路基斷面形式與風吹雪雪害的關系

邱奕添

(黑龍江省高速公路集團公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

路基斷面形式與風吹雪雪害的關系

邱奕添

(黑龍江省高速公路集團公司，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于黑龍江省公路風吹雪雪害多發、頻發的實際，分析公路路基斷面形式與風吹雪雪害的關系。通過對路基填土高度、迎風半路塹、背風半路塹，以及完整路塹和彎道附近風吹雪流場的分析，明確了不同路基斷面形式下風吹雪的產生過程，針對性地提出了減輕風吹雪雪害的技術對策。

公路路基；斷面形式；風吹雪；雪害；防治

0 引 言

公路風吹雪雪害主要分布在高緯度、高海拔和地形起伏變化大的穩定積雪區。黑龍江省冬季漫長、風力強勁，降雪量多，公路風吹雪雪害不但年年發生，甚至一年中多次發生。風吹雪會能見度下降，路面辨識困難，嚴重影響駕駛員的視線和視距，對公路交通造成極大干擾。

黑龍江省主要公路近年來冬季多次出現“風吹雪”災害。1983年4月中旬黑龍江省西部發生嚴重風吹雪雪害，導致交通中斷，綜合經濟損失達1.6億元。2004年2月黑龍江省鶴大線(一級公路)降雪后，從K115～K160發生風吹雪，右半幅路面有長達45 km左右的段落，積雪深度達到1.2 m，左半幅也有部分路段積雪，形成風吹雪雪阻，致使交通中斷4 d。雖然黑龍江省公路管理養護部門每年都要投入約5千萬元除雪保通，但仍然避免不了雪阻路段造成的交通中斷。風吹雪雪害已是長期困擾黑龍江省公路建設、運輸的一個關鍵難題。其中，路基斷面形式是風吹雪形成的重要因素之一。

1 路基填土高度與公路雪害形成的關系

在黑龍江省風吹雪地區，當風向、風速、雪源等條件大致相同的情況下，公路路基高度對風吹雪雪害的形成有很大影響。其中較低的風吹雪在運行中80%以上的雪粒將集中在距地面20 cm以下的貼地氣流層。

根據黑龍江省公路風吹雪雪害路段的調查，風吹雪積雪情況如表1所示。

表1 黑龍江省公路風吹雪積雪情況

從表1的調查數據可以看出，≤1 m的路基積雪路段數量為9段，占56%；(1 m<,≤2 m)的路基積雪路段數量為3段，占19%，明顯下降；(2 m<,≤3 m)的路基積雪路段數量為2段占13%，當路基高度≥3 m的路基積雪路段數量為2段占12%。表明隨著路基高度的增加，公路風吹雪雪害程度也相應減小。

根據現場調查結果，當路基高度小于當地最大積雪深度h+60 cm(風向與路線走向偏向垂直，夾角大于45°)，以及當路基高度小于當地最大積雪深度h+80 cm(風向與路線走向夾角較小，小于45°)時，路堤的迎風坡因路基高度的屏障作用，在坡腳處風速減小，風吹雪帶起的雪粒在此堆積，如有路基邊溝，將被積雪迅速填滿；從路基坡腳到路肩，風吹雪氣流的流速逐漸增大，至路肩附近位置達到最高速度。翻越路基的氣流隨后因斷面擴大而出現擴散，使背風坡的風吹雪氣流流速從路肩至坡腳逐漸降低，在坡腳處，風吹雪氣流的流速減至最低。越過路面的風吹雪顆粒一部分沉積在背風面的坡腳或邊溝，如果路基較低，一般風吹雪顆粒會降落、沉積在路肩和行車道上，隨著路基兩側坡腳或邊溝的積雪不斷增加，雪堆會逐漸接近并連成一體，形成較為嚴重的雪阻。如圖1所示。

圖1 路基高度小于最大積雪深度h+60 cm時的積雪形態

當風吹雪氣流遇到較高的路基并在其上越過時，由于路基對風吹雪氣流速度的影響，在增速區的路基部位，雪粒將不會發生沉積，只是在減速區域的路基坡腳和邊坡堆積。

在積雪地區當風向與路線走向近于垂直(道路走向與風向大于45°)時，路堤高度大于當地最大積雪深度h+60 cm路堤上面一般不會產生積雪。

在積雪地區當風向與路線走向夾角較小或平行(道路走向與風向小于45°)時，路堤高度大于當地最大積雪深度h+80 cm路堤上面一般不會產生積雪。如圖2所示：

圖2 路基高度大于最大積雪深度h+60/80 cm時的積雪形態

根據有關的風洞試驗數據，高度0.3 m的路基上空的流場受到氣流本身的擾動較大，路面上的風速為原始風速的5%左右，而路基本身對氣流的阻擋作用并不十分明顯；高度0.6 m的路基上空的流場受到氣流本身的擾動較大，路面上的風速為原始風速的5%～10%；高度1.2 m的路基上空的流場受到氣流本身的擾動影響較大，路面上的風速為原始風速的10%，當路基高度為1.5 m時，路基對氣流的擾動作用明顯，路面上的風速為原始風速的10%。表明路面上的風速會隨著路基高度的增加而逐漸增大，使路面上的積雪減少，并在上風側路基坡腳處形成比較明顯的隨高度而增強的減速區。

據風洞試驗，路基高度從4 m、6 m增加到10 m，路面上的風速變化不夠明顯，甚至有一定程度的減小趨勢，說明路基高度增加到一定程度后，路面上的風速反而會逐漸減小。

2 迎風半路塹與公路雪害形成的關系

由迎風半路塹的風速百分比等值線觀測結果可知(圖3)，迎風半路塹的風吹雪氣流沿路基的迎風面邊坡向上方流動時，風吹雪氣流的速度不斷增加，到達路肩后風吹雪氣流的速度達到最高。此后，由于貼地附坡面的氣流層分離形成旋渦區，使風速明顯變小。隨著風吹雪中攜帶的雪粒不斷降落、沉積，沉積的風吹雪積雪范圍慢慢擴大，最后導致整個公路路面被沉積的積雪覆蓋。迎風半路塹路段的風吹雪雪害出現機率相對較高，幾乎每逢風吹雪天氣都會帶來風積雪雪害，其嚴重程度一般與下風坡面的坡度、坡腳與路基之間的距離，以及靠近公路的邊坡坡頂高度等有關。

圖3 迎風半路塹風速百分比等值線的觀測結果

3 背風半路塹與公路雪害形成的關系

背風半路塹風速百分比等值線的觀測結果如圖4所示。當風吹雪氣流經過山脊或坡頂向下方流動時，隨著氣流斷面積的迅速擴大，貼地附坡面的風吹雪氣流層發生分離形成旋渦，風吹雪氣流的速度在背風半路塹邊坡坡腳下降到原有風速的50%～60%，風吹雪攜帶的雪粒開始降落、沉積。在迎風面的山坡上，還有可能形成一種雪檐。隨著風吹雪攜帶雪粒的不斷降落、沉積，附坡面氣流層的分離位置也在不斷向前推進，雪檐也隨之向前移動，當雪檐抵達路面時，便形成嚴重的風吹雪雪害。

背風半路塹的風吹雪雪害，其嚴重程度取決于迎風面坡度的大小。坡度大，貼地層氣流流速下降得快，路面積雪就會愈嚴重。

圖4 背風半路塹的風速百分比等值線

當山坡坡腳離路基很近時，這種路基斷面形式伴隨的風吹雪雪害就出現得較早；如果山坡坡腳距離路基比較遠，在風吹雪發生期間，迎風山坡上形成的雪檐抵達路基的距離很長，則路面不易出現明顯的風吹雪雪害。

背風半路塹路段風吹雪雪害的嚴重程度與迎風面的邊坡坡度有關，坡度越大，道路風吹雪雪害就會越嚴重，一般情況下迎風面邊坡坡度宜控制在15°以內。

4 完整路塹與公路雪害形成的關系

風吹雪氣流通過與風向垂直的2～4 m的完整路塹時，由于氣流斷面積的迅速擴大，以及背風面邊坡的攔擋作用，風吹雪氣流的速度迅速下降，攜帶的雪粒將會降落、沉積，發生積雪現象。在迎風邊坡附近由于旋渦氣流的作用，一時不會產生沉積，但隨著背風側積雪深度的逐漸增加，沉降的積雪會向迎風坡方向推進 (圖5) 。

圖5 完整路塹迎風邊坡坡度與貼地20 cm風速的關系

5 彎道與公路雪害形成的關系

公路彎道往往與路塹、豎曲線相遇。主風向在彎道前與公路平行時，彎道處的風吹雪氣流流場發生變化；而在彎道后風向與彎道線路的走向趨向垂直，可能伴隨著下坡減速，使道路內側形成減速區域，導致風吹雪攜帶的雪粒在減速區域內出現降落、堆積。其積雪的嚴重程度，一般與風向和路線的夾角、路線的彎道曲率半徑有關，如果風向基本垂直于路線，則風吹雪產生的積雪形態一般表現為雪坡，若平行于路線，則一般表現為雪梁。若路線彎道的曲率半徑小，則風吹雪的氣流流速下降快，積雪就相應嚴重。圖6是風吹雪氣流在彎道通過時的風向、風速的變化。

純彎道風吹雪氣流的繞流的所產生的風積雪雪害一般并不嚴重，但因彎道繞流往往和背風或迎風路段路基斷面形式相遇，且一般出現垂直和水平兩種旋渦氣流，因此，彎道附近的風吹雪攜帶的雪粒降落、沉積的深度往往大于彎道之后的背風或迎風路段。當彎道內側的山坡距離路基比較遠，或者兩者之間有一定寬度的邊溝，或者彎道路線的曲率半徑比較大，則路面的氣流風速變化也顯著增大，相應地不容易形成風吹雪雪害。

圖6 氣流通過彎道繞流路段時的風向及風速(m /s )

6 結 論

在風吹雪地區，在條件允許的情況下，路基高度建議控制在當地積雪深度h+60 cm以上。雖然邊坡坡度越緩對穩定坡體越有利，但填方路基邊坡坡度對風吹雪的影響并不大；路塹邊坡坡度越大則積雪越嚴重，在有條件的地方采用敞開式路基，坡度最好控制在15°以內。同時彎道路線應盡可能地減小與冬季主導風向的夾角，對減少風吹雪雪害有利。

[1] 申東秀,陳波.公路風吹雪雪害防治概述[J].黑龍江交通科技，2008，(11).

[2] 高偉,崔巍,李秀鳳.黑龍江省公路風吹雪路域特征與技術對策[C].第二屆國際公路基礎設施防災減災研討會,西安,2016.

[3] 趙書成,朱光耀，許劍明，付萬軍.公路風吹雪雪害擋雪墻工程防治技術研究[J].黑龍江交通科技.2009，(6).

2017-02-11

邱奕添(1986-)，男，工程師，從事道路橋梁管理工作。

U412.3

：C

：1008-3383(2017)06-0010-03