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路基斷面形式與風(fēng)吹雪雪害的關(guān)系

2017-08-28 21:10:44邱奕添
黑龍江交通科技 2017年6期
關(guān)鍵詞:吹雪坡腳積雪

邱奕添

(黑龍江省高速公路集團(tuán)公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

路基斷面形式與風(fēng)吹雪雪害的關(guān)系

邱奕添

(黑龍江省高速公路集團(tuán)公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

基于黑龍江省公路風(fēng)吹雪雪害多發(fā)、頻發(fā)的實(shí)際,分析公路路基斷面形式與風(fēng)吹雪雪害的關(guān)系。通過(guò)對(duì)路基填土高度、迎風(fēng)半路塹、背風(fēng)半路塹,以及完整路塹和彎道附近風(fēng)吹雪流場(chǎng)的分析,明確了不同路基斷面形式下風(fēng)吹雪的產(chǎn)生過(guò)程,針對(duì)性地提出了減輕風(fēng)吹雪雪害的技術(shù)對(duì)策。

公路路基;斷面形式;風(fēng)吹雪;雪害;防治

0 引 言

公路風(fēng)吹雪雪害主要分布在高緯度、高海拔和地形起伏變化大的穩(wěn)定積雪區(qū)。黑龍江省冬季漫長(zhǎng)、風(fēng)力強(qiáng)勁,降雪量多,公路風(fēng)吹雪雪害不但年年發(fā)生,甚至一年中多次發(fā)生。風(fēng)吹雪會(huì)能見(jiàn)度下降,路面辨識(shí)困難,嚴(yán)重影響駕駛員的視線和視距,對(duì)公路交通造成極大干擾。

黑龍江省主要公路近年來(lái)冬季多次出現(xiàn)“風(fēng)吹雪”災(zāi)害。1983年4月中旬黑龍江省西部發(fā)生嚴(yán)重風(fēng)吹雪雪害,導(dǎo)致交通中斷,綜合經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.6億元。2004年2月黑龍江省鶴大線(一級(jí)公路)降雪后,從K115~K160發(fā)生風(fēng)吹雪,右半幅路面有長(zhǎng)達(dá)45 km左右的段落,積雪深度達(dá)到1.2 m,左半幅也有部分路段積雪,形成風(fēng)吹雪雪阻,致使交通中斷4 d。雖然黑龍江省公路管理養(yǎng)護(hù)部門每年都要投入約5千萬(wàn)元除雪保通,但仍然避免不了雪阻路段造成的交通中斷。風(fēng)吹雪雪害已是長(zhǎng)期困擾黑龍江省公路建設(shè)、運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵難題。其中,路基斷面形式是風(fēng)吹雪形成的重要因素之一。

1 路基填土高度與公路雪害形成的關(guān)系

在黑龍江省風(fēng)吹雪地區(qū),當(dāng)風(fēng)向、風(fēng)速、雪源等條件大致相同的情況下,公路路基高度對(duì)風(fēng)吹雪雪害的形成有很大影響。其中較低的風(fēng)吹雪在運(yùn)行中80%以上的雪粒將集中在距地面20 cm以下的貼地氣流層。

根據(jù)黑龍江省公路風(fēng)吹雪雪害路段的調(diào)查,風(fēng)吹雪積雪情況如表1所示。

表1 黑龍江省公路風(fēng)吹雪積雪情況

從表1的調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出,≤1 m的路基積雪路段數(shù)量為9段,占56%;(1 m<,≤2 m)的路基積雪路段數(shù)量為3段,占19%,明顯下降;(2 m<,≤3 m)的路基積雪路段數(shù)量為2段占13%,當(dāng)路基高度≥3 m的路基積雪路段數(shù)量為2段占12%。表明隨著路基高度的增加,公路風(fēng)吹雪雪害程度也相應(yīng)減小。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,當(dāng)路基高度小于當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪深度h+60 cm(風(fēng)向與路線走向偏向垂直,夾角大于45°),以及當(dāng)路基高度小于當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪深度h+80 cm(風(fēng)向與路線走向夾角較小,小于45°)時(shí),路堤的迎風(fēng)坡因路基高度的屏障作用,在坡腳處風(fēng)速減小,風(fēng)吹雪帶起的雪粒在此堆積,如有路基邊溝,將被積雪迅速填滿;從路基坡腳到路肩,風(fēng)吹雪氣流的流速逐漸增大,至路肩附近位置達(dá)到最高速度。翻越路基的氣流隨后因斷面擴(kuò)大而出現(xiàn)擴(kuò)散,使背風(fēng)坡的風(fēng)吹雪氣流流速?gòu)穆芳缰疗履_逐漸降低,在坡腳處,風(fēng)吹雪氣流的流速減至最低。越過(guò)路面的風(fēng)吹雪顆粒一部分沉積在背風(fēng)面的坡腳或邊溝,如果路基較低,一般風(fēng)吹雪顆粒會(huì)降落、沉積在路肩和行車道上,隨著路基兩側(cè)坡腳或邊溝的積雪不斷增加,雪堆會(huì)逐漸接近并連成一體,形成較為嚴(yán)重的雪阻。如圖1所示。

圖1 路基高度小于最大積雪深度h+60 cm時(shí)的積雪形態(tài)

當(dāng)風(fēng)吹雪氣流遇到較高的路基并在其上越過(guò)時(shí),由于路基對(duì)風(fēng)吹雪氣流速度的影響,在增速區(qū)的路基部位,雪粒將不會(huì)發(fā)生沉積,只是在減速區(qū)域的路基坡腳和邊坡堆積。

在積雪地區(qū)當(dāng)風(fēng)向與路線走向近于垂直(道路走向與風(fēng)向大于45°)時(shí),路堤高度大于當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪深度h+60 cm路堤上面一般不會(huì)產(chǎn)生積雪。

在積雪地區(qū)當(dāng)風(fēng)向與路線走向夾角較小或平行(道路走向與風(fēng)向小于45°)時(shí),路堤高度大于當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪深度h+80 cm路堤上面一般不會(huì)產(chǎn)生積雪。如圖2所示:

圖2 路基高度大于最大積雪深度h+60/80 cm時(shí)的積雪形態(tài)

根據(jù)有關(guān)的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù),高度0.3 m的路基上空的流場(chǎng)受到氣流本身的擾動(dòng)較大,路面上的風(fēng)速為原始風(fēng)速的5%左右,而路基本身對(duì)氣流的阻擋作用并不十分明顯;高度0.6 m的路基上空的流場(chǎng)受到氣流本身的擾動(dòng)較大,路面上的風(fēng)速為原始風(fēng)速的5%~10%;高度1.2 m的路基上空的流場(chǎng)受到氣流本身的擾動(dòng)影響較大,路面上的風(fēng)速為原始風(fēng)速的10%,當(dāng)路基高度為1.5 m時(shí),路基對(duì)氣流的擾動(dòng)作用明顯,路面上的風(fēng)速為原始風(fēng)速的10%。表明路面上的風(fēng)速會(huì)隨著路基高度的增加而逐漸增大,使路面上的積雪減少,并在上風(fēng)側(cè)路基坡腳處形成比較明顯的隨高度而增強(qiáng)的減速區(qū)。

據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn),路基高度從4 m、6 m增加到10 m,路面上的風(fēng)速變化不夠明顯,甚至有一定程度的減小趨勢(shì),說(shuō)明路基高度增加到一定程度后,路面上的風(fēng)速反而會(huì)逐漸減小。

2 迎風(fēng)半路塹與公路雪害形成的關(guān)系

由迎風(fēng)半路塹的風(fēng)速百分比等值線觀測(cè)結(jié)果可知(圖3),迎風(fēng)半路塹的風(fēng)吹雪氣流沿路基的迎風(fēng)面邊坡向上方流動(dòng)時(shí),風(fēng)吹雪氣流的速度不斷增加,到達(dá)路肩后風(fēng)吹雪氣流的速度達(dá)到最高。此后,由于貼地附坡面的氣流層分離形成旋渦區(qū),使風(fēng)速明顯變小。隨著風(fēng)吹雪中攜帶的雪粒不斷降落、沉積,沉積的風(fēng)吹雪積雪范圍慢慢擴(kuò)大,最后導(dǎo)致整個(gè)公路路面被沉積的積雪覆蓋。迎風(fēng)半路塹路段的風(fēng)吹雪雪害出現(xiàn)機(jī)率相對(duì)較高,幾乎每逢風(fēng)吹雪天氣都會(huì)帶來(lái)風(fēng)積雪雪害,其嚴(yán)重程度一般與下風(fēng)坡面的坡度、坡腳與路基之間的距離,以及靠近公路的邊坡坡頂高度等有關(guān)。

圖3 迎風(fēng)半路塹風(fēng)速百分比等值線的觀測(cè)結(jié)果

3 背風(fēng)半路塹與公路雪害形成的關(guān)系

背風(fēng)半路塹風(fēng)速百分比等值線的觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。當(dāng)風(fēng)吹雪氣流經(jīng)過(guò)山脊或坡頂向下方流動(dòng)時(shí),隨著氣流斷面積的迅速擴(kuò)大,貼地附坡面的風(fēng)吹雪氣流層發(fā)生分離形成旋渦,風(fēng)吹雪氣流的速度在背風(fēng)半路塹邊坡坡腳下降到原有風(fēng)速的50%~60%,風(fēng)吹雪攜帶的雪粒開始降落、沉積。在迎風(fēng)面的山坡上,還有可能形成一種雪檐。隨著風(fēng)吹雪攜帶雪粒的不斷降落、沉積,附坡面氣流層的分離位置也在不斷向前推進(jìn),雪檐也隨之向前移動(dòng),當(dāng)雪檐抵達(dá)路面時(shí),便形成嚴(yán)重的風(fēng)吹雪雪害。

背風(fēng)半路塹的風(fēng)吹雪雪害,其嚴(yán)重程度取決于迎風(fēng)面坡度的大小。坡度大,貼地層氣流流速下降得快,路面積雪就會(huì)愈嚴(yán)重。

圖4 背風(fēng)半路塹的風(fēng)速百分比等值線

當(dāng)山坡坡腳離路基很近時(shí),這種路基斷面形式伴隨的風(fēng)吹雪雪害就出現(xiàn)得較早;如果山坡坡腳距離路基比較遠(yuǎn),在風(fēng)吹雪發(fā)生期間,迎風(fēng)山坡上形成的雪檐抵達(dá)路基的距離很長(zhǎng),則路面不易出現(xiàn)明顯的風(fēng)吹雪雪害。

背風(fēng)半路塹路段風(fēng)吹雪雪害的嚴(yán)重程度與迎風(fēng)面的邊坡坡度有關(guān),坡度越大,道路風(fēng)吹雪雪害就會(huì)越嚴(yán)重,一般情況下迎風(fēng)面邊坡坡度宜控制在15°以內(nèi)。

4 完整路塹與公路雪害形成的關(guān)系

風(fēng)吹雪氣流通過(guò)與風(fēng)向垂直的2~4 m的完整路塹時(shí),由于氣流斷面積的迅速擴(kuò)大,以及背風(fēng)面邊坡的攔擋作用,風(fēng)吹雪氣流的速度迅速下降,攜帶的雪粒將會(huì)降落、沉積,發(fā)生積雪現(xiàn)象。在迎風(fēng)邊坡附近由于旋渦氣流的作用,一時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沉積,但隨著背風(fēng)側(cè)積雪深度的逐漸增加,沉降的積雪會(huì)向迎風(fēng)坡方向推進(jìn) (圖5) 。

圖5 完整路塹迎風(fēng)邊坡坡度與貼地20 cm風(fēng)速的關(guān)系

5 彎道與公路雪害形成的關(guān)系

公路彎道往往與路塹、豎曲線相遇。主風(fēng)向在彎道前與公路平行時(shí),彎道處的風(fēng)吹雪氣流流場(chǎng)發(fā)生變化;而在彎道后風(fēng)向與彎道線路的走向趨向垂直,可能伴隨著下坡減速,使道路內(nèi)側(cè)形成減速區(qū)域,導(dǎo)致風(fēng)吹雪攜帶的雪粒在減速區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)降落、堆積。其積雪的嚴(yán)重程度,一般與風(fēng)向和路線的夾角、路線的彎道曲率半徑有關(guān),如果風(fēng)向基本垂直于路線,則風(fēng)吹雪產(chǎn)生的積雪形態(tài)一般表現(xiàn)為雪坡,若平行于路線,則一般表現(xiàn)為雪梁。若路線彎道的曲率半徑小,則風(fēng)吹雪的氣流流速下降快,積雪就相應(yīng)嚴(yán)重。圖6是風(fēng)吹雪氣流在彎道通過(guò)時(shí)的風(fēng)向、風(fēng)速的變化。

純彎道風(fēng)吹雪氣流的繞流的所產(chǎn)生的風(fēng)積雪雪害一般并不嚴(yán)重,但因彎道繞流往往和背風(fēng)或迎風(fēng)路段路基斷面形式相遇,且一般出現(xiàn)垂直和水平兩種旋渦氣流,因此,彎道附近的風(fēng)吹雪攜帶的雪粒降落、沉積的深度往往大于彎道之后的背風(fēng)或迎風(fēng)路段。當(dāng)彎道內(nèi)側(cè)的山坡距離路基比較遠(yuǎn),或者兩者之間有一定寬度的邊溝,或者彎道路線的曲率半徑比較大,則路面的氣流風(fēng)速變化也顯著增大,相應(yīng)地不容易形成風(fēng)吹雪雪害。

圖6 氣流通過(guò)彎道繞流路段時(shí)的風(fēng)向及風(fēng)速(m /s )

6 結(jié) 論

在風(fēng)吹雪地區(qū),在條件允許的情況下,路基高度建議控制在當(dāng)?shù)胤e雪深度h+60 cm以上。雖然邊坡坡度越緩對(duì)穩(wěn)定坡體越有利,但填方路基邊坡坡度對(duì)風(fēng)吹雪的影響并不大;路塹邊坡坡度越大則積雪越嚴(yán)重,在有條件的地方采用敞開式路基,坡度最好控制在15°以內(nèi)。同時(shí)彎道路線應(yīng)盡可能地減小與冬季主導(dǎo)風(fēng)向的夾角,對(duì)減少風(fēng)吹雪雪害有利。

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[2] 高偉,崔巍,李秀鳳.黑龍江省公路風(fēng)吹雪路域特征與技術(shù)對(duì)策[C].第二屆國(guó)際公路基礎(chǔ)設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)研討會(huì),西安,2016.

[3] 趙書成,朱光耀,許劍明,付萬(wàn)軍.公路風(fēng)吹雪雪害擋雪墻工程防治技術(shù)研究[J].黑龍江交通科技.2009,(6).

2017-02-11

邱奕添(1986-),男,工程師,從事道路橋梁管理工作。

U412.3

:C

:1008-3383(2017)06-0010-03

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