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原文传递沙漠高速公路地理环境数据库构建及风沙响应规律研究

论文题名：	沙漠高速公路地理环境数据库构建及风沙响应规律研究
关键词：	高速公路路堤;流场结构;积沙形成机理;地理环境数据库
摘要：	西部地区受自然环境影响部分公路建设将不可避免面临风沙灾害问题，明晰公路沿线风沙环境和沙害形成机理是保障公路建设和安全运营的前提。针对公路面临的风沙问题，目前研究主要集中在单点位置的风沙环境分析和正交风向且平坦地形下的风沙流模拟，对沿线整体风沙环境的考虑较少，也忽略了地形、风向、道路平面线形变化对风沙流活动产生的影响，导致现有研究结果对沙区公路风沙灾害体系的认识仍存在不足。为此，本文依托新建乌海至玛沁（乌玛）高速公路中卫沙漠段实践工程，在经过多次现场勘察和持续监测的基础上，融合地理信息系统（GIS）和CFD数值模拟，对实现沙漠高速公路多源环境数据管理，更好掌握全线风沙环境以及揭示风沙流作用下不同地形和平面线形路堤的流场结构与积沙形成机理展开了系列研究，主要完成以下工作：　　（1）结合乌玛高速公路沿线地理位置、沙源分布及气象资料，进行不同区域的风沙环境分析　　根据乌玛高速公路沙漠段沿线风沙地貌类型和下垫面差异，将沿线沙源环境分为平沙地、流动沙丘和山前冲洪积平原，结合多个野外气象站收集资料，从起沙风况、风速概率分布及输沙环境等多方面对比沿线不同沙源地区的风沙环境特征。　　（2）研究基于GIS的沙漠地区地理环境数据库构建方法，并设计公路风沙危害评价体系，进行沿线重点风沙灾害路段分析　　为进一步掌握乌玛高速公路穿沙区全段风沙环境，基于 ArcGIS Geodatabase 平台，将分散于不同云端或平台的环境数据组织整合，生成能够对高速公路沿线环境进行可视化分析与管理的沙漠地理环境数据库。基于构建的地理数据库从气象环境和沙源地貌两方面建立公路风沙危害评价体系，采用改进 AHP 法计算权重，进行空间加权叠加后得到乌玛高速公路沿线风沙灾害危险程度分布图，并通过现场积沙情况，验证评价结果的准确性。　　（3）结合现场实测数据，研究不同沙丘分布对路基周围流场结构与积沙规律的影响　　明确乌玛高速公路沙害较严重区段后，在正线里程K171+800附近修建与原道路同向的试验段公路，并在试验段道路多个典型位置布设积沙观测点，通过现场实测和数值模拟，分析两侧存在沙丘和平坦地形下路堤周围的流场结构与积沙规律，发现路基周围水平风速整体变化呈“M”型，最大风速集中在沙丘顶部，当来流风速较低时，迎风坡减速区内风速均在起沙风速以内，大部分沙粒将在此沉积，且气流能量不足将沙粒再次带动，随来流风速的增大，路堤和沙丘迎风坡的积沙逐渐减少，背风侧的积沙量有增大趋势。　　（4）研究不同平面线形条件下路堤周围的流场结构与积沙规律，为沙漠公路的平面线形优化提供参考依据　　通过 CFD 数值模拟和现场积沙实测，研究乌玛高速公路多风向条件下直线路堤和不同平曲线半径凸面迎风与凹面迎风型路堤的流场结构及其积沙规律，发现斜向风沙流穿越路堤时，能够降低运动气流的分离尺度，且风向与道路轴向夹角越小，路堤周围风速越低，路堤周围积沙受分流作用影响沿边坡向主导风向搬运；凸面迎风型路堤对沙流有向外疏导作用，凹面迎风型路堤对沙流有向内汇集作用；平曲线半径相同时，同距离疏导作用要大于汇集作用。为降低风沙活动对道路的影响，平面线形设计过程中，应尽量选择平行于主导风向的直线，若需设置平曲线，首先考虑较大半径的凸面迎风型曲线，避免布设凹面迎风型道路。
作者：	刘志博
专业：	道路与铁道工程
导师：	韩峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022