浅槽风力加速堤对公路风雪流影响的因子分析

彭国冬， 张思源， 刘梓伟， 孙 斌

（1. 锡林郭勒盟乾图交通设计有限责任公司，内蒙古 锡林浩特 026000； 2. 内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010010； 3. 吉林大学 交通学院，吉林 长春 130022）

0 引言

风雪流（又称风吹雪）是一种非典型气固两相流，当风雪流中的气流搬运能力大于含雪量时，积雪表面会发生风蚀现象，使雪面产生凹凸不平的吹蚀形态；当风雪流中的气流搬运能力小于含雪量时，雪粒便会沉积下来［1-2］。公路是不规则的障碍物，会引起风雪流中的气流扰动，因此当风雪流遇到公路的阻碍，会产生涡旋，使风雪流的搬运能力大幅下降，雪粒便会在边坡或路面堆积形成积雪，从而影响交通安全和车辆的正常运营［3-4］。如2004年黑龙江省鹤大高速发生风雪流，造成45 km 长的路段深度积雪，交通因此中断4天。

目前国内外针对风雪流的研究主要分为两个方面，一是基础理论研究［5-10］，二是风雪流防治技术的研究［11-14］。研究成果主要分布在风雪流的形成条件、影响因素及防治措施等方面，对特定防治措施下的公路积雪分布规律研究不足。同时已有的公路风吹雪防治技术缺少定量分析和数据支持，因此导致很多防治措施只能依据前人经验设置，缺乏理论支撑。

由于气流的输雪能力与风速（u）超过风雪流临界风速（u1）部分的三次方成正比［15］。根据这一原理，在风雪流到达公路前减少气流中的含雪量或提高风速或消除涡旋产生的条件都可以避免公路积雪。为了在减少积雪的同时不出现边坡风蚀，最好使风雪流保持不蚀不积的状态顺利通过。浅槽风力加速堤作为一种防治风雪流灾害的工程措施，其原理是使风雪流保持不蚀不积的状态，顺利通过公路。已有学者对浅槽风力加速堤防治公路沙害作用机理进行过相关研究，认为影响输沙效果的主要是浅槽的弦深比，且弦深比在10∶1～12.5∶1 时输沙功能最好，低于10∶1的断面易积沙。但将之引入雪害防治中发现，除弦深比外还有其他因素在影响浅槽风力加速堤的输雪能力。而关于浅槽风力加速堤在雪害防治中的作用及相关内容目前仍无报道，而且，现有的浅槽风力加速堤设计仅依靠经验设置，不能发挥其有效的防雪作用。有鉴于此，对草原牧区公路风吹雪雪害防治中的浅槽风力加速堤的作用原理及其影响因素进行了研究，以期为今后的设置提供合理的理论指导。

1 研究区概况

本文以207国道（以下写为G207线）内蒙古锡林郭勒盟境内路段为研究对象进行了相关研究。内蒙古锡林郭勒盟地处内蒙古自治区中部，是深受风雪流影响的典型地区，同时G207线是锡林郭勒盟重要的交通运输通道。该路线经过锡林郭勒盟地区的降雪季经常普降大雪，最大积雪深度可达50 cm 以上。而且沿线地区年大风天数58～86 d，降雪季节合成风向多为西北、西方向，常常出现主风向与公路走向垂直的情况，雪粒子随大风流动，形成草原上常见的风雪流，极易造成公路局部积雪阻断交通运输。

对公路沿线的浅槽风力加速堤及其所在路段的风速流场、积雪情况、断面因子等进行了为期三年的定位与半定位观测。具体方法是，在无雪时，利用电子经纬仪、皮尺测定了浅槽风力加速堤断面的槽深、弦长、左右弦长比等因子及整个断面的地形变化情况；在风吹雪季节，利用多路风速自动采集仪测定了浅槽风力加速堤及公路的风速流场和路面积雪情况。室内汇总数据后，利用DPS和SPSS软件对数据进行分析，找出影响浅槽风力加速堤输雪的因子。

2 结果与分析

2.1 浅槽风力加速堤的构成参数分析

浅槽风力加速堤一般设置在公路迎风侧，是由输雪浅槽和风力加速堤组成的工程结构物，它能够使风雪流顺利通过路面不在路面堆积形成雪害，其基本结构如图1所示。浅槽风力加速堤主要由三部分组成：第一部分是位于公路迎风侧的风力加速堤，第二部分是处于公路迎风侧的弧形浅槽，第三部分是公路路基断面。其中风力加速堤起到压缩过流高度、加快风速的作用，而浅槽则起到先减速再增速的作用。减速使部分雪粒堆积，减轻了风雪流的负荷，加速使风雪流搬运能力增大，保证剩余的雪粒可以顺利越过公路。其主要作用就是改变流场结构和雪粒的堆积部位，以达到风雪流顺利吹过路面而不在路面堆积的目的。

图1 路基输雪断面的基本形式与组成Fig. 1 Basic form and composition of subgrade snow transport section

浅槽风力加速堤的主要参数如图1所示。其中起主要作用的是浅槽，浅槽由背风、迎风两个弧形断面构成，其弧长分别为R1和R2，连接风力加速堤顶部和路基坡脚的实线为槽面所对应的弦长L，由弦垂直向下至浅槽最深处的直线为槽深H，以槽的最深点为界可以将弦分为左右两段，其中右侧为背风弦长L1，左侧为迎风弦长L2，L1和L2所对应的弧长分别为R1和R2，路基高度为h。上述各参数中，背风弧面与迎风弧面长度之比R1/R2为背风/迎风弧长比（以下简称弧长比），该值反映了浅槽两侧弧的长短，从而反映风雪流减速与增速路径的长短，但二者在实际测量中不好计量，因此可用其所对应的弦来近似地表示，即用背风/迎风弦长比（L1/L2）来近似。此外，浅槽风力加速堤的弦深比定义为浅槽弦长L与浅槽深度H的比值，用该值反映浅槽的断面特征。

2.2 浅槽风力加速堤的风速流场与输雪功能

对G207 线10 个浅槽风力加速堤断面有雪期与无雪期风速流场的测定表明，当垂直于公路的旷野气流经过浅槽风力加速堤和路面时，会在浅槽风力加速堤及路面前后产生5 个降速区和4 个加速区。即风速在加速堤迎风坡脚、浅槽背风弧面、浅槽最深处、迎风路基坡脚和背风路基坡脚减弱，并形成小尺度的涡旋；而在加速堤迎风坡上部、顶部、浅槽迎风弧面、迎风路肩4 个部位加速，形成增速区域。若以K189+50浅槽风力加速堤旷野2 m 高处风速为对照，则加速堤迎风坡脚、浅槽背风弧面、浅槽最深处、迎风路基坡脚和背风路基坡脚同一高度上的风速分别降低33.3%、22.6%、35.2%、26.0% 和10.0%；而在加速堤迎风坡上部、顶部、浅槽迎风弧面、迎风路肩处分别提高6.7%、14.6%、10.8%和16.6%。在其他浅槽风力加速堤上，实测的风速流场与此表现相近，只是风速降低或提高的幅度有所区别。特别是在浅槽最深处，风速的降低与槽深呈正相关关系。而且不论浅槽风力加速堤中是否积雪，其流场分布规律相同，区别不大，说明流场特征的稳定是浅槽风力加速堤能够保持输雪能力的基本条件。

受风速流场的影响，风雪流将在风速降低区发生沉积而在风力加速区则得以吹扬。因此，雪粒先从浅槽背风侧的弧面开始堆积，之后逐步下延，并使雪舌逐渐向浅槽中心发展；在浅槽最深处，雪粒也会堆积并向迎风侧不断发展。在浅槽迎风侧弧形断面和路肩处，风雪粒被吹扬至高处，造成浅槽迎风侧的雪粒被吹扬而使风雪流顺利通过断面，并一直穿过路面到达背风路基一侧。野外定位观测结果表明，不同设计参数的浅槽风力加速堤，其输雪能力并不相同，浅槽浓度越深其槽内的积雪量也越大。在所测的各浅槽风力加速堤中，弦深比最小为5.6∶1，最大为16.7∶1，但多数断面均可使雪粒顺利通过路面而不致公路雪害发生；但仍有一些断面会发生路面积雪，且其弦深比在8∶1～12∶1之间。由此可知，弦深比虽然影响浅槽的形态，但弦深比并不是影响浅槽风力加速堤输雪效果的主要因素，可能还有其他更为主要的因素在起作用。

2.3 影响浅槽风力加速堤输雪的因子分析

为了全面了解影响浅槽风力加速堤输雪能力的因素，对G207 线具有浅槽地形的浅槽风力加速堤的输雪效果和断面的主要参数进行了测定，各断面的主要参数如表1所示。

利用DPS5.0 和SPSS 软件对上述各主要参数进行逐步回归分析，其相关系数如表2所示。

由表2 可知，路面积雪与否与浅槽风力加速堤的背风/迎风弦长比显著相关，其相关系数为0.7782。经逐步回归，路面积雪与否可表示为

式中：L2为迎风弦长；H为浅槽深；L1/L2为背风/迎风弦长比。

对方程进行相关性检验，得到其值F（3，20）＝14.4970，相关关系极显著。回归方程各因子与路面积雪与否的偏相关系数及显著性如表3所示。由方程系数大小及偏相关系数可知，路段路面是否积雪的最主要因素为浅槽风力加速堤背风/迎风弦长比（L1/L2），其次是浅槽风力加速堤的浅槽深（H），最后为浅槽风力加速堤迎风弦长（L2）。如果在工程实践中可测得上述三个指标，则可进行回归方程拟合，当所得值＜1 时，则表明该浅槽风力加速堤所处路段不会发生积雪。

表3 逐步回归方程各因子偏相关系数与t检验值Table 3 Partial correlation coefficient and t-test value of each factor in stepwise regression equation

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）浅槽风力加速堤是由位于公路迎风侧的风力加速堤、弧形浅槽和公路路基三部分构成的工程设施；浅槽风力加速堤的作用是能够产生足够的气流上升力，使贴近地表层的风雪流借助上升气流保持非堆积搬运状态。

（2）气流流经浅槽风力加速堤断面时，在加速堤迎风坡脚、浅槽背风弧面、浅槽最深处、迎风路基坡脚和背风路基坡脚5 个部位形成减速区域，导致雪粒沉积；而在加速堤迎风坡上部、顶部、浅槽迎风弧面、迎风路肩4个部位形成增速区域，引起雪粒吹扬。不同弦深比的浅槽风力加速堤的浅槽内均可积雪，但路面却因断面参数不同输雪功能也不相同，有的断面甚至导致路面积雪。

（3）路面积雪是否积雪的最重要影响因素为浅槽风力加速堤的背风/迎风弦长比（L1/L2），用浅槽风力加速堤的背风/迎风弦长比（L1/L2）、浅槽深H和迎风弦长L2与路面是否积雪进行回归分析得到Y=-0.2553+0.0099L2-0.1230H+0.8514L1/L2。在工程实践中，可通过测得上述三个指标，进行方程拟合计算，当Y＜1，则表明该浅槽风力加速堤所处路段不会发生积雪。

3.2 讨论

浅槽风力加速堤能否将雪粒输送过路面取决于背风迎风弦长比，显然，当浅槽深度与弦深比（L/H）一定时，如背风/迎风弦长比L1/L2大于1，则背风弦长大于迎风弦长，浅槽迎风侧弧面R2坡度较陡，风雪流将在路基边坡与浅槽相连处大幅下降，产生涡旋使雪粒沉积，纵然气流抬升过程中增速，但其增幅毕竟有限，使风速在路肩处虽然增大但强度有所减弱，可能导致风雪流在路面发生堆积造成雪害。此外，浅槽迎风侧及路基边坡处雪粒堆积后将会对风雪流流线造成阻碍，使得风雪流不畅，产生更多的积雪，雪舌的前伸也会造成积雪上路危害交通。若背风/迎风弦长比L1/L2小于1，则迎风弦长大于背风弦长，浅槽迎风侧弧面长而缓，气流为缓变流，速度逐渐增大而损失较小，使得路肩处风速较大，可将风雪流输送过路。同时背风侧弧面短而陡，气流急剧衰减而产生涡旋，雪粒多在背风侧沉积，风雪流变得不饱和，促进浅槽迎风侧雪粒的输送。因此，为了保障风雪流顺利通过浅槽风力加速堤，必须使浅槽风力加速堤浅槽背风侧弧长小于迎风侧弧长，即必须使背风/迎风弦长比小于1，只有这样才能保证气流增速的连续性，使风雪流尽量平滑地通过浅槽风力加速堤。

浅槽应位于公路和风力加速堤之间，其作用则是为了保持气流的连续性，避免因附面层的分离而产生的雪粒堆积，并为风雪流创造一个有足够容量的非堆积搬运地带，可使风雪流顺利通过公路，防止雪粒子在路面堆积形成路面积雪。为提高浅槽风力加速堤输送风雪流的强度和能力，可对浅槽迎风坡进行了平滑处理，如在冬季进入雪季前可采取人工打草尽量保证弧面的平滑；或采用黏土铺设迎风侧槽面，使之变得平滑。而且，槽面必须保持连续性，即在槽面中不宜出现两个或多个地势低洼之处，以免造成槽面的大量积雪而危及路面。

浅槽风力加速堤的设计是为了更好地将处于上风向的积雪输送到下风向，故与浅槽风力加速堤相连的公路下风侧应有足够的储雪空间，同时设计路段不能有过于强烈的反向风，以免造成浅槽风力加速堤在反向风的作用下大量积雪而使其失去应有的输雪功能。