淺槽風力加速堤對公路風雪流影響的因子分析

彭國冬， 張思源， 劉梓偉， 孫 斌

（1. 錫林郭勒盟乾圖交通設計有限責任公司，內蒙古 錫林浩特 026000； 2. 內蒙古交通設計研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010； 3. 吉林大學 交通學院，吉林 長春 130022）

0 引言

風雪流（又稱風吹雪）是一種非典型氣固兩相流，當風雪流中的氣流搬運能力大于含雪量時，積雪表面會發生風蝕現象，使雪面產生凹凸不平的吹蝕形態；當風雪流中的氣流搬運能力小于含雪量時，雪粒便會沉積下來［1-2］。公路是不規則的障礙物，會引起風雪流中的氣流擾動，因此當風雪流遇到公路的阻礙，會產生渦旋，使風雪流的搬運能力大幅下降，雪粒便會在邊坡或路面堆積形成積雪，從而影響交通安全和車輛的正常運營［3-4］。如2004年黑龍江省鶴大高速發生風雪流，造成45 km 長的路段深度積雪，交通因此中斷4天。

目前國內外針對風雪流的研究主要分為兩個方面，一是基礎理論研究［5-10］，二是風雪流防治技術的研究［11-14］。研究成果主要分布在風雪流的形成條件、影響因素及防治措施等方面，對特定防治措施下的公路積雪分布規律研究不足。同時已有的公路風吹雪防治技術缺少定量分析和數據支持，因此導致很多防治措施只能依據前人經驗設置，缺乏理論支撐。

由于氣流的輸雪能力與風速（u）超過風雪流臨界風速（u1）部分的三次方成正比［15］。根據這一原理，在風雪流到達公路前減少氣流中的含雪量或提高風速或消除渦旋產生的條件都可以避免公路積雪。為了在減少積雪的同時不出現邊坡風蝕，最好使風雪流保持不蝕不積的狀態順利通過。淺槽風力加速堤作為一種防治風雪流災害的工程措施，其原理是使風雪流保持不蝕不積的狀態，順利通過公路。已有學者對淺槽風力加速堤防治公路沙害作用機理進行過相關研究，認為影響輸沙效果的主要是淺槽的弦深比，且弦深比在10∶1～12.5∶1 時輸沙功能最好，低于10∶1的斷面易積沙。但將之引入雪害防治中發現，除弦深比外還有其他因素在影響淺槽風力加速堤的輸雪能力。而關于淺槽風力加速堤在雪害防治中的作用及相關內容目前仍無報道，而且，現有的淺槽風力加速堤設計僅依靠經驗設置，不能發揮其有效的防雪作用。有鑒于此，對草原牧區公路風吹雪雪害防治中的淺槽風力加速堤的作用原理及其影響因素進行了研究，以期為今后的設置提供合理的理論指導。

1 研究區概況

本文以207國道（以下寫為G207線）內蒙古錫林郭勒盟境內路段為研究對象進行了相關研究。內蒙古錫林郭勒盟地處內蒙古自治區中部，是深受風雪流影響的典型地區，同時G207線是錫林郭勒盟重要的交通運輸通道。該路線經過錫林郭勒盟地區的降雪季經常普降大雪，最大積雪深度可達50 cm 以上。而且沿線地區年大風天數58～86 d，降雪季節合成風向多為西北、西方向，常常出現主風向與公路走向垂直的情況，雪粒子隨大風流動，形成草原上常見的風雪流，極易造成公路局部積雪阻斷交通運輸。

對公路沿線的淺槽風力加速堤及其所在路段的風速流場、積雪情況、斷面因子等進行了為期三年的定位與半定位觀測。具體方法是，在無雪時，利用電子經緯儀、皮尺測定了淺槽風力加速堤斷面的槽深、弦長、左右弦長比等因子及整個斷面的地形變化情況；在風吹雪季節，利用多路風速自動采集儀測定了淺槽風力加速堤及公路的風速流場和路面積雪情況。室內匯總數據后，利用DPS和SPSS軟件對數據進行分析，找出影響淺槽風力加速堤輸雪的因子。

2 結果與分析

2.1 淺槽風力加速堤的構成參數分析

淺槽風力加速堤一般設置在公路迎風側，是由輸雪淺槽和風力加速堤組成的工程結構物，它能夠使風雪流順利通過路面不在路面堆積形成雪害，其基本結構如圖1所示。淺槽風力加速堤主要由三部分組成：第一部分是位于公路迎風側的風力加速堤，第二部分是處于公路迎風側的弧形淺槽，第三部分是公路路基斷面。其中風力加速堤起到壓縮過流高度、加快風速的作用，而淺槽則起到先減速再增速的作用。減速使部分雪粒堆積，減輕了風雪流的負荷，加速使風雪流搬運能力增大，保證剩余的雪粒可以順利越過公路。其主要作用就是改變流場結構和雪粒的堆積部位，以達到風雪流順利吹過路面而不在路面堆積的目的。

圖1 路基輸雪斷面的基本形式與組成Fig. 1 Basic form and composition of subgrade snow transport section

淺槽風力加速堤的主要參數如圖1所示。其中起主要作用的是淺槽，淺槽由背風、迎風兩個弧形斷面構成，其弧長分別為R1和R2，連接風力加速堤頂部和路基坡腳的實線為槽面所對應的弦長L，由弦垂直向下至淺槽最深處的直線為槽深H，以槽的最深點為界可以將弦分為左右兩段，其中右側為背風弦長L1，左側為迎風弦長L2，L1和L2所對應的弧長分別為R1和R2，路基高度為h。上述各參數中，背風弧面與迎風弧面長度之比R1/R2為背風/迎風弧長比（以下簡稱弧長比），該值反映了淺槽兩側弧的長短，從而反映風雪流減速與增速路徑的長短，但二者在實際測量中不好計量，因此可用其所對應的弦來近似地表示，即用背風/迎風弦長比（L1/L2）來近似。此外，淺槽風力加速堤的弦深比定義為淺槽弦長L與淺槽深度H的比值，用該值反映淺槽的斷面特征。

2.2 淺槽風力加速堤的風速流場與輸雪功能

對G207 線10 個淺槽風力加速堤斷面有雪期與無雪期風速流場的測定表明，當垂直于公路的曠野氣流經過淺槽風力加速堤和路面時，會在淺槽風力加速堤及路面前后產生5 個降速區和4 個加速區。即風速在加速堤迎風坡腳、淺槽背風弧面、淺槽最深處、迎風路基坡腳和背風路基坡腳減弱，并形成小尺度的渦旋；而在加速堤迎風坡上部、頂部、淺槽迎風弧面、迎風路肩4 個部位加速，形成增速區域。若以K189+50淺槽風力加速堤曠野2 m 高處風速為對照，則加速堤迎風坡腳、淺槽背風弧面、淺槽最深處、迎風路基坡腳和背風路基坡腳同一高度上的風速分別降低33.3%、22.6%、35.2%、26.0% 和10.0%；而在加速堤迎風坡上部、頂部、淺槽迎風弧面、迎風路肩處分別提高6.7%、14.6%、10.8%和16.6%。在其他淺槽風力加速堤上，實測的風速流場與此表現相近，只是風速降低或提高的幅度有所區別。特別是在淺槽最深處，風速的降低與槽深呈正相關關系。而且不論淺槽風力加速堤中是否積雪，其流場分布規律相同，區別不大，說明流場特征的穩定是淺槽風力加速堤能夠保持輸雪能力的基本條件。

受風速流場的影響，風雪流將在風速降低區發生沉積而在風力加速區則得以吹揚。因此，雪粒先從淺槽背風側的弧面開始堆積，之后逐步下延，并使雪舌逐漸向淺槽中心發展；在淺槽最深處，雪粒也會堆積并向迎風側不斷發展。在淺槽迎風側弧形斷面和路肩處，風雪粒被吹揚至高處，造成淺槽迎風側的雪粒被吹揚而使風雪流順利通過斷面，并一直穿過路面到達背風路基一側。野外定位觀測結果表明，不同設計參數的淺槽風力加速堤，其輸雪能力并不相同，淺槽濃度越深其槽內的積雪量也越大。在所測的各淺槽風力加速堤中，弦深比最小為5.6∶1，最大為16.7∶1，但多數斷面均可使雪粒順利通過路面而不致公路雪害發生；但仍有一些斷面會發生路面積雪，且其弦深比在8∶1～12∶1之間。由此可知，弦深比雖然影響淺槽的形態，但弦深比并不是影響淺槽風力加速堤輸雪效果的主要因素，可能還有其他更為主要的因素在起作用。

2.3 影響淺槽風力加速堤輸雪的因子分析

為了全面了解影響淺槽風力加速堤輸雪能力的因素，對G207 線具有淺槽地形的淺槽風力加速堤的輸雪效果和斷面的主要參數進行了測定，各斷面的主要參數如表1所示。

利用DPS5.0 和SPSS 軟件對上述各主要參數進行逐步回歸分析，其相關系數如表2所示。

由表2 可知，路面積雪與否與淺槽風力加速堤的背風/迎風弦長比顯著相關，其相關系數為0.7782。經逐步回歸，路面積雪與否可表示為

式中：L2為迎風弦長；H為淺槽深；L1/L2為背風/迎風弦長比。

對方程進行相關性檢驗，得到其值F（3，20）＝14.4970，相關關系極顯著。回歸方程各因子與路面積雪與否的偏相關系數及顯著性如表3所示。由方程系數大小及偏相關系數可知，路段路面是否積雪的最主要因素為淺槽風力加速堤背風/迎風弦長比（L1/L2），其次是淺槽風力加速堤的淺槽深（H），最后為淺槽風力加速堤迎風弦長（L2）。如果在工程實踐中可測得上述三個指標，則可進行回歸方程擬合，當所得值＜1 時，則表明該淺槽風力加速堤所處路段不會發生積雪。

表3 逐步回歸方程各因子偏相關系數與t檢驗值Table 3 Partial correlation coefficient and t-test value of each factor in stepwise regression equation

3 結論與討論

3.1 結論

（1）淺槽風力加速堤是由位于公路迎風側的風力加速堤、弧形淺槽和公路路基三部分構成的工程設施；淺槽風力加速堤的作用是能夠產生足夠的氣流上升力，使貼近地表層的風雪流借助上升氣流保持非堆積搬運狀態。

（2）氣流流經淺槽風力加速堤斷面時，在加速堤迎風坡腳、淺槽背風弧面、淺槽最深處、迎風路基坡腳和背風路基坡腳5 個部位形成減速區域，導致雪粒沉積；而在加速堤迎風坡上部、頂部、淺槽迎風弧面、迎風路肩4個部位形成增速區域，引起雪粒吹揚。不同弦深比的淺槽風力加速堤的淺槽內均可積雪，但路面卻因斷面參數不同輸雪功能也不相同，有的斷面甚至導致路面積雪。

（3）路面積雪是否積雪的最重要影響因素為淺槽風力加速堤的背風/迎風弦長比（L1/L2），用淺槽風力加速堤的背風/迎風弦長比（L1/L2）、淺槽深H和迎風弦長L2與路面是否積雪進行回歸分析得到Y=-0.2553+0.0099L2-0.1230H+0.8514L1/L2。在工程實踐中，可通過測得上述三個指標，進行方程擬合計算，當Y＜1，則表明該淺槽風力加速堤所處路段不會發生積雪。

3.2 討論

淺槽風力加速堤能否將雪粒輸送過路面取決于背風迎風弦長比，顯然，當淺槽深度與弦深比（L/H）一定時，如背風/迎風弦長比L1/L2大于1，則背風弦長大于迎風弦長，淺槽迎風側弧面R2坡度較陡，風雪流將在路基邊坡與淺槽相連處大幅下降，產生渦旋使雪粒沉積，縱然氣流抬升過程中增速，但其增幅畢竟有限，使風速在路肩處雖然增大但強度有所減弱，可能導致風雪流在路面發生堆積造成雪害。此外，淺槽迎風側及路基邊坡處雪粒堆積后將會對風雪流流線造成阻礙，使得風雪流不暢，產生更多的積雪，雪舌的前伸也會造成積雪上路危害交通。若背風/迎風弦長比L1/L2小于1，則迎風弦長大于背風弦長，淺槽迎風側弧面長而緩，氣流為緩變流，速度逐漸增大而損失較小，使得路肩處風速較大，可將風雪流輸送過路。同時背風側弧面短而陡，氣流急劇衰減而產生渦旋，雪粒多在背風側沉積，風雪流變得不飽和，促進淺槽迎風側雪粒的輸送。因此，為了保障風雪流順利通過淺槽風力加速堤，必須使淺槽風力加速堤淺槽背風側弧長小于迎風側弧長，即必須使背風/迎風弦長比小于1，只有這樣才能保證氣流增速的連續性，使風雪流盡量平滑地通過淺槽風力加速堤。

淺槽應位于公路和風力加速堤之間，其作用則是為了保持氣流的連續性，避免因附面層的分離而產生的雪粒堆積，并為風雪流創造一個有足夠容量的非堆積搬運地帶，可使風雪流順利通過公路，防止雪粒子在路面堆積形成路面積雪。為提高淺槽風力加速堤輸送風雪流的強度和能力，可對淺槽迎風坡進行了平滑處理，如在冬季進入雪季前可采取人工打草盡量保證弧面的平滑；或采用黏土鋪設迎風側槽面，使之變得平滑。而且，槽面必須保持連續性，即在槽面中不宜出現兩個或多個地勢低洼之處，以免造成槽面的大量積雪而危及路面。

淺槽風力加速堤的設計是為了更好地將處于上風向的積雪輸送到下風向，故與淺槽風力加速堤相連的公路下風側應有足夠的儲雪空間，同時設計路段不能有過于強烈的反向風，以免造成淺槽風力加速堤在反向風的作用下大量積雪而使其失去應有的輸雪功能。