公路风吹雪雪害防治原理

佟士学,韩 峰

(1.黑龙江省八达路桥建设有限公司;2.黑龙江省监理公司)

研究风吹雪雪害成因机理的根本目的是为了避免或减轻公路雪害,有效避免或减轻公路雪害从原理上讲就是设法阻断风吹雪形成过程中的某个环节或是利用形成机理,防止积雪发生在路面上。而认识掌握这一原理,有助于在防治技术研究与工程实践中做到把握全局、抓住要害、因地制宜、多管齐下,达到最佳防治效果。

1 控制雪的供给

风雪流在某一速度下能输运的雪的数量是有限的,一定速度的风能够达到的最大输雪强度称为饱和输雪强度。风雪流的输雪强度是逐渐达到饱和的,即,风吹雪发生后,在运动过程中不断增加新的雪粒子,从而使输雪强度不断增大,最后达到一定速度下的饱和状态。因此,风雪流的强度不仅与风速和降雪量有关,还与吹雪长度有关。

在达到饱和输雪强度状态下,如果由于某种原因风速下降,则一部分雪粒子将下落,形成堆积,输雪强度变小;但由于输雪强度的减小,风雪流的速度随之增大,吹蚀作用加剧,使得风挟带的雪粒子的数量不断增加,直至达到饱和,而在达到饱和之前,风速也在逐渐下降。

风雪流饱和输雪强度的存在和饱和输雪强度的形成过程使得采取控制雪的供给的方法防治风吹雪积雪成为可能。控制雪的供给可以从两方面入手:(1)设计公路时,如果难以避开大规模雪源地带,则应尽量缩短上风区雪源的宽度,使得风雪流在到达公路时没有足够的发育距离,从而处于不饱和状态;(2)在公路上风侧雪源地带建立防雪栅、挡雪墙、防雪林等设施,使风雪流在经过公路之前先“卸掉”部分雪粒子,处于不饱和状态。在保障了风雪流以不饱和状态到达公路后,即使在经过路面时有一些速度损失,只要不降低到过饱和状态,就不至于形成积雪。

2 改善来流风向

风向与路线走向的夹角是影响雪害的重要因素,这是因为从地形对气流影响程度的角度来说,当风向与路线走向平行时,公路建设造成的地形改变在风向上与风向与路线走向垂直时的变化相比要小的多。特别是在横断面上地形的突变往往会引起气流的附面层分离,从而产生旋涡减速区,造成较严重的积雪。另外,当风向与路线走向平行时,也不易将路侧雪源上的雪输送到路面上。因此,风向与路线走向越是接近平行越不容易形成雪害,换言之,风向与路线的夹角越大越容易形成雪害。根据这一原理,一方面,在公路设计时应尽量使路线走向与当地的主导风向相同;另一方面,当夹角不大,设置防雪栅等阻拦设施效果不理想时,也可以利用导风板进行侧导风,将气流引导到与公路走向平行。

3 增大路面风速

同样由于饱和输雪强度的原理,风雪流的流速增加,则原本的饱和状态将变为不饱和,因而就不会导致积雪。根据这一原理,可以采取措施增大路面风速,比较成功的有利用导风板进行下导风。另外,也可以通过道路的横断面设计提高路面风速。

4 改善流场形态

风雪流流经公路上空时由于横断面的影响形成一定形态的流场,在特定的位置形成一定强度的涡漩减速区。涡漩减速区内部由于压力小、能量损失,雪粒子在此大量沉降形成积雪,因此,避免涡漩减速区的出现或者控制其位置对于防止路面积雪是非常有意义的。改善流场形态的防治措施有针对路堑修建敞开式路基、针对路堤修建流线型路基,以及增大边坡坡脚与道路的距离避免积雪发生在路面上等。

5 避免气流扰动

风雪流的饱和输雪量与其流速成正比,因此在公路设计时,应尽量确保风雪流在通过公路时不受到障碍、不引起速度出现较大降低。这种对风雪流来说的无障碍,不仅应体现在设计上,而且在公路的施工和日常养护时也要注意公路周边地形、地貌的整治和利用。路基边坡上的杂草和碎石虽然体积不大,但却会对风雪流的运行造成一定扰动,导致局部风速降低,形成少量积雪,这种积雪以雪檐推进的形式不断增加,只要雪源足够充足最终会在路面形成积雪。事实上,大部分中等高度的路基(1.5～5m)形成风吹雪积雪的原因都在于养护不够,在降雪之前没能及时清除路肩杂草。单株1m高左右的芷蓟造成的雪檐可以达到 1m高、2～3m长,其危害程度是很大的。