S319布吉公路風吹雪災害防治技術措施研究

趙 煒

(新疆鐵道勘察設計院有限公司 烏魯木齊市 830000)

0 引言

風吹雪,又稱風雪流,是指空氣挾帶雪粒子運行的非典型的兩相流,也是雪粒被風卷起隨風運行的一種天氣現象,在我國新疆北部、西北部尤其普遍。當公路通行區域發生風吹雪現象時,會使行車視線嚴重受阻,積雪嚴重堆積時輕則中斷交通,重則威脅過往司乘人員生命財產安全,嚴重影響當地社會經濟的發展。風吹雪災害是世界性難題,在全球分布廣泛,在我國主要分布在西北、華北和東北地區,受影響國土面積比例占55.2%,近7000km高速公路和6.6×105km各等級公路冬季受風吹雪災害影響[1]。

文章以S319布爾津至吉木乃口岸公路工程(以下簡稱“布吉公路”)第二合同段為例,分析風吹雪災害形成原因,從路線選線、路基斷面、路基填挖高度、工程防治措施等方面進行綜合防治,以期為公路風吹雪災害防治提供參考。

1 風吹雪災害成因分析

布吉公路第二合同段位于阿勒泰地區吉木乃縣境內,與第一合同段終點順接K36+500,東西向沿哈土山北側布線,沿加曼喀拉山北側邊緣走行至K61+700接至S319,隨后路線沿S319改建至吉木乃縣城迎賓路與團結路交叉口處,終點樁號K82+974.066,路線長度46.474km。全線按四車道一級公路標準建設,橋涵汽車荷載標準采用公路—Ⅰ級。設計時速及路基斷面形式如表1所示。

表1 布吉公路設計時速及路基斷面形式

項目沿線地貌由東向西依次為剝蝕丘陵區、沖洪積平原、山前傾斜平原區。項目屬北溫帶大陸性干旱氣候,沿線年平均氣溫4℃,極端最高氣溫37.2℃,極端最低氣溫-43.5℃;年平均風速3.6m/s,最大風速35.1m/s,主導風向為WNW、W,年平均大風日數(≥8級)40.2d;該區域降雪頻繁,自然降雪量大,每年11月至次年4月為積雪期,一般積雪厚度50～80cm,最大積雪厚度94cm。沿線部分段落由于風力較強、降雪量較大以及可使風速發生渦旋的地形條件,極易產生風吹雪。圖1所示為項目沿線地區2021年11月至2022年2月風向玫瑰圖。

圖1 風向玫瑰圖

項目沿線主要表現為自然積雪及風吹雪,風吹雪主要分布于沖洪積平原低洼處、剝蝕丘陵區沿線溝坎處。在地形發生改變的地段,風速突然降低,尤其在路塹及低填淺挖路基段,容易產生風吹雪災害。K36+500～K52+000影響程度一般,K52+000～K61+000段對路線影響嚴重,K61+000～K82+974對路線影響中等。

經現場調查及監測分析,上述段落風吹雪災害發生均具備以下條件:(1)足夠充足的雪量—物質來源;(2)足夠的風速使雪粒運動—動力來源;(3)復雜的地形(阻礙物)—形成堆積。即當雪量充足時,大量雪粒由于氣流運動,在遇到復雜地形等障礙物時造成雪粒沉積。此時雪粒運動所需“啟動風速”就會更大,而能夠使雪粒開始運動的“啟動風速”又受諸多因素影響,如雪粒的物理力學性質(如積雪密度、雪顆粒粒徑、積雪硬度)等,也與太陽輻射、氣溫、地面粗糙度等相聯系。例如,氣溫低于-6℃時,剛降下的干燥新雪(粒徑小于1.0mm,平均密度0.06g/cm3)在風速2.0m/s時就能起動,細雪(粒徑小于0.5mm,平均密度0.18g/cm3)起動風速在3.7～4.3m/s,而老細粒雪(粒徑0.5～1.0mm,平均密度0.23g/cm3)則要在6～8m/s的風速條件下才能起動[2]。相比于山區,由于平原地區地勢較為平坦,雪粒運動相對更容易。圖2、圖3所示為項目沿線風吹雪堆積情況。

圖2 布吉公路沿線風吹雪照片1

圖3 布吉公路沿線風吹雪照片2

2 風吹雪災害防治措施

經現場調查和監測數據分析,對布吉公路沿線風吹雪災害及防治方法進行分類,如表2和表3所示。

表2 布吉公路沿線風吹雪災害基本分類

表3 布吉公路風吹雪災害預防與治理方法分類

2.1 路線設計防治技術

路線選線時主要從控制雪源的角度出發,K36+500～K61+650段落風吹雪較嚴重,采用分離式路基,K61+65～K82+974段落采用整體式路基。在初步設計階段K57+500～K64+000段路線在K60+300～K60+900之間主要以挖方通過,最大挖深可達8～9m。沿線區域內冬季風向主要為東南風,風向與路線夾角為60°;春、秋季節為西風,風向與路線夾角為30°。綜合考慮地形地物、地質情況、線型指標、支擋防護工程設置等因素,對K57+500～K64+000段路線方案進行了優化調整。K57+500～K64+000段線位沿加曼喀拉山山腳向左偏移,繞開深挖方段落。

2.2 路基路面設計防治技術

在沿線風吹雪段落,風吹雪的主要危害類型是路塹型風吹雪沉積,其次為低路堤型風吹雪沉積。主要采用輸雪措施進行風吹雪災害防治,一是在風吹雪災害嚴重段落(K36+500～K61+500)采用分離式路基改善風雪流流場,加快雪顆粒通過公路,減輕風吹雪在公路的堆積;二是放緩邊坡,原則如下:

(1)填方路基:當填土高度不大于4m時,采用放緩邊坡的方式,邊坡坡率為1∶3。(2)半路塹∶填方側邊坡坡率一般為1∶3,挖方側設置路堤式路塹,內側邊坡高1.5m,坡率采用1∶3,并設置5m積雪平臺,外側邊坡參照路塹邊坡坡率原則設置。(3)路塹∶采用路堤式路塹,路堤坡率為1∶3,高度1.5m,兩側設置5m積雪平臺,外側邊坡參照路塹邊坡坡率原則設置。拓寬加深路側積雪平臺,可增加儲雪量從而減少路面積雪[4]。

2.3 交通安全設施設計防治技術

在沿線風吹雪段落,若布設波形梁護欄,易造成路面積雪堆積情況,不利于改善風雪流流場,因此在風吹雪嚴重段落設置防護等級相同的纜索護欄,提高風雪流通過能力。中央分隔帶設置混凝土護欄,橋梁段路側護欄為金屬梁式護欄。

為保障風吹雪災害天氣行車安全,在沿線未設置護欄段落設置有插拔式積雪標桿,用于指示行車道邊緣線,間距50m。

2.4 擋雪防治工程

擋雪措施從控制雪源、改變來流方向或增大風速的角度出發,結合沿線風吹雪危害程度及路基形式,采用插板式阻雪柵欄進行阻雪。根據現場調查和監測數據,確定阻雪柵欄的設置位置、高度、道數,以達到最佳防治效果。設置方法見表4。

表4 布吉公路擋雪防治工程設置方法

如圖4所示,插板式阻雪柵欄材料為混凝土,立柱采用C40混凝土預制,3m高阻雪柵欄下部1m采用實板,2m高阻雪柵欄下部0.5m采用實板。為保證插板式阻雪柵欄的阻雪效果,當阻雪柵欄立柱與地面不密貼時,立柱開槽部分采用M10砂漿抹平支撐立柱,下部可用混凝土塊或較完整的石塊做支撐,避免立柱下部懸空無支撐使板擠壓立柱導致傾斜的情況發生。

圖4 混凝土插板式阻雪柵欄正面圖(單位:cm)

3 結語

文章以布吉公路第二合同段為例,分析項目沿線風吹雪災害的成因和特征。通過現場調查和監測等方法,綜合考慮地理地形、水文地質、風速風向、雪顆粒運動特征等因素,從路線設計、路基路面設計、交通安全設施設計、擋雪防治工程防治技術等方面提出了風吹雪災害防治的設計方法和措施,為公路風吹雪災害防治思路及措施提供一定參考。

同時,風吹雪災害防治理念也應遵循公路與自然相協調的原則,設置防雪工程應因地制宜、因勢利導,以達到最佳防雪效果為目的。風吹雪災害防治是一個動態完善的過程,在施工及運營階段應持續調查監測,根據實時情況驗證風吹雪災害防治效果,并與養護保通工作相結合,最大程度保障公路通行性和司乘人員生命財產安全。