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)

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。通過對路基填土高度、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)吹雪流場的分析，明確了不同路基斷面形式下風(fēng)吹雪的產(chǎn)生過程，針對性地提出了減輕風(fēng)吹雪雪害的技術(shù)對策。

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、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)吹雪會能見度下降，路面辨識困難，嚴(yán)重影響駕駛員的視線和視距，對公路交通造成極大干擾。

黑龍江省主要公路近年來冬季多次出現(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(一級公路)降雪后，從K115～K160發(fā)生風(fēng)吹雪，右半幅路面有長達(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)吹雪雪害已是長期困擾黑龍江省公路建設(shè)、運(yùn)輸?shù)囊粋€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，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)吹雪氣流流速從路肩至坡腳逐漸降低，在坡腳處，風(fēng)吹雪氣流的流速減至最低。越過路面的風(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時，由于路基對風(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，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，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的路基上空的流場受到氣流本身的擾動較大，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的路基上空的流場受到氣流本身的擾動較大，路面上的風(fēng)速為原始風(fēng)速的5%～10%；高度1.2 m的路基上空的流場受到氣流本身的擾動影響較大，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，路基對氣流的擾動作用明顯，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，說明路基高度增加到一定程度后，路面上的風(fēng)速反而會逐漸減小。

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)面邊坡向上方流動時，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)率相對較高，幾乎每逢風(fēng)吹雪天氣都會帶來風(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結(jié)果如圖4所示。當(dāng)風(fēng)吹雪氣流經(jīng)過山脊或坡頂向下方流動時，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，當(dāng)雪檐抵達(dá)路面時，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，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，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)吹雪氣流通過與風(fēng)向垂直的2～4 m的完整路塹時，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，一時不會產(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，彎道處的風(fēng)吹雪氣流流場發(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時的風(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 氣流通過彎道繞流路段時的風(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穩(wěn)定坡體越有利，但填方路基邊坡坡度對風(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，對減少風(fēng)吹雪雪害有利。

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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