风吹雪雪害与路基高度关系的研究

风吹雪雪害与路基高度关系的研究

为了避免或减少雪害对道路建设的损害，全面研究总结了风雨弥漫雪害的系统性、经济和实用控制。内蒙古锡林郭勒盟交通科学研究所对东北、西北地区多条高等级公路进行了详细的风吹雪雪害调查，对路基断面形式、路域植被盖度、路侧有无障碍物、有无防雪措施等多个因素进行了数量化分析，结果表明：最主要的影响因素是路基断面形式，其他因素对公路雪害只具有减缓或加强的作用，其中路基高度是路基断面形式的关键参数之一。只有通过对公路路基风雪流场特征的分析，明确了路基高度与风雪流的关系，才能确定不易积雪的合理路基高度，这为总结经济适用的公路雪害防治技术研究提供科学依据具有重要意义。1风速流场分布风雪流是一种气固两相流，在没有障碍物存在的情况下，风雪流在运行过程中，一方面不断地从地表吹起雪物质，进入风雪流中；另一方面，雪粒不断地从风雪流中沉落重新回到地面，一般可以达到动态平衡。当受到地物影响时，如公路路基，使保持着动态平衡的风雪流在前进过程中遇到阻力，引起贴地面气流的分离，出现弱风区，使近地表面气流速度大大降低，从而削弱了气流搬运雪粒的能力，风雪流由不饱和变为饱和或过饱和状态，引起多余部分雪粒的跌落沉积。分析研究贴地面气流层内的流场分布规律，是确定不易积雪的合理路基高度的前提。我们在降雪期大风天，使用多点风速风向自动记录仪，在公路上风侧、路面、公路下风侧多点架设风杯，用1～2台主机控制，自动记录风速值。测点1设于公路上风侧30m以外，该点的风速值代表旷野风速，测点2设于距上风侧边坡坡脚5～7m处，测点3设于上风侧边坡坡脚处，测点5设于上风侧路肩处，测点6设于路面中央，测点7设于下风侧路肩处，测点8设于下风侧边坡坡脚处，测点9设于距下风侧坡脚5～7m处。每个测点架设2个风杯，一个位于地面以上0.2m，另一个位于地面以上2.0m处。观测时所有风杯同时开启，每隔6s记录一次数据，观测时长为15min。对采集的数据使用Sufer8.0软件处理后即可得到风速流场图。以在内蒙古锡林郭勒盟境内G303公路（年最低气温-43℃，年最高气温为30℃，温差达81℃，年降雪量约为150mm），选定零路基（0m）、低路堤（<1.0m）、中路堤（1.0～3.0m）、高路堤（>3.0m），测得的流场图为例，对风雪流与公路路基高度的关系进行分析。1.1路侧坡面层分离从图1看出，气流在吹经公路时，风速变化不大，没有发生附面层分离现象，不考虑路侧地貌及自然降雪的影响，风雪流容易越过路面，在路面上不易积雪。1.2双边坡上风速分布风雪流在平坦开阔地面时风速变化不大，吹至上风侧路基坡脚处风速有所降低。当风雪流沿路基边坡坡面向上时，由于气流受到了压缩，风速显著增加，在路肩处出现了最大值，0.5m高处风速为旷野风速的124%，下风侧路肩处风速为旷野风速的120%，整个路面上风速平均为旷野风速的120%。1.3路基边坡风速分布风雪流吹至上风侧路基边坡坡脚处风速大幅降低，当风雪流沿坡向上时，风速显著增加，在路肩处出现了最大值，风速为旷野值的271%，路面中心处风速有所降低，但仍为旷野值的218%，在下风侧路肩处又增高至250%，在下风侧路基边坡出现弱风区。1.4路基边坡风速分布高路堤的风速流场特征与中路堤的相似，风雪流吹至上风侧路基边坡坡脚处风速大幅降低，当风雪流沿坡向上时，风速显著增加，在路肩处出现了最大值，风速为旷野值的200%，路面中心处风速有所降低，在下风侧路基边坡出现弱风区。1.5坡面区域的垂直风速动力网络沉落综上所述，风雪流在平坦开阔的地面运行时无论是流速还是流态的变化都不大，当运动到路堤上风侧边坡坡脚处气流受阻，贴地风速开始下降，并形成涡旋，从而在此形成第一个弱风区，部分雪粒从风雪流中沉落；此后，气流沿着路堤迎风边坡爬升，由于过流断面缩小，气流受压，风速开始加大，至迎风路肩处风速达到最大值，且路基越高、边坡越长，风速增加的幅度越大。风雪流穿过路面时，由于路面的粗糙度很小，流速基本保持平稳，越过下风侧路肩后遇到背风边坡，运动空间扩大，气流开始幅散，风雪流运动速度减小，携雪能力降低，并在背风侧边坡上部和坡脚处形成第2个涡流区，易使雪粒沉落在背风侧边坡。风雪流运动速度降低幅度越大，雪粒在背风侧边坡处沉积越多。一般情况下，风速较小时雪粒易沉落在下风侧边坡的上部；而风速较大时，易沉落在中部和下部。2路基高度对路中心风速的影响一般情况下，输雪能力增加4倍，气流即可携带雪粒顺利通过路面。而气流的输雪能力与实际风雪流风速超过临界风速部分的三次方成正比。所以，当风速提高50%时，输雪能力可增加4倍，由大量不同高度路基的流场数据分析表明，路基高为1m的公路路面上的风速均提高了50%以上。故该高度是不考虑其他影响因素下，不易积雪的最小路基高度。路肩处的风速增加值与路基高度密切相关。在一定高度范围内，上风侧路肩处的风速随着路基高度的增加而增大，但路中心的风速变化值较为复杂（见表1）。以公路路基高度与路肩及路面中心的风速做回归分析，其结果如表2所示。路基高度在3.2m以下时，随着路基高度的提高，公路中心风速增加很快，路基超过3.5m以后，虽然公路中心0.5m高度处的风速绝对值仍在提高，但增加幅度却开始变小。由表2可知不同高度路基与路面中心的风速相对值之间呈二次曲线的关系，上风侧路肩处风速增大值为最大时，路基高度为4.85m，增大值为零时，路基高度为11.7m；路面中心风速和下风侧路肩处风速增大值为最大时的路基高度均为3.2m，增大值为零时，路基高度为10.6m或10.8m。针对穿越公路的风雪流，公路路基高度的值应以路面中心和下风侧路肩处的风速增加值为前提。依据回归方程可知，公路路基高度不宜超过10.6m，否则，风速会下降，造成路面中心积雪。风洞实验结果：路基高度超过15.1m后，公路中心风速只有旷野风速的89%，路面出现轻微积雪。综合分析，公路路基高度不应超过15.1m。在15.1m高度范围内，路基越高路面积雪的可能性越小。所以，在不考虑其他因素的情况下，路基的高度越高越好。相反，如果只考虑造价，路基应该越低越好，合理的路基最小高度应综合分析确定，建设成本低（造价可行）、积雪概率小的路基高度才是风吹雪雪害地区公路路基的合理最小高度值。3设计一个变量的h若一风吹雪地区10年一遇的降雪量达到50cm，小于1m高的路堤就变成了很容易积雪的低路堤或零路基。受植被、障碍物等的影响，此时小于1m高的路堤很易出现路面积雪。通过大量数据统计分析，风吹雪地区的公路路基最小高度应为：在最大降雪量的基础上增加0.5m。即：考虑不同雪害区的积雪特点，引入一个变量ΔH（安全值），由此，不易发生公路风吹雪雪害的合理最小路堤高度可由下式计算式中，H为不易引起公路积雪的最小路堤高度，m;Hc为当地最大降雪厚度，m；ΔH为为安全值，即保证路堤不积雪所要求的在多年最大积雪深度以上的抬高值，m。通过防雪效果和经济成本的研究，ΔH的取值范围在草原牧区可定为0.3～1.0m，根据各地的降雪强度和公路等级进一步分为：最大积雪深度在