新疆公路風(fēng)吹雪雪害防治措施的研究

吳鵬

摘要：文章分析了公路風(fēng)吹雪的產(chǎn)生及其危害，結(jié)合新疆公路風(fēng)吹雪的特點，介紹了防雪柵欄、擋雪墻、導(dǎo)風(fēng)板和防雪林等4種目前用于新疆公路風(fēng)吹雪的防治措施，并研究了這4種防治措施的作用機理與相關(guān)設(shè)置參數(shù)。

關(guān)鍵詞：公路;風(fēng)吹雪;防治措施

xThis article analyzes the occurrence and damage of highway snowdrift，then，combining the characteristics of snowdrift in Xinjiang highway，it introduces four kinds of prevention measures for snowdrift in Xinjiang highway such as snow fence，snow shield，wind deflector and snow forest，and studies the action mechanism and related setting parameters of these four prevention measures.

Highway;Snowdrift;Prevention measures

0 引言

公路風(fēng)吹雪是一種非典型的氣固兩相流，是雪粒子被風(fēng)攜帶著運動的自然現(xiàn)象。根據(jù)以往學(xué)者的研究，在風(fēng)雪流的作用下，造成公路路面局部積雪的厚度是自然降雪的3～8倍[1]。

新疆的公路風(fēng)吹雪雪害出現(xiàn)最頻繁和危害最嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在塔城的瑪依塔斯風(fēng)區(qū)、北疆阿勒泰地區(qū)以及天山地區(qū)。這些地區(qū)所處的位置和地形均有

利于公路風(fēng)吹雪的形成，具有雨水豐富、積雪深度大、降雪日數(shù)多、雪的密度低而便于雪粒啟動等特點。

1 公路風(fēng)吹雪的產(chǎn)生及其危害

風(fēng)吹雪的物質(zhì)來源主要是降雪和積雪。近年來，隨著全球變暖的現(xiàn)象越來越明顯，CO2和其他溫度氣體的增溫，造成新疆地區(qū)的降水量有所增加，進(jìn)而使得新疆公路風(fēng)吹雪危害不斷加劇。公路風(fēng)吹雪發(fā)生時大量的雪粒子被風(fēng)所攜帶，其具有突發(fā)性強、來勢快、危害廣泛等特點，造成公路沿線雪阻、道路能見度降低、交通中斷，已經(jīng)威脅到新疆地區(qū)冬季交通安全。新疆地區(qū)特有的地形、地貌及山嶺區(qū)較多，使得新疆大部分地區(qū)都存在公路風(fēng)吹雪災(zāi)害。同時，新疆的冬季漫長、降雪量大、風(fēng)力強勁，使得公路風(fēng)吹雪災(zāi)害每年都會發(fā)生，給新疆的經(jīng)濟(jì)帶來了難以估計的損失。鑒于新疆公路風(fēng)吹雪分布的廣泛性和危害的嚴(yán)重性，針對新疆公路風(fēng)吹雪雪害防治措施的研究是非常必要的[2-3]。

2 新疆公路風(fēng)吹雪雪害的典型防治措施

目前，應(yīng)用于新疆公路風(fēng)吹雪災(zāi)害防治的主要措施有工程防治和生物防治。其中，工程防治主要有防雪柵欄、擋雪墻、導(dǎo)風(fēng)板;生物防治主要有防雪林。

2.1 防雪柵欄

2.1.1 防雪柵欄的作用原理

防雪柵欄又稱防雪柵，其主要通過改變原有地形的流場，以達(dá)到阻擋風(fēng)吹雪的作用。當(dāng)風(fēng)吹雪經(jīng)過防雪柵欄后會使風(fēng)雪流的風(fēng)速迅速降低，在防雪柵欄后形成渦旋減速區(qū)，使得大量的雪粒子堆積在防雪柵欄后[4]。防雪柵欄主要有兩部分組成：上部的防雪柵欄板塊和下部的支撐。防雪柵欄可以是木制的，也可以是鋼板制的。在實際工程中應(yīng)充分考慮使用年限和工程造價后，再決定選用何種類型的防雪柵欄。防雪柵欄的作用原理如圖1所示。

2.1.2 防雪柵欄的設(shè)置

（1）防雪柵欄的結(jié)構(gòu)形式

防雪柵欄的結(jié)構(gòu)形式有很多類型，主要分為：固定式和非固定（移動）式、單列式和多列式等。具體可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒌孛?、主?dǎo)風(fēng)向與道路的夾角、阻雪效果和環(huán)境條件選用。

（2）防雪柵欄的透風(fēng)率

當(dāng)透風(fēng)率<30%時，柵欄后的阻雪量比較小，雪丘高而陡峭，對近距離的防風(fēng)性好。當(dāng)透風(fēng)率為50%～70%時，柵欄后的阻雪量比較大，雪丘分布平緩且范圍大。透風(fēng)率可由地形、地物、用地、移雪量等條件確定。

[KG2]

（3）防雪柵欄的高度

一般而言，防雪柵欄的高度越高，其阻雪量就越大，作用范圍也越廣。但是當(dāng)柵欄高度增加到一定高度時，防雪的效果會逐漸變緩。

防雪柵欄后的阻雪量會隨著柵欄高度的增加而增大，防雪柵欄后的堆積影響區(qū)的作用范圍也越廣，但隨著柵欄高度增加到很高時，防雪效果會越來越差。防雪柵欄的高度可以根據(jù)風(fēng)吹雪災(zāi)害的大小及所處區(qū)域的地形、地貌、透風(fēng)率等因素確定，一般為2～6 m。

（4）防雪柵欄的排數(shù)

在風(fēng)吹雪災(zāi)害嚴(yán)重，移雪量較大的地方，可以采用兩層或者多層防雪柵欄。

防雪柵欄的排數(shù)可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦危ㄓL(fēng)、背風(fēng)、路側(cè)橫向坡度）、移雪量等確定。

（5）防雪柵欄與道路的距離

防雪柵欄與道路的距離必須保證下風(fēng)側(cè)雪丘不會延伸到路面上，不同透風(fēng)率和高度的防雪柵欄與道路的距離是不同的。

①透風(fēng)率的影響

②山坡坡度的影響

在迎風(fēng)坡上設(shè)置防雪柵欄，隨著坡度的增加，防雪柵欄與道路的距離可以越來越短。在背風(fēng)坡上設(shè)置防雪柵欄，隨著坡度的增加，防雪柵欄與道路的距離越來越長。

（6）防雪柵欄與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角

防雪柵欄與主導(dǎo)的風(fēng)向應(yīng)該呈90°，此時防雪柵欄后的阻雪量最大，效果最好。隨著兩者夾角的減小，阻雪量也在逐漸減小，當(dāng)兩者之間的夾角<45°時，不宜布設(shè)防雪柵欄。

（7）防雪柵欄的長度

2.2 擋雪墻

2.2.1擋雪墻的作用原理

擋雪墻主要設(shè)置在路面迎風(fēng)向的上側(cè)，借助于自身的阻隔作用，降低風(fēng)雪流的運行速度，使得雪粒子沉積在擋雪墻后。擋雪墻主要是由石、磚、土等建筑材料修筑成的人工構(gòu)筑物，它的優(yōu)點是：可以就地取材、施工成本低[6]。

2.2.2 擋雪墻的高度

擋雪墻的高度與其阻雪能力有著直接的關(guān)系。一般而言，阻雪能力會隨著擋雪墻高度的增加而增加，呈線性增長。然而，在實際的工程中，綜合考慮工程造價等多方面因素，應(yīng)選取合理的高度。對于平原區(qū)，擋雪墻的高度宜設(shè)為1.5～1.8 m，取值主要取決于降雪量的大小以及地形的情況。對于降雪量更大的區(qū)域，擋雪墻的高度不能滿足阻雪的要求，可以采取設(shè)置雙層擋雪墻的措施。

2.2.3 擋雪墻的走向與主風(fēng)向的夾角

擋雪墻主要是通過降低風(fēng)雪流風(fēng)速來實現(xiàn)其阻雪作用，擋雪墻設(shè)置的角度與主風(fēng)向的夾角為90°時最好。然而在實際情況中，擋雪墻與風(fēng)吹雪的主風(fēng)向并不是垂直的，因而導(dǎo)致?lián)跹Φ淖呦蚺c主導(dǎo)風(fēng)向的夾角較小。從現(xiàn)有的研究結(jié)果可以得出：擋雪墻與主導(dǎo)風(fēng)向之間的夾角α<45°時，會造成路面積雪的堆積;擋雪墻與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角45°<α<75°時，應(yīng)對擋雪墻的端部進(jìn)行處理。

在主導(dǎo)風(fēng)向相對穩(wěn)定的地區(qū)，一般多設(shè)置翼式擋雪墻，進(jìn)而避免端部的積雪向路面延伸，具體的布置如圖3所示。

2.2.4 擋雪墻與路面的距離

擋雪墻與路面的距離主要是根據(jù)擋雪墻的高度（H）來決定的。對于平原區(qū)，單層不透風(fēng)式擋雪墻與路面的距離一般設(shè)置為10～15H;對于山區(qū)，擋雪墻與路面的距離宜>8H。

2.2.5 周圍的地形

地形對于擋雪墻的布設(shè)有很大的影響，擋雪墻的布設(shè)應(yīng)在風(fēng)雪流主要堆積區(qū)域內(nèi)的平坦地形，不宜設(shè)在高低不平的地形上。

2.3 導(dǎo)風(fēng)板

2.3.1 導(dǎo)風(fēng)板的作用原理

風(fēng)雪流在導(dǎo)風(fēng)板前方受到了下導(dǎo)風(fēng)的阻擋作用，風(fēng)雪流逐漸增壓，在貼地氣層可以形成一個較強的渦旋減速區(qū)，使得雪粒子下落沉積。當(dāng)風(fēng)雪流進(jìn)入導(dǎo)風(fēng)板的下風(fēng)口后，導(dǎo)風(fēng)板把壓力能轉(zhuǎn)化為動能，致使導(dǎo)風(fēng)板下風(fēng)口的風(fēng)雪流的速度增大，帶走渦旋減速區(qū)內(nèi)沉積的雪粒子[7]。

2.3.2 導(dǎo)風(fēng)板的典型影響因素

（1）導(dǎo)風(fēng)板的高度

一般來說，導(dǎo)風(fēng)板的高度越高，其作用范圍就會越長，導(dǎo)風(fēng)板下風(fēng)口路面的風(fēng)雪流加速效果就越明顯。考慮到風(fēng)雪流在垂直方向的變化，隨著導(dǎo)風(fēng)板高度的增加，風(fēng)雪流的增速效果會越來越差。

（2）導(dǎo)風(fēng)板與地面夾角

當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板和地面的夾角α<90°，風(fēng)雪流吹過時，導(dǎo)風(fēng)板對風(fēng)雪流下壓，增大路面的氣流速度;當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板和地面的夾角α>90°，風(fēng)雪流吹過時，導(dǎo)風(fēng)板對風(fēng)雪流上抬，使其上挑效果明顯。

（3）導(dǎo)風(fēng)板的下風(fēng)口高度

當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板高度一定時，隨著導(dǎo)風(fēng)板下風(fēng)口高度的不斷增加，路面中心線的風(fēng)速會增大至極點后下降，這時的導(dǎo)風(fēng)效果會慢慢變差。

（4）導(dǎo)風(fēng)板和風(fēng)雪流的夾角

導(dǎo)風(fēng)板和風(fēng)雪流的夾角為90°時，導(dǎo)雪效果最好。

2.4 防雪林

2.4.1 防雪林的防治原理

防雪林是種植在公路迎風(fēng)側(cè)或兩側(cè)使風(fēng)雪流的風(fēng)速下降、雪粒堆積的林帶，具有減弱風(fēng)吹雪的強度、攔截雪粒、提高道路能見度以及良好的視線誘導(dǎo)等作用[8]。防雪林屬于生物防治工程，既可以起到防風(fēng)阻雪的效果，又可以美化道路兩側(cè)的環(huán)境，具有良好的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。

2.4.2 新疆防雪林樹種的選擇

對于防雪林樹種的選擇，應(yīng)選擇抗風(fēng)雪效果好、適應(yīng)性能強、生命周期長的樹種。同時，應(yīng)充分考慮其與環(huán)境相結(jié)合，具有美化、觀賞的價值。

目前，適用于新疆地區(qū)防雪林植種的樹種主要有：小葉楊、群眾楊、小黑楊、大青楊、刺槐、紫穗槐、雪棘等。

2.4.3 防雪林的結(jié)構(gòu)布設(shè)型式

（1）灌木純林或混交林：群眾楊、紫穗槐、雪棘混交，以帶狀分布，品字形結(jié)構(gòu)，10行樹為一帶，每一帶間距為5.0 m，每株行距為1.0 m×1.0 m，緊密排列。

（2）灌木與半灌木混交：群眾楊+紫穗槐混交、紫穗槐+雪棘混交，以帶狀分布;10+10行樹為一帶，每一帶間距為5.0 m，灌木株行距為1.0 m×1.0 m;灌木與半灌木為品字形結(jié)構(gòu)，半灌木行間距為0.5 m×0.5 m，緊密排列。

2.4.4 防雪林與公路的距離

防雪林與公路的水平距離應(yīng)該以適度為宜。防雪林距離公路太遠(yuǎn)，會使風(fēng)雪流再次啟動，形成二次風(fēng)吹雪災(zāi)害;防雪林距離公路太近，也起不到好的防雪效果。一般而言，防雪林與公路的距離通常為40～50 m。

3 結(jié)語

目前，用于治理新疆公路風(fēng)吹雪的主要防治措施有4種：防雪柵欄、擋雪墻、導(dǎo)風(fēng)板和防雪林，本文對這4種主要防治措施的作用機理進(jìn)行了介紹，總結(jié)出這4種防治措施設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，希望能對新疆公路風(fēng)吹雪雪害的防治提供一定的理論幫助。

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