積雪最深在100 mm以上。

圖8 公路途經(jīng)縣域年降雪量變化Fig. 8 Annual snowfall changes in counties along the expressway

天山冬季積雪密度分別為：新雪（干雪）0.04～0.08 g·cm-3，新雪（濕雪）0.10～0.20 g·cm-3，細(xì)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，融凍雪0.20～0.27 g·cm-3，深霜0.22～0.27 g·cm-3，而美國(guó)內(nèi)華達(dá)山脈附近平均雪密度約為0.17 g·cm-3，法國(guó)阿爾卑斯山的雪密度約為0.30 g·cm-3，日本山區(qū)雪密度約0.35 g·cm-3，格陵蘭地區(qū)雪密度約為0.32 g·cm-3，北極積雪密度約為0.4 g·cm-3，與上述地區(qū)的積雪密度相比較，天山積雪密度明顯偏小，屬于低密度雪，有利于雪粒起動(dòng)，形成風(fēng)吹雪［12］。2019—2022 年冬季雪情調(diào)研時(shí)測(cè)得的項(xiàng)目區(qū)域新雪密度如表1所示。

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

不同時(shí)段多次測(cè)量項(xiàng)目區(qū)新雪密度平均為0.10 g·cm-3，屬于新雪（濕雪）類，這是由于降雪期間環(huán)境濕度較大導(dǎo)致。2022 年1 月11 日至1 月13日降雪期公路環(huán)境濕度變化如圖9 所示，降雪期間公路附近環(huán)境濕度由47.4%增加至82.5%，降雪停止后下降至19.3%。將地面以上1 m 高度處使雪粒起動(dòng)運(yùn)行的風(fēng)速定義為雪起動(dòng)風(fēng)速，新雪（濕雪）的起動(dòng)風(fēng)速在3.7～4.3 m·s-1之間［12］。

圖9 降雪期間公路環(huán)境平均濕度變化Fig. 9 Annual snowfall changes in counties along the expressway

公路沿線積雪遙感圖像取自2022年1月11日，圖片表明BMTJ段具體公路位置處發(fā)生嚴(yán)重的風(fēng)吹雪，如圖10所示。

圖10 BMTJ標(biāo)段路面風(fēng)吹雪衛(wèi)星遙感圖像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 易造成積雪的路基形式

京新高速公路（G7）新疆伊吾—木壘段穿越山前平原、低山、丘陵、山間溝谷等地形，路基填挖方高度變化大，部分最大填方挖方達(dá)到10 m 以上，低填淺挖或零路基地段也較多。2021—2022 年冬季雪情調(diào)研發(fā)現(xiàn)，低填淺挖路基是風(fēng)吹雪災(zāi)害最嚴(yán)重的路基形式，其通常位于地形平坦開(kāi)闊地帶，有利于風(fēng)吹雪發(fā)育，路基與兩側(cè)地面高差小，風(fēng)吹雪過(guò)程中雪粒更易躍上路面，這是產(chǎn)生路面積雪的前提。此外，安裝在路側(cè)和中央分隔帶的波形梁護(hù)欄改變了路面近地面風(fēng)的流場(chǎng)分布，波形梁后側(cè)形成渦旋，在路面上形成弱風(fēng)區(qū)，致使風(fēng)雪流中的雪粒沉積［13］，如圖11（a）所示。在半路塹背風(fēng)坡坡頂，氣流導(dǎo)致風(fēng)雪流貼地附面層分離產(chǎn)生渦旋，由于渦旋的影響，使得雪沉積在坡面并逐漸蔓延至路面，或者路面上的降雪被吹遠(yuǎn)再被卷回來(lái)沉積在路面上，如圖11（b）所示，這與文獻(xiàn)［14］中闡述的在鐵路路基上設(shè)置擋風(fēng)墻后，越過(guò)墻的沙粒在墻后風(fēng)沙流渦旋的影響下發(fā)生沉積或被卷回到路基面上的規(guī)律類似［14］。

圖11 路基積雪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—木壘段的風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

3.1 風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型

風(fēng)吹雪危險(xiǎn)程度受多種因素影響，是一個(gè)模糊的概念，因此建立評(píng)價(jià)模型宜采用模糊綜合評(píng)價(jià)法。模糊綜合評(píng)價(jià)法是建立評(píng)價(jià)模型以準(zhǔn)確反映事物各影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的邏輯關(guān)系，只能以定性或半定量形式來(lái)描述和評(píng)價(jià)［15］。

3.1.1 因素集和權(quán)重

本研究中因素集是包含影響風(fēng)吹雪嚴(yán)重程度因素的集合，用U表示。

式中：u1，u2，...，un為影響因素，根據(jù)《公路雪害防治技術(shù)規(guī)范》（DB 65/T 4185—2019）（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）［16］中提及的風(fēng)吹雪影響因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確定主評(píng)價(jià)因素為自然因素和工程因素。

自然因素包含的子評(píng)價(jià)因素有：（1）平均風(fēng)速；（2）主導(dǎo)風(fēng)向與道路夾角；（3）吹雪頻率；（4）最大積雪深度。

工程因素包含的子評(píng)價(jià)因素有：（1）上風(fēng)側(cè)開(kāi)闊地帶長(zhǎng)度；（2）路線曲率半徑；（3）路基高度；（4）路基邊坡坡度。各評(píng)價(jià)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)和取值范圍如表2 所示。為構(gòu)建廣泛應(yīng)用的評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)因素取值范圍考慮了理論上所有可能情況。

表2 公路風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)因素指標(biāo)和取值范圍Table 2 The evaluation factor index and value range of road snowdrift

為突出各因素對(duì)風(fēng)吹雪的影響程度，引入權(quán)重向量A。

根據(jù)規(guī)范中的因素影響大小確定各因素權(quán)重如表3所示，各級(jí)權(quán)重滿足歸一化原則。

表3 公路風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度各影響因素的權(quán)重分配Table 3 Weight distribution of various influencing factors of road snowdrift

權(quán)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 評(píng)語(yǔ)集

評(píng)語(yǔ)集是評(píng)價(jià)結(jié)果的集合，用V表示。

式中：v1，v2，...，vm為因素集中各影響因素的評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)規(guī)范和以往學(xué)者研究結(jié)果，將風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度分為3 類：危險(xiǎn)度極高，危險(xiǎn)度較高，危險(xiǎn)度不高。即：V={危險(xiǎn)度極高，危險(xiǎn)度較高，危險(xiǎn)度不高}。

評(píng)價(jià)因素和評(píng)語(yǔ)組成的兩級(jí)評(píng)價(jià)模型如表4所示。

表4 公路風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度的層次評(píng)價(jià)模型Table 4 Hierarchical evaluation model of road snowdrift risk

3.1.3 單因素評(píng)價(jià)

單因素模糊評(píng)價(jià)是因素集U中單一因素的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)評(píng)語(yǔ)集V中某個(gè)評(píng)語(yǔ)的隸屬程度［16］，各因素對(duì)各評(píng)語(yǔ)的隸屬關(guān)系構(gòu)成評(píng)價(jià)矩陣。確定隸屬函數(shù)采用模糊分布方法，總結(jié)已有研究結(jié)論，各評(píng)價(jià)因素選用合理的分布類型，并根據(jù)規(guī)范中界定的部分因素影響程度和大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研觀測(cè)確定分布參數(shù)取值。單因素評(píng)價(jià)矩陣R1包含4 個(gè)自然因素，用變量x表示，見(jiàn)公式（4），其中，變量x在第一行代表平均風(fēng)速，第二行為主導(dǎo)風(fēng)向與道路夾角，第三行為吹雪頻率，第四行為最大積雪深度。矩陣R2包含4個(gè)工程因素，見(jiàn)公式（5），變量x在第一行代表上風(fēng)側(cè)開(kāi)闊地帶長(zhǎng)度，第二行為路線曲率半徑，第三行為路基高度，第四行為路基邊坡坡度。

3.1.4 多因素模糊評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)是權(quán)重和單因素評(píng)價(jià)矩陣模糊變換的結(jié)果。一級(jí)評(píng)價(jià)計(jì)算如式（6）所示。

二級(jí)評(píng)價(jià)計(jì)算如式（7）所示。

b1、b2、b3分別為綜合評(píng)價(jià)后對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)危險(xiǎn)度極高、較高、不高的隸屬度。按最大隸屬度原則，b1，b2，b3中最大值對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)為某一路段的風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度等級(jí)。

3.2 風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)結(jié)果

采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)京新高速伊吾—木壘段進(jìn)行風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得到的風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度分區(qū)如圖12所示，圖中紅色、黃色、藍(lán)色分別代表風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度極高、較高和不高路段，即分別對(duì)應(yīng)圖中的危險(xiǎn)、較危險(xiǎn)和安全分區(qū)。

圖12 京新高速伊吾—木壘段風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度分布圖Fig. 12 Distribution map of snowdrift risk in Yiwu-Mulei section of Beijing-Xinjiang Expressway：YBTJ tender sention （a）； BMTJ tender section （b）

風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度依據(jù)京新高速公路新疆伊吾—木壘段的各路段路基形式、周邊環(huán)境、實(shí)際風(fēng)吹雪大小、吹雪頻率等因素進(jìn)行劃分。根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感及模糊綜合評(píng)價(jià)方法，確定出風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度極高和較高路段如表5 和表6。

表5 風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度極高路段范圍Table 5 Range of road sections with extremely high risk of snowdrift

表6 風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度較高路段范圍Table 6 Range of road sections with high risk of snowdrift

3.3 風(fēng)吹雪高危險(xiǎn)度路段現(xiàn)場(chǎng)積雪分析

高危險(xiǎn)度路段均為風(fēng)力較大和雪源處積雪深度大的區(qū)域，其滿足風(fēng)吹雪發(fā)生的自然條件，該區(qū)域的路基設(shè)計(jì)參數(shù)顯著增大風(fēng)吹雪災(zāi)害程度，通過(guò)衛(wèi)星遙感結(jié)果及2021—2022 年冬季雪情調(diào)研驗(yàn)證了前文模糊評(píng)級(jí)給出的風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度分區(qū)，在風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度極高地段，積雪深度達(dá)到100 mm 以上，完全阻斷交通，而風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度不高的地段路面基本無(wú)積雪。

現(xiàn)場(chǎng)雪情調(diào)研發(fā)現(xiàn)，風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度極高路段包括設(shè)置波形梁護(hù)欄的中低填方路堤和淺路塹。設(shè)置波形梁護(hù)欄的中低填方路堤段由于風(fēng)吹雪造成的路面積雪最嚴(yán)重，波形梁護(hù)欄［17-19］對(duì)路基近地面風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)使風(fēng)雪流中的雪粒通過(guò)路面困難，因此大量沉積，而高填方路堤由于上風(fēng)側(cè)邊坡阻擋部分雪粒，到達(dá)路面的雪顆粒相對(duì)減少，兩種路堤路面的積雪情況對(duì)比如圖13 所示。在風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度極高路段如K51+300～K53+300、 K56+900～K59+100、 K154+000～K157+000、K214+000～K216+000 以及K222+000～K223+000均為風(fēng)吹雪造成的路面積雪類型。

圖13 設(shè)置護(hù)欄段路堤路面積雪圖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）

比起波形梁護(hù)欄易導(dǎo)致低路堤路面積雪堆積的情況，纜索護(hù)欄由于透風(fēng)率高，對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)小，風(fēng)雪流可通過(guò)路面，如圖13（a）中左側(cè)設(shè)置纜索護(hù)欄，左幅路面無(wú)明顯積雪?；炷磷o(hù)欄也易導(dǎo)致雪沉積，如圖14（a）所示。其引起的積雪集中在路側(cè)，對(duì)行車道通行影響相對(duì)較小。橋梁段采用的金屬梁柱式護(hù)欄對(duì)風(fēng)雪流擾動(dòng)較小，加之橋面距地面高，不受地面風(fēng)雪流運(yùn)動(dòng)影響，風(fēng)吹雪對(duì)設(shè)置金屬梁柱式護(hù)欄的橋涵段危害較小，如圖14（b）所示。設(shè)置波形梁護(hù)欄的路堤段，適當(dāng)提高路堤高度或改用透風(fēng)率高的纜索護(hù)欄可有效減輕路面積雪。

圖14 不同護(hù)欄形式的路面積雪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）

工程中常在易發(fā)風(fēng)吹雪路塹段采用路堤式路塹，即在路塹內(nèi)部填筑路堤，同時(shí)開(kāi)挖路堤兩側(cè)土石方，與兩側(cè)邊坡之間形成一定的儲(chǔ)雪空間（積雪平臺(tái)）。京新高速（G7）伊吾至木壘段的路堤式路塹和積雪平臺(tái)如圖15 所示。積雪平臺(tái)儲(chǔ)雪量受邊坡高度影響，平臺(tái)寬度相同的情況下，邊坡越高儲(chǔ)雪空間越大。因此，淺路塹位置的積雪平臺(tái)更容易達(dá)到飽和，積雪溢出至路面，如圖16所示，風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度極高的路段K203+000～K205+000 為此類風(fēng)吹雪造成的路面積雪類型。

圖15 路堤式路塹和積雪平臺(tái)Fig. 15 Embankment cut and snow platform of Beijing-Xinjiang Expressway

圖16 淺路塹路面積雪Fig. 16 Snow on shallow cut road

淺路塹相比深路塹，在設(shè)置路側(cè)或中央分隔帶護(hù)欄路段的路面上產(chǎn)生較多積雪，積雪形成原理與路堤段相同。淺路塹位置可拓寬加深路側(cè)積雪平臺(tái)，增加儲(chǔ)雪量以減少路面積雪。

4 結(jié)論

本文通過(guò)風(fēng)速風(fēng)向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感和現(xiàn)場(chǎng)雪情調(diào)研，明確了京新高速公路（G7）新疆伊吾—木壘段風(fēng)吹雪特征，分析了風(fēng)吹雪發(fā)生的自然因素和工程因素，建立風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型，對(duì)全線風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度進(jìn)行劃分，給出風(fēng)吹雪嚴(yán)重地段的路基形式，為本條高速公路開(kāi)展防風(fēng)雪措施的設(shè)置提供了依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）京新高速（G7）新疆伊吾—木壘段新降雪的密度小，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)顯示沿線風(fēng)速超過(guò)雪起動(dòng)風(fēng)速的頻率高，高速公路部分路段風(fēng)向與路線走向垂直或呈大角度，具備發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)吹雪害的風(fēng)場(chǎng)條件。YBTJ的K50+000～K56+000、BMTJ 的K148+800～K155+100和K206+040～K232+980是三處風(fēng)力較強(qiáng)路段，疊加降雪條件，極易發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)吹雪災(zāi)害。近年來(lái)降雪量年際變化大，例如BMTJ 的K144+000～K259+806降雪量大，具有發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)吹雪的雪源條件。當(dāng)降雪量較大，風(fēng)速超過(guò)雪粒子起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，極易發(fā)生風(fēng)吹雪災(zāi)害。

（2）選取自然和工程因素，給出單因素評(píng)價(jià)隸屬函數(shù)矩陣和兩級(jí)評(píng)價(jià)權(quán)重向量，建立公路風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度模糊綜合評(píng)價(jià)模型，遵循最大隸屬度原則確定風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度。經(jīng)評(píng)價(jià)得出全線共6處風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度極高路段和6 處風(fēng)吹雪危險(xiǎn)度較高路段，衛(wèi)星遙感資料及高速公路建設(shè)和開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后的冬季現(xiàn)場(chǎng)雪情調(diào)研證明了上述模糊度評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性。

（3）分析風(fēng)吹雪高危險(xiǎn)度路段的路基形式發(fā)現(xiàn)，低路堤路面的大量積雪由波形梁護(hù)欄引起，導(dǎo)致冬季雪后高速公路封路除雪次數(shù)較多，建議距離低路堤一定位置可設(shè)置擋雪板，或者改用透風(fēng)率更高的纜索護(hù)欄來(lái)減輕路面風(fēng)吹雪災(zāi)害。淺路塹的積雪是由于路側(cè)積雪平臺(tái)儲(chǔ)雪量不夠?qū)е?，易使風(fēng)吹雪蔓延至路面，增大路側(cè)積雪平臺(tái)儲(chǔ)雪空間可減輕路面積雪，也可考慮在淺路塹來(lái)流側(cè)增設(shè)擋雪板措施。