趙 煒

(新疆鐵道勘察設(shè)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(xiàn)象,在我國新疆北部、西北部尤其普遍。當公路通行區(qū)域發(fā)生風吹雪現(xiàn)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(chǎn)安全,嚴重影響當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。風吹雪災(zāi)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(qū),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(zāi)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(zāi)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(zāi)害防治提供參考。

1 風吹雪災(zāi)害成因分析

布吉公路第二合同段位于阿勒泰地區(qū)吉木乃縣境內(nèi),與第一合同段終點順接K36+500,東西向沿哈土山北側(cè)布線,沿加曼喀拉山北側(cè)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(jié)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(shè),橋涵汽車荷載標準采用公路—Ⅰ級。設(shè)計時速及路基斷面形式如表1所示。

表1 布吉公路設(shè)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(qū)、沖洪積平原、山前傾斜平原區(qū)。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(shù)(≥8級)40.2d;該區(qū)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(fā)生渦旋的地形條件,極易產(chǎn)生風吹雪。圖1所示為項目沿線地區(qū)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(xiàn)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(qū)沿線溝坎處。在地形發(fā)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(chǎn)生風吹雪災(zāi)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(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測分析,上述段落風吹雪災(zāi)害發(fā)生均具備以下條件:(1)足夠充足的雪量—物質(zhì)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(zhì)(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(lián)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(qū),由于平原地區(qū)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(zāi)害防治措施

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,對布吉公路沿線風吹雪災(zāi)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(zāi)害基本分類

表3 布吉公路風吹雪災(zāi)害預防與治理方法分類

2.1 路線設(shè)計防治技術(shù)

路線選線時主要從控制雪源的角度出發(fā),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(shè)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(qū)域內(nèi)冬季風向主要為東南風,風向與路線夾角為60°;春、秋季節(jié)為西風,風向與路線夾角為30°。綜合考慮地形地物、地質(zhì)情況、線型指標、支擋防護工程設(shè)置等因素,對K57+500～K64+000段路線方案進行了優(yōu)化調(diào)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(shè)計防治技術(shù)

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(zāi)害防治,一是在風吹雪災(zāi)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(cè)邊坡坡率一般為1∶3,挖方側(cè)設(shè)置路堤式路塹,內(nèi)側(cè)邊坡高1.5m,坡率采用1∶3,并設(shè)置5m積雪平臺,外側(cè)邊坡參照路塹邊坡坡率原則設(shè)置。(3)路塹∶采用路堤式路塹,路堤坡率為1∶3,高度1.5m,兩側(cè)設(shè)置5m積雪平臺,外側(cè)邊坡參照路塹邊坡坡率原則設(shè)置。拓寬加深路側(cè)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(shè)施設(shè)計防治技術(shù)

在沿線風吹雪段落,若布設(shè)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(shè)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(shè)置混凝土護欄,橋梁段路側(cè)護欄為金屬梁式護欄。

為保障風吹雪災(zāi)害天氣行車安全,在沿線未設(shè)置護欄段落設(shè)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(fā),結(jié)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(jù)現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù),確定阻雪柵欄的設(shè)置位置、高度、道數(shù),以達到最佳防治效果。設(shè)置方法見表4。

表4 布吉公路擋雪防治工程設(shè)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(fā)生。

圖4 混凝土插板式阻雪柵欄正面圖(單位:cm)

3 結(jié)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(zāi)害的成因和特征。通過現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測等方法,綜合考慮地理地形、水文地質(zhì)、風速風向、雪顆粒運動特征等因素,從路線設(shè)計、路基路面設(shè)計、交通安全設(shè)施設(shè)計、擋雪防治工程防治技術(shù)等方面提出了風吹雪災(zāi)害防治的設(shè)計方法和措施,為公路風吹雪災(zāi)害防治思路及措施提供一定參考。

同時,風吹雪災(zāi)害防治理念也應(yīng)遵循公路與自然相協(xié)調(diào)的原則,設(shè)置防雪工程應(yīng)因地制宜、因勢利導,以達到最佳防雪效果為目的。風吹雪災(zāi)害防治是一個動態(tài)完善的過程,在施工及運營階段應(yīng)持續(xù)調(diào)查監(jiān)測,根據(jù)實時情況驗證風吹雪災(zāi)害防治效果,并與養(yǎng)護保通工作相結(jié)合,最大程度保障公路通行性和司乘人員生命財產(chǎn)安全。