風(fēng)吹雪雪害與路基高度關(guān)系的研究

風(fēng)吹雪雪害與路基高度關(guān)系的研究

為了避免或減少雪害對(duì)道路建設(shè)的損害，全面研究總結(jié)了風(fēng)雨彌漫雪害的系統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用控制。內(nèi)蒙古錫林郭勒盟交通科學(xué)研究所對(duì)東北、西北地區(qū)多條高等級(jí)公路進(jìn)行了詳細(xì)的風(fēng)吹雪雪害調(diào)查，對(duì)路基斷面形式、路域植被蓋度、路側(cè)有無障礙物、有無防雪措施等多個(gè)因素進(jìn)行了數(shù)量化分析，結(jié)果表明：最主要的影響因素是路基斷面形式，其他因素對(duì)公路雪害只具有減緩或加強(qiáng)的作用，其中路基高度是路基斷面形式的關(guān)鍵參數(shù)之一。只有通過對(duì)公路路基風(fēng)雪流場(chǎng)特征的分析，明確了路基高度與風(fēng)雪流的關(guān)系，才能確定不易積雪的合理路基高度，這為總結(jié)經(jīng)濟(jì)適用的公路雪害防治技術(shù)研究提供科學(xué)依據(jù)具有重要意義。1風(fēng)速流場(chǎng)分布風(fēng)雪流是一種氣固兩相流，在沒有障礙物存在的情況下，風(fēng)雪流在運(yùn)行過程中，一方面不斷地從地表吹起雪物質(zhì)，進(jìn)入風(fēng)雪流中；另一方面，雪粒不斷地從風(fēng)雪流中沉落重新回到地面，一般可以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)受到地物影響時(shí)，如公路路基，使保持著動(dòng)態(tài)平衡的風(fēng)雪流在前進(jìn)過程中遇到阻力，引起貼地面氣流的分離，出現(xiàn)弱風(fēng)區(qū)，使近地表面氣流速度大大降低，從而削弱了氣流搬運(yùn)雪粒的能力，風(fēng)雪流由不飽和變?yōu)轱柡突蜻^飽和狀態(tài)，引起多余部分雪粒的跌落沉積。分析研究貼地面氣流層內(nèi)的流場(chǎng)分布規(guī)律，是確定不易積雪的合理路基高度的前提。我們?cè)诮笛┢诖箫L(fēng)天，使用多點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向自動(dòng)記錄儀，在公路上風(fēng)側(cè)、路面、公路下風(fēng)側(cè)多點(diǎn)架設(shè)風(fēng)杯，用1～2臺(tái)主機(jī)控制，自動(dòng)記錄風(fēng)速值。測(cè)點(diǎn)1設(shè)于公路上風(fēng)側(cè)30m以外，該點(diǎn)的風(fēng)速值代表曠野風(fēng)速，測(cè)點(diǎn)2設(shè)于距上風(fēng)側(cè)邊坡坡腳5～7m處，測(cè)點(diǎn)3設(shè)于上風(fēng)側(cè)邊坡坡腳處，測(cè)點(diǎn)5設(shè)于上風(fēng)側(cè)路肩處，測(cè)點(diǎn)6設(shè)于路面中央，測(cè)點(diǎn)7設(shè)于下風(fēng)側(cè)路肩處，測(cè)點(diǎn)8設(shè)于下風(fēng)側(cè)邊坡坡腳處，測(cè)點(diǎn)9設(shè)于距下風(fēng)側(cè)坡腳5～7m處。每個(gè)測(cè)點(diǎn)架設(shè)2個(gè)風(fēng)杯，一個(gè)位于地面以上0.2m，另一個(gè)位于地面以上2.0m處。觀測(cè)時(shí)所有風(fēng)杯同時(shí)開啟，每隔6s記錄一次數(shù)據(jù)，觀測(cè)時(shí)長為15min。對(duì)采集的數(shù)據(jù)使用Sufer8.0軟件處理后即可得到風(fēng)速流場(chǎng)圖。以在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟境內(nèi)G303公路（年最低氣溫-43℃，年最高氣溫為30℃，溫差達(dá)81℃，年降雪量約為150mm），選定零路基（0m）、低路堤（<1.0m）、中路堤（1.0～3.0m）、高路堤（>3.0m），測(cè)得的流場(chǎng)圖為例，對(duì)風(fēng)雪流與公路路基高度的關(guān)系進(jìn)行分析。1.1路側(cè)坡面層分離從圖1看出，氣流在吹經(jīng)公路時(shí)，風(fēng)速變化不大，沒有發(fā)生附面層分離現(xiàn)象，不考慮路側(cè)地貌及自然降雪的影響，風(fēng)雪流容易越過路面，在路面上不易積雪。1.2雙邊坡上風(fēng)速分布風(fēng)雪流在平坦開闊地面時(shí)風(fēng)速變化不大，吹至上風(fēng)側(cè)路基坡腳處風(fēng)速有所降低。當(dāng)風(fēng)雪流沿路基邊坡坡面向上時(shí)，由于氣流受到了壓縮，風(fēng)速顯著增加，在路肩處出現(xiàn)了最大值，0.5m高處風(fēng)速為曠野風(fēng)速的124%，下風(fēng)側(cè)路肩處風(fēng)速為曠野風(fēng)速的120%，整個(gè)路面上風(fēng)速平均為曠野風(fēng)速的120%。1.3路基邊坡風(fēng)速分布風(fēng)雪流吹至上風(fēng)側(cè)路基邊坡坡腳處風(fēng)速大幅降低，當(dāng)風(fēng)雪流沿坡向上時(shí)，風(fēng)速顯著增加，在路肩處出現(xiàn)了最大值，風(fēng)速為曠野值的271%，路面中心處風(fēng)速有所降低，但仍為曠野值的218%，在下風(fēng)側(cè)路肩處又增高至250%，在下風(fēng)側(cè)路基邊坡出現(xiàn)弱風(fēng)區(qū)。1.4路基邊坡風(fēng)速分布高路堤的風(fēng)速流場(chǎng)特征與中路堤的相似，風(fēng)雪流吹至上風(fēng)側(cè)路基邊坡坡腳處風(fēng)速大幅降低，當(dāng)風(fēng)雪流沿坡向上時(shí)，風(fēng)速顯著增加，在路肩處出現(xiàn)了最大值，風(fēng)速為曠野值的200%，路面中心處風(fēng)速有所降低，在下風(fēng)側(cè)路基邊坡出現(xiàn)弱風(fēng)區(qū)。1.5坡面區(qū)域的垂直風(fēng)速動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)沉落綜上所述，風(fēng)雪流在平坦開闊的地面運(yùn)行時(shí)無論是流速還是流態(tài)的變化都不大，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到路堤上風(fēng)側(cè)邊坡坡腳處氣流受阻，貼地風(fēng)速開始下降，并形成渦旋，從而在此形成第一個(gè)弱風(fēng)區(qū)，部分雪粒從風(fēng)雪流中沉落；此后，氣流沿著路堤迎風(fēng)邊坡爬升，由于過流斷面縮小，氣流受壓，風(fēng)速開始加大，至迎風(fēng)路肩處風(fēng)速達(dá)到最大值，且路基越高、邊坡越長，風(fēng)速增加的幅度越大。風(fēng)雪流穿過路面時(shí)，由于路面的粗糙度很小，流速基本保持平穩(wěn)，越過下風(fēng)側(cè)路肩后遇到背風(fēng)邊坡，運(yùn)動(dòng)空間擴(kuò)大，氣流開始幅散，風(fēng)雪流運(yùn)動(dòng)速度減小，攜雪能力降低，并在背風(fēng)側(cè)邊坡上部和坡腳處形成第2個(gè)渦流區(qū)，易使雪粒沉落在背風(fēng)側(cè)邊坡。風(fēng)雪流運(yùn)動(dòng)速度降低幅度越大，雪粒在背風(fēng)側(cè)邊坡處沉積越多。一般情況下，風(fēng)速較小時(shí)雪粒易沉落在下風(fēng)側(cè)邊坡的上部；而風(fēng)速較大時(shí)，易沉落在中部和下部。2路基高度對(duì)路中心風(fēng)速的影響一般情況下，輸雪能力增加4倍，氣流即可攜帶雪粒順利通過路面。而氣流的輸雪能力與實(shí)際風(fēng)雪流風(fēng)速超過臨界風(fēng)速部分的三次方成正比。所以，當(dāng)風(fēng)速提高50%時(shí)，輸雪能力可增加4倍，由大量不同高度路基的流場(chǎng)數(shù)據(jù)分析表明，路基高為1m的公路路面上的風(fēng)速均提高了50%以上。故該高度是不考慮其他影響因素下，不易積雪的最小路基高度。路肩處的風(fēng)速增加值與路基高度密切相關(guān)。在一定高度范圍內(nèi)，上風(fēng)側(cè)路肩處的風(fēng)速隨著路基高度的增加而增大，但路中心的風(fēng)速變化值較為復(fù)雜（見表1）。以公路路基高度與路肩及路面中心的風(fēng)速做回歸分析，其結(jié)果如表2所示。路基高度在3.2m以下時(shí)，隨著路基高度的提高，公路中心風(fēng)速增加很快，路基超過3.5m以后，雖然公路中心0.5m高度處的風(fēng)速絕對(duì)值仍在提高，但增加幅度卻開始變小。由表2可知不同高度路基與路面中心的風(fēng)速相對(duì)值之間呈二次曲線的關(guān)系，上風(fēng)側(cè)路肩處風(fēng)速增大值為最大時(shí)，路基高度為4.85m，增大值為零時(shí)，路基高度為11.7m；路面中心風(fēng)速和下風(fēng)側(cè)路肩處風(fēng)速增大值為最大時(shí)的路基高度均為3.2m，增大值為零時(shí)，路基高度為10.6m或10.8m。針對(duì)穿越公路的風(fēng)雪流，公路路基高度的值應(yīng)以路面中心和下風(fēng)側(cè)路肩處的風(fēng)速增加值為前提。依據(jù)回歸方程可知，公路路基高度不宜超過10.6m，否則，風(fēng)速會(huì)下降，造成路面中心積雪。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果：路基高度超過15.1m后，公路中心風(fēng)速只有曠野風(fēng)速的89%，路面出現(xiàn)輕微積雪。綜合分析，公路路基高度不應(yīng)超過15.1m。在15.1m高度范圍內(nèi)，路基越高路面積雪的可能性越小。所以，在不考慮其他因素的情況下，路基的高度越高越好。相反，如果只考慮造價(jià)，路基應(yīng)該越低越好，合理的路基最小高度應(yīng)綜合分析確定，建設(shè)成本低（造價(jià)可行）、積雪概率小的路基高度才是風(fēng)吹雪雪害地區(qū)公路路基的合理最小高度值。3設(shè)計(jì)一個(gè)變量的h若一風(fēng)吹雪地區(qū)10年一遇的降雪量達(dá)到50cm，小于1m高的路堤就變成了很容易積雪的低路堤或零路基。受植被、障礙物等的影響，此時(shí)小于1m高的路堤很易出現(xiàn)路面積雪。通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，風(fēng)吹雪地區(qū)的公路路基最小高度應(yīng)為：在最大降雪量的基礎(chǔ)上增加0.5m。即：考慮不同雪害區(qū)的積雪特點(diǎn)，引入一個(gè)變量ΔH（安全值），由此，不易發(fā)生公路風(fēng)吹雪雪害的合理最小路堤高度可由下式計(jì)算式中，H為不易引起公路積雪的最小路堤高度，m;Hc為當(dāng)?shù)刈畲蠼笛┖穸龋琺；ΔH為為安全值，即保證路堤不積雪所要求的在多年最大積雪深度以上的抬高值，m。通過防雪效果和經(jīng)濟(jì)成本的研究，ΔH的取值范圍在草原牧區(qū)可定為0.3～1.0m，根據(jù)各地的降雪強(qiáng)度和公路等級(jí)進(jìn)一步分為：最大積雪深度在