路基断面形式与风吹雪雪害的关系

邱奕添

(黑龙江省高速公路集团公司，黑龙江 哈尔滨 150001)

路基断面形式与风吹雪雪害的关系

邱奕添

(黑龙江省高速公路集团公司，黑龙江 哈尔滨 150001)

基于黑龙江省公路风吹雪雪害多发、频发的实际，分析公路路基断面形式与风吹雪雪害的关系。通过对路基填土高度、迎风半路堑、背风半路堑，以及完整路堑和弯道附近风吹雪流场的分析，明确了不同路基断面形式下风吹雪的产生过程，针对性地提出了减轻风吹雪雪害的技术对策。

公路路基；断面形式；风吹雪；雪害；防治

0 引 言

公路风吹雪雪害主要分布在高纬度、高海拔和地形起伏变化大的稳定积雪区。黑龙江省冬季漫长、风力强劲，降雪量多，公路风吹雪雪害不但年年发生，甚至一年中多次发生。风吹雪会能见度下降，路面辨识困难，严重影响驾驶员的视线和视距，对公路交通造成极大干扰。

黑龙江省主要公路近年来冬季多次出现“风吹雪”灾害。1983年4月中旬黑龙江省西部发生严重风吹雪雪害，导致交通中断，综合经济损失达1.6亿元。2004年2月黑龙江省鹤大线(一级公路)降雪后，从K115～K160发生风吹雪，右半幅路面有长达45 km左右的段落，积雪深度达到1.2 m，左半幅也有部分路段积雪，形成风吹雪雪阻，致使交通中断4 d。虽然黑龙江省公路管理养护部门每年都要投入约5千万元除雪保通，但仍然避免不了雪阻路段造成的交通中断。风吹雪雪害已是长期困扰黑龙江省公路建设、运输的一个关键难题。其中，路基断面形式是风吹雪形成的重要因素之一。

1 路基填土高度与公路雪害形成的关系

在黑龙江省风吹雪地区，当风向、风速、雪源等条件大致相同的情况下，公路路基高度对风吹雪雪害的形成有很大影响。其中较低的风吹雪在运行中80%以上的雪粒将集中在距地面20 cm以下的贴地气流层。

根据黑龙江省公路风吹雪雪害路段的调查，风吹雪积雪情况如表1所示。

表1 黑龙江省公路风吹雪积雪情况

从表1的调查数据可以看出，≤1 m的路基积雪路段数量为9段，占56%；(1 m<,≤2 m)的路基积雪路段数量为3段，占19%，明显下降；(2 m<,≤3 m)的路基积雪路段数量为2段占13%，当路基高度≥3 m的路基积雪路段数量为2段占12%。表明随着路基高度的增加，公路风吹雪雪害程度也相应减小。

根据现场调查结果，当路基高度小于当地最大积雪深度h+60 cm(风向与路线走向偏向垂直，夹角大于45°)，以及当路基高度小于当地最大积雪深度h+80 cm(风向与路线走向夹角较小，小于45°)时，路堤的迎风坡因路基高度的屏障作用，在坡脚处风速减小，风吹雪带起的雪粒在此堆积，如有路基边沟，将被积雪迅速填满；从路基坡脚到路肩，风吹雪气流的流速逐渐增大，至路肩附近位置达到最高速度。翻越路基的气流随后因断面扩大而出现扩散，使背风坡的风吹雪气流流速从路肩至坡脚逐渐降低，在坡脚处，风吹雪气流的流速减至最低。越过路面的风吹雪颗粒一部分沉积在背风面的坡脚或边沟，如果路基较低，一般风吹雪颗粒会降落、沉积在路肩和行车道上，随着路基两侧坡脚或边沟的积雪不断增加，雪堆会逐渐接近并连成一体，形成较为严重的雪阻。如图1所示。

图1 路基高度小于最大积雪深度h+60 cm时的积雪形态

当风吹雪气流遇到较高的路基并在其上越过时，由于路基对风吹雪气流速度的影响，在增速区的路基部位，雪粒将不会发生沉积，只是在减速区域的路基坡脚和边坡堆积。

在积雪地区当风向与路线走向近于垂直(道路走向与风向大于45°)时，路堤高度大于当地最大积雪深度h+60 cm路堤上面一般不会产生积雪。

在积雪地区当风向与路线走向夹角较小或平行(道路走向与风向小于45°)时，路堤高度大于当地最大积雪深度h+80 cm路堤上面一般不会产生积雪。如图2所示：

图2 路基高度大于最大积雪深度h+60/80 cm时的积雪形态

根据有关的风洞试验数据，高度0.3 m的路基上空的流场受到气流本身的扰动较大，路面上的风速为原始风速的5%左右，而路基本身对气流的阻挡作用并不十分明显；高度0.6 m的路基上空的流场受到气流本身的扰动较大，路面上的风速为原始风速的5%～10%；高度1.2 m的路基上空的流场受到气流本身的扰动影响较大，路面上的风速为原始风速的10%，当路基高度为1.5 m时，路基对气流的扰动作用明显，路面上的风速为原始风速的10%。表明路面上的风速会随着路基高度的增加而逐渐增大，使路面上的积雪减少，并在上风侧路基坡脚处形成比较明显的随高度而增强的减速区。

据风洞试验，路基高度从4 m、6 m增加到10 m，路面上的风速变化不够明显，甚至有一定程度的减小趋势，说明路基高度增加到一定程度后，路面上的风速反而会逐渐减小。

2 迎风半路堑与公路雪害形成的关系

由迎风半路堑的风速百分比等值线观测结果可知(图3)，迎风半路堑的风吹雪气流沿路基的迎风面边坡向上方流动时，风吹雪气流的速度不断增加，到达路肩后风吹雪气流的速度达到最高。此后，由于贴地附坡面的气流层分离形成旋涡区，使风速明显变小。随着风吹雪中携带的雪粒不断降落、沉积，沉积的风吹雪积雪范围慢慢扩大，最后导致整个公路路面被沉积的积雪覆盖。迎风半路堑路段的风吹雪雪害出现机率相对较高，几乎每逢风吹雪天气都会带来风积雪雪害，其严重程度一般与下风坡面的坡度、坡脚与路基之间的距离，以及靠近公路的边坡坡顶高度等有关。

图3 迎风半路堑风速百分比等值线的观测结果

3 背风半路堑与公路雪害形成的关系

背风半路堑风速百分比等值线的观测结果如图4所示。当风吹雪气流经过山脊或坡顶向下方流动时，随着气流断面积的迅速扩大，贴地附坡面的风吹雪气流层发生分离形成旋涡，风吹雪气流的速度在背风半路堑边坡坡脚下降到原有风速的50%～60%，风吹雪携带的雪粒开始降落、沉积。在迎风面的山坡上，还有可能形成一种雪檐。随着风吹雪携带雪粒的不断降落、沉积，附坡面气流层的分离位置也在不断向前推进，雪檐也随之向前移动，当雪檐抵达路面时，便形成严重的风吹雪雪害。

背风半路堑的风吹雪雪害，其严重程度取决于迎风面坡度的大小。坡度大，贴地层气流流速下降得快，路面积雪就会愈严重。

图4 背风半路堑的风速百分比等值线

当山坡坡脚离路基很近时，这种路基断面形式伴随的风吹雪雪害就出现得较早；如果山坡坡脚距离路基比较远，在风吹雪发生期间，迎风山坡上形成的雪檐抵达路基的距离很长，则路面不易出现明显的风吹雪雪害。

背风半路堑路段风吹雪雪害的严重程度与迎风面的边坡坡度有关，坡度越大，道路风吹雪雪害就会越严重，一般情况下迎风面边坡坡度宜控制在15°以内。

4 完整路堑与公路雪害形成的关系

风吹雪气流通过与风向垂直的2～4 m的完整路堑时，由于气流断面积的迅速扩大，以及背风面边坡的拦挡作用，风吹雪气流的速度迅速下降，携带的雪粒将会降落、沉积，发生积雪现象。在迎风边坡附近由于旋涡气流的作用，一时不会产生沉积，但随着背风侧积雪深度的逐渐增加，沉降的积雪会向迎风坡方向推进 (图5) 。

图5 完整路堑迎风边坡坡度与贴地20 cm风速的关系

5 弯道与公路雪害形成的关系

公路弯道往往与路堑、竖曲线相遇。主风向在弯道前与公路平行时，弯道处的风吹雪气流流场发生变化；而在弯道后风向与弯道线路的走向趋向垂直，可能伴随着下坡减速，使道路内侧形成减速区域，导致风吹雪携带的雪粒在减速区域内出现降落、堆积。其积雪的严重程度，一般与风向和路线的夹角、路线的弯道曲率半径有关，如果风向基本垂直于路线，则风吹雪产生的积雪形态一般表现为雪坡，若平行于路线，则一般表现为雪梁。若路线弯道的曲率半径小，则风吹雪的气流流速下降快，积雪就相应严重。图6是风吹雪气流在弯道通过时的风向、风速的变化。

纯弯道风吹雪气流的绕流的所产生的风积雪雪害一般并不严重，但因弯道绕流往往和背风或迎风路段路基断面形式相遇，且一般出现垂直和水平两种旋涡气流，因此，弯道附近的风吹雪携带的雪粒降落、沉积的深度往往大于弯道之后的背风或迎风路段。当弯道内侧的山坡距离路基比较远，或者两者之间有一定宽度的边沟，或者弯道路线的曲率半径比较大，则路面的气流风速变化也显著增大，相应地不容易形成风吹雪雪害。

图6 气流通过弯道绕流路段时的风向及风速(m /s )

6 结 论

在风吹雪地区，在条件允许的情况下，路基高度建议控制在当地积雪深度h+60 cm以上。虽然边坡坡度越缓对稳定坡体越有利，但填方路基边坡坡度对风吹雪的影响并不大；路堑边坡坡度越大则积雪越严重，在有条件的地方采用敞开式路基，坡度最好控制在15°以内。同时弯道路线应尽可能地减小与冬季主导风向的夹角，对减少风吹雪雪害有利。

[1] 申东秀,陈波.公路风吹雪雪害防治概述[J].黑龙江交通科技，2008，(11).

[2] 高伟,崔巍,李秀凤.黑龙江省公路风吹雪路域特征与技术对策[C].第二届国际公路基础设施防灾减灾研讨会,西安,2016.

[3] 赵书成,朱光耀，许剑明，付万军.公路风吹雪雪害挡雪墙工程防治技术研究[J].黑龙江交通科技.2009，(6).

2017-02-11

邱奕添(1986-)，男，工程师，从事道路桥梁管理工作。

U412.3

：C

：1008-3383(2017)06-0010-03