彭國冬, 張思源, 劉梓偉, 孫 斌
(1. 錫林郭勒盟乾圖交通設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000; 2. 內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010; 3. 吉林大學(xué) 交通學(xué)院,吉林 長春 130022)
風(fēng)雪流(又稱風(fēng)吹雪)是一種非典型氣固兩相流,當(dāng)風(fēng)雪流中的氣流搬運(yùn)能力大于含雪量時,積雪表面會發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象,使雪面產(chǎn)生凹凸不平的吹蝕形態(tài);當(dāng)風(fēng)雪流中的氣流搬運(yùn)能力小于含雪量時,雪粒便會沉積下來[1-2]。公路是不規(guī)則的障礙物,會引起風(fēng)雪流中的氣流擾動,因此當(dāng)風(fēng)雪流遇到公路的阻礙,會產(chǎn)生渦旋,使風(fēng)雪流的搬運(yùn)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(yùn)營[3-4]。如2004年黑龍江省鶴大高速發(fā)生風(fēng)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(nèi)外針對風(fēng)雪流的研究主要分為兩個方面,一是基礎(chǔ)理論研究[5-10],二是風(fēng)雪流防治技術(shù)的研究[11-14]。研究成果主要分布在風(fēng)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(guī)律研究不足。同時已有的公路風(fēng)吹雪防治技術(shù)缺少定量分析和數(shù)據(jù)支持,因此導(dǎo)致很多防治措施只能依據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)設(shè)置,缺乏理論支撐。
由于氣流的輸雪能力與風(fēng)速(u)超過風(fēng)雪流臨界風(fēng)速(u1)部分的三次方成正比[15]。根據(jù)這一原理,在風(fēng)雪流到達(dá)公路前減少氣流中的含雪量或提高風(fēng)速或消除渦旋產(chǎn)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(xiàn)邊坡風(fēng)蝕,最好使風(fēng)雪流保持不蝕不積的狀態(tài)順利通過。淺槽風(fēng)力加速堤作為一種防治風(fēng)雪流災(zāi)害的工程措施,其原理是使風(fēng)雪流保持不蝕不積的狀態(tài),順利通過公路。已有學(xué)者對淺槽風(fēng)力加速堤防治公路沙害作用機(jī)理進(jìn)行過相關(guān)研究,認(rèn)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(fā)現(xiàn),除弦深比外還有其他因素在影響淺槽風(fēng)力加速堤的輸雪能力。而關(guān)于淺槽風(fēng)力加速堤在雪害防治中的作用及相關(guān)內(nèi)容目前仍無報(bào)道,而且,現(xiàn)有的淺槽風(fēng)力加速堤設(shè)計(jì)僅依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)置,不能發(fā)揮其有效的防雪作用。有鑒于此,對草原牧區(qū)公路風(fēng)吹雪雪害防治中的淺槽風(fēng)力加速堤的作用原理及其影響因素進(jìn)行了研究,以期為今后的設(shè)置提供合理的理論指導(dǎo)。
本文以207國道(以下寫為G207線)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟境內(nèi)路段為研究對象進(jìn)行了相關(guān)研究。內(nèi)蒙古錫林郭勒盟地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,是深受風(fēng)雪流影響的典型地區(qū),同時G207線是錫林郭勒盟重要的交通運(yùn)輸通道。該路線經(jīng)過錫林郭勒盟地區(qū)的降雪季經(jīng)常普降大雪,最大積雪深度可達(dá)50 cm 以上。而且沿線地區(qū)年大風(fēng)天數(shù)58~86 d,降雪季節(jié)合成風(fēng)向多為西北、西方向,常常出現(xiàn)主風(fēng)向與公路走向垂直的情況,雪粒子隨大風(fēng)流動,形成草原上常見的風(fēng)雪流,極易造成公路局部積雪阻斷交通運(yùn)輸。
對公路沿線的淺槽風(fēng)力加速堤及其所在路段的風(fēng)速流場、積雪情況、斷面因子等進(jìn)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(jīng)緯儀、皮尺測定了淺槽風(fēng)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(fēng)吹雪季節(jié),利用多路風(fēng)速自動采集儀測定了淺槽風(fēng)力加速堤及公路的風(fēng)速流場和路面積雪情況。室內(nèi)匯總數(shù)據(jù)后,利用DPS和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,找出影響淺槽風(fēng)力加速堤輸雪的因子。
淺槽風(fēng)力加速堤一般設(shè)置在公路迎風(fēng)側(cè),是由輸雪淺槽和風(fēng)力加速堤組成的工程結(jié)構(gòu)物,它能夠使風(fēng)雪流順利通過路面不在路面堆積形成雪害,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。淺槽風(fēng)力加速堤主要由三部分組成:第一部分是位于公路迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)力加速堤,第二部分是處于公路迎風(fēng)側(cè)的弧形淺槽,第三部分是公路路基斷面。其中風(fēng)力加速堤起到壓縮過流高度、加快風(fēng)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(fēng)雪流的負(fù)荷,加速使風(fēng)雪流搬運(yùn)能力增大,保證剩余的雪??梢皂樌竭^公路。其主要作用就是改變流場結(jié)構(gòu)和雪粒的堆積部位,以達(dá)到風(fēng)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(fēng)力加速堤的主要參數(shù)如圖1所示。其中起主要作用的是淺槽,淺槽由背風(fēng)、迎風(fēng)兩個弧形斷面構(gòu)成,其弧長分別為R1和R2,連接風(fēng)力加速堤頂部和路基坡腳的實(shí)線為槽面所對應(yīng)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(diǎn)為界可以將弦分為左右兩段,其中右側(cè)為背風(fēng)弦長L1,左側(cè)為迎風(fēng)弦長L2,L1和L2所對應(yīng)的弧長分別為R1和R2,路基高度為h。上述各參數(shù)中,背風(fēng)弧面與迎風(fēng)弧面長度之比R1/R2為背風(fēng)/迎風(fēng)弧長比(以下簡稱弧長比),該值反映了淺槽兩側(cè)弧的長短,從而反映風(fēng)雪流減速與增速路徑的長短,但二者在實(shí)際測量中不好計(jì)量,因此可用其所對應(yīng)的弦來近似地表示,即用背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比(L1/L2)來近似。此外,淺槽風(fēng)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。
對G207 線10 個淺槽風(fēng)力加速堤斷面有雪期與無雪期風(fēng)速流場的測定表明,當(dāng)垂直于公路的曠野氣流經(jīng)過淺槽風(fēng)力加速堤和路面時,會在淺槽風(fēng)力加速堤及路面前后產(chǎn)生5 個降速區(qū)和4 個加速區(qū)。即風(fēng)速在加速堤迎風(fēng)坡腳、淺槽背風(fēng)弧面、淺槽最深處、迎風(fēng)路基坡腳和背風(fēng)路基坡腳減弱,并形成小尺度的渦旋;而在加速堤迎風(fēng)坡上部、頂部、淺槽迎風(fēng)弧面、迎風(fēng)路肩4 個部位加速,形成增速區(qū)域。若以K189+50淺槽風(fēng)力加速堤曠野2 m 高處風(fēng)速為對照,則加速堤迎風(fēng)坡腳、淺槽背風(fēng)弧面、淺槽最深處、迎風(fēng)路基坡腳和背風(fēng)路基坡腳同一高度上的風(fēng)速分別降低33.3%、22.6%、35.2%、26.0% 和10.0%;而在加速堤迎風(fēng)坡上部、頂部、淺槽迎風(fēng)弧面、迎風(fēng)路肩處分別提高6.7%、14.6%、10.8%和16.6%。在其他淺槽風(fēng)力加速堤上,實(shí)測的風(fēng)速流場與此表現(xiàn)相近,只是風(fēng)速降低或提高的幅度有所區(qū)別。特別是在淺槽最深處,風(fēng)速的降低與槽深呈正相關(guān)關(guān)系。而且不論淺槽風(fēng)力加速堤中是否積雪,其流場分布規(guī)律相同,區(qū)別不大,說明流場特征的穩(wěn)定是淺槽風(fēng)力加速堤能夠保持輸雪能力的基本條件。
受風(fēng)速流場的影響,風(fēng)雪流將在風(fēng)速降低區(qū)發(fā)生沉積而在風(fēng)力加速區(qū)則得以吹揚(yáng)。因此,雪粒先從淺槽背風(fēng)側(cè)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(fā)展;在淺槽最深處,雪粒也會堆積并向迎風(fēng)側(cè)不斷發(fā)展。在淺槽迎風(fēng)側(cè)弧形斷面和路肩處,風(fēng)雪粒被吹揚(yáng)至高處,造成淺槽迎風(fēng)側(cè)的雪粒被吹揚(yáng)而使風(fēng)雪流順利通過斷面,并一直穿過路面到達(dá)背風(fēng)路基一側(cè)。野外定位觀測結(jié)果表明,不同設(shè)計(jì)參數(shù)的淺槽風(fēng)力加速堤,其輸雪能力并不相同,淺槽濃度越深其槽內(nèi)的積雪量也越大。在所測的各淺槽風(fēng)力加速堤中,弦深比最小為5.6∶1,最大為16.7∶1,但多數(shù)斷面均可使雪粒順利通過路面而不致公路雪害發(fā)生;但仍有一些斷面會發(fā)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(tài),但弦深比并不是影響淺槽風(fēng)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。
為了全面了解影響淺槽風(fēng)力加速堤輸雪能力的因素,對G207 線具有淺槽地形的淺槽風(fēng)力加速堤的輸雪效果和斷面的主要參數(shù)進(jìn)行了測定,各斷面的主要參數(shù)如表1所示。
利用DPS5.0 和SPSS 軟件對上述各主要參數(shù)進(jìn)行逐步回歸分析,其相關(guān)系數(shù)如表2所示。
由表2 可知,路面積雪與否與淺槽風(fēng)力加速堤的背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比顯著相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為0.7782。經(jīng)逐步回歸,路面積雪與否可表示為
式中:L2為迎風(fēng)弦長;H為淺槽深;L1/L2為背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比。
對方程進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn),得到其值F(3,20)=14.4970,相關(guān)關(guān)系極顯著?;貧w方程各因子與路面積雪與否的偏相關(guān)系數(shù)及顯著性如表3所示。由方程系數(shù)大小及偏相關(guān)系數(shù)可知,路段路面是否積雪的最主要因素為淺槽風(fēng)力加速堤背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比(L1/L2),其次是淺槽風(fēng)力加速堤的淺槽深(H),最后為淺槽風(fēng)力加速堤迎風(fēng)弦長(L2)。如果在工程實(shí)踐中可測得上述三個指標(biāo),則可進(jìn)行回歸方程擬合,當(dāng)所得值<1 時,則表明該淺槽風(fēng)力加速堤所處路段不會發(fā)生積雪。
表3 逐步回歸方程各因子偏相關(guān)系數(shù)與t檢驗(yàn)值Table 3 Partial correlation coefficient and t-test value of each factor in stepwise regression equation
(1)淺槽風(fēng)力加速堤是由位于公路迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)力加速堤、弧形淺槽和公路路基三部分構(gòu)成的工程設(shè)施;淺槽風(fēng)力加速堤的作用是能夠產(chǎn)生足夠的氣流上升力,使貼近地表層的風(fēng)雪流借助上升氣流保持非堆積搬運(yùn)狀態(tài)。
(2)氣流流經(jīng)淺槽風(fēng)力加速堤斷面時,在加速堤迎風(fēng)坡腳、淺槽背風(fēng)弧面、淺槽最深處、迎風(fēng)路基坡腳和背風(fēng)路基坡腳5 個部位形成減速區(qū)域,導(dǎo)致雪粒沉積;而在加速堤迎風(fēng)坡上部、頂部、淺槽迎風(fēng)弧面、迎風(fēng)路肩4個部位形成增速區(qū)域,引起雪粒吹揚(yáng)。不同弦深比的淺槽風(fēng)力加速堤的淺槽內(nèi)均可積雪,但路面卻因斷面參數(shù)不同輸雪功能也不相同,有的斷面甚至導(dǎo)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(fēng)力加速堤的背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比(L1/L2),用淺槽風(fēng)力加速堤的背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比(L1/L2)、淺槽深H和迎風(fēng)弦長L2與路面是否積雪進(jìn)行回歸分析得到Y(jié)=-0.2553+0.0099L2-0.1230H+0.8514L1/L2。在工程實(shí)踐中,可通過測得上述三個指標(biāo),進(jìn)行方程擬合計(jì)算,當(dāng)Y<1,則表明該淺槽風(fēng)力加速堤所處路段不會發(fā)生積雪。
淺槽風(fēng)力加速堤能否將雪粒輸送過路面取決于背風(fēng)迎風(fēng)弦長比,顯然,當(dāng)淺槽深度與弦深比(L/H)一定時,如背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比L1/L2大于1,則背風(fēng)弦長大于迎風(fēng)弦長,淺槽迎風(fēng)側(cè)弧面R2坡度較陡,風(fēng)雪流將在路基邊坡與淺槽相連處大幅下降,產(chǎn)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(fēng)速在路肩處雖然增大但強(qiáng)度有所減弱,可能導(dǎo)致風(fēng)雪流在路面發(fā)生堆積造成雪害。此外,淺槽迎風(fēng)側(cè)及路基邊坡處雪粒堆積后將會對風(fēng)雪流流線造成阻礙,使得風(fēng)雪流不暢,產(chǎn)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(fēng)/迎風(fēng)弦長比L1/L2小于1,則迎風(fēng)弦長大于背風(fēng)弦長,淺槽迎風(fēng)側(cè)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(fēng)速較大,可將風(fēng)雪流輸送過路。同時背風(fēng)側(cè)弧面短而陡,氣流急劇衰減而產(chǎn)生渦旋,雪粒多在背風(fēng)側(cè)沉積,風(fēng)雪流變得不飽和,促進(jìn)淺槽迎風(fēng)側(cè)雪粒的輸送。因此,為了保障風(fēng)雪流順利通過淺槽風(fēng)力加速堤,必須使淺槽風(fēng)力加速堤淺槽背風(fēng)側(cè)弧長小于迎風(fēng)側(cè)弧長,即必須使背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比小于1,只有這樣才能保證氣流增速的連續(xù)性,使風(fēng)雪流盡量平滑地通過淺槽風(fēng)力加速堤。
淺槽應(yīng)位于公路和風(fēng)力加速堤之間,其作用則是為了保持氣流的連續(xù)性,避免因附面層的分離而產(chǎn)生的雪粒堆積,并為風(fēng)雪流創(chuàng)造一個有足夠容量的非堆積搬運(yùn)地帶,可使風(fēng)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(fēng)力加速堤輸送風(fēng)雪流的強(qiáng)度和能力,可對淺槽迎風(fēng)坡進(jìn)行了平滑處理,如在冬季進(jìn)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(shè)迎風(fēng)側(cè)槽面,使之變得平滑。而且,槽面必須保持連續(xù)性,即在槽面中不宜出現(xiàn)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(fēng)力加速堤的設(shè)計(jì)是為了更好地將處于上風(fēng)向的積雪輸送到下風(fēng)向,故與淺槽風(fēng)力加速堤相連的公路下風(fēng)側(cè)應(yīng)有足夠的儲雪空間,同時設(shè)計(jì)路段不能有過于強(qiáng)烈的反向風(fēng),以免造成淺槽風(fēng)力加速堤在反向風(fēng)的作用下大量積雪而使其失去應(yīng)有的輸雪功能。