天山北坡公路沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害特征研究*

高 暉，楊瑞剛，李世緯，盛雅雯，胡晶晶

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 昌吉 831100；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)公路科學(xué)技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

烏尉高速公路里程長約318.5km，其中天山以北路段長約77km，易受到風(fēng)吹雪災(zāi)害影響。對天山北坡公路沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害特征進(jìn)行調(diào)查研究，并對易受風(fēng)吹雪災(zāi)害地段進(jìn)行數(shù)值模擬，提出相關(guān)治理建議，為路基設(shè)計(jì)和風(fēng)雪流的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 新疆天山北坡風(fēng)吹雪災(zāi)害發(fā)育特征

1.1 烏尉高速公路不同地形條件風(fēng)吹雪分布特征

針對烏尉高速公路天山北坡地段道路積雪情況進(jìn)行調(diào)查，沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害積雪發(fā)育地段占總長度的17.61%，其中山前沖洪積區(qū)(K0+000—K15+400)積雪段占比28.05%，前峽以北烏魯木齊河階地區(qū)(K15+400—K33+380)積雪段占比10.68%，剝蝕構(gòu)造中山區(qū)(K33+380—K41+400，K58+200—K78+200)積雪段占比5.53%，后峽段山間斷陷盆地(K41+400—K58+200)積雪段占比35.59%。

斷陷盆地區(qū)周邊高、中心低，形成天然的儲(chǔ)雪空間，雪粒在風(fēng)力作用下，在盆地四周邊界處減速、下降，形成下旋減速渦流，易堆積在盆地內(nèi)。山前沖洪積區(qū)因地形平坦、風(fēng)力通道連續(xù)貫通，風(fēng)力及雪量均較大，風(fēng)吹雪遇到路基、遭遇地形突變，造成積雪。階地區(qū)毗鄰河道，河道為天然的儲(chǔ)雪溝、階地臺(tái)坎為天然的阻雪墻，隔絕了大部分雪粒，對路基形成保護(hù)；中山區(qū)山體起伏較大，無連續(xù)的風(fēng)力通道、缺少風(fēng)動(dòng)力條件，難以將雪粒吹起并長距離輸送，僅在局部溝口處形成少量堆積。因此，階地及中山區(qū)風(fēng)吹雪災(zāi)害較少。但中山區(qū)內(nèi)風(fēng)吹雪發(fā)育地段集中于兩側(cè)山體相交的特殊地貌，風(fēng)力、風(fēng)向發(fā)生突變，也需加強(qiáng)關(guān)注(見圖1)。

圖1 斷陷盆地及平原區(qū)路基兩側(cè)積雪現(xiàn)狀

1.2 烏尉高速公路雪粒密度特征

據(jù)王中隆對天山冬季積雪密度的劃分及啟動(dòng)風(fēng)速的研究，雪粒子的啟動(dòng)速度主要和雪粒粒徑和積雪密度相關(guān)。啟動(dòng)風(fēng)速與雪粒粒徑、積雪密度之間的關(guān)系如下：

(1)

V=3.123+11.99ρ+0.013 5e12.08ρ

(2)

式中：V為雪粒子啟動(dòng)風(fēng)速；d為雪粒粒徑；ρ為積雪密度。

在項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)場選取4處試驗(yàn)點(diǎn)測量雪密度，共完成10組數(shù)據(jù)，取樣深度5～25cm，積雪密度0.10～0.16g/cm3，平均密度0.128g/cm3，對比王中隆的研究成果對試驗(yàn)點(diǎn)降雪進(jìn)行分類，試驗(yàn)點(diǎn)降雪主要為新雪中的濕雪，經(jīng)計(jì)算，雪粒的最小啟動(dòng)風(fēng)速為4.77m/s。

2 風(fēng)吹雪災(zāi)害數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬的計(jì)算邊界條件

調(diào)查區(qū)內(nèi)風(fēng)吹雪主要發(fā)育區(qū)為平原區(qū)、斷陷盆地，對應(yīng)路面斷面形式為填方區(qū)路基及背風(fēng)半路塹?；诹黧w力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。為了選取合適的模擬自然風(fēng)的模型，結(jié)合王中隆等整理的風(fēng)洞試驗(yàn)資料，運(yùn)用單方程和雙方程模型對同一斷面進(jìn)行了數(shù)值模擬。對比模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)用k-ε方程模型所得結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)更接近，均在上風(fēng)側(cè)坡腳產(chǎn)生渦旋，進(jìn)而造成雪粒堆積。通過現(xiàn)場觀測，風(fēng)速場的變化規(guī)律同數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相同，上風(fēng)側(cè)邊坡坡腳確實(shí)有大量雪粒堆積，因此認(rèn)為采用k-ε模型進(jìn)行風(fēng)速場模擬可行。

為了簡化模型，本次模擬中氣流按不可壓縮流體來處理。氣流按黏性流體、牛頓流體、非定常流考慮，采用歐拉雙流體模型，不考慮能量方程。把雪粒視為球狀物，取雪粒粒徑為200μm，假設(shè)吹雪發(fā)生時(shí)風(fēng)速為水平單一穩(wěn)定風(fēng)速，且風(fēng)向垂直于路基。

填方路堤及背風(fēng)半路塹簡化模型如圖2，3所示。

圖3 背風(fēng)半路塹斷面模型簡圖(單位：m)

2.2 烏尉高速公路平原區(qū)填方路基斷面模型計(jì)算

根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中第7.14.5條規(guī)定，路堤迎風(fēng)側(cè)邊坡坡率宜為1∶3～1∶4，本次計(jì)算同時(shí)選取邊坡坡率1∶1.5工況進(jìn)行對比。根據(jù)相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，烏魯木齊縣全年最大風(fēng)速在10～20m/s，考慮風(fēng)速較大時(shí)雪粒均被吹走不易發(fā)生堆積，本次計(jì)算時(shí)風(fēng)速取小值10m/s，且風(fēng)向垂直于計(jì)算域并從左側(cè)進(jìn)入；路堤高度取積雪深度與安全高度之和2m。結(jié)合王廷亮、魏建軍等、周開方等相關(guān)模擬成果，模擬參數(shù)如表1所示。

表1 路堤斷面風(fēng)流場模擬參數(shù)

此次路堤左、右計(jì)算域?qū)捑鶠?0m、高為20m。模型Ⅰ和Ⅱ的速度云圖如圖4所示，距路面不同高度處沿水平方向風(fēng)速值如表2所示。

圖4 模型Ⅰ，Ⅱ速度云圖

在近地面0.5m高處，兩種模型在迎風(fēng)側(cè)坡腳風(fēng)速小于雪粒啟動(dòng)風(fēng)速，說明雪粒在該位置處易形成堆積，模型Ⅱ風(fēng)速比模型Ⅰ更小，意味著模型Ⅱ情況下可能被風(fēng)吹起的雪粒比模型Ⅰ更少，在路面沉積的概率更??；背風(fēng)坡腳模型Ⅰ風(fēng)速僅比啟動(dòng)風(fēng)速稍大，雪粒沉積的可能性較高；其余部位兩種模型風(fēng)速均較大，不會(huì)發(fā)生沉積。隨著距地面高度增加，模型Ⅱ風(fēng)速顯著超過模型Ⅰ，說明模型Ⅱ雪粒的總體斷面流通性更好，雪粒在路面沉積的概率更小。而模型Ⅰ背風(fēng)坡風(fēng)速較模型Ⅱ顯著降低，更易發(fā)生背風(fēng)堆積后延伸上路。因此，選擇1∶4的緩邊坡方案更有利于避免風(fēng)吹雪發(fā)育。

表2 距路面不同高度處沿水平方向風(fēng)速值 (m·s-1)

2.3 烏尉高速公路斷陷盆地背風(fēng)半路塹斷面模型計(jì)算

半路塹主要位于斷陷盆地路段，根據(jù)搜集氣象資料，該地段全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲?西南風(fēng)，最大風(fēng)速約為10.80m/s，本段邊坡高度很大，最高處>40m?？紤]到這兩種因素，采用四級(jí)放坡、每級(jí)高10m的形式進(jìn)行開挖。本次模擬分別采用一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)邊坡4個(gè)模型逐一進(jìn)行模擬，路塹設(shè)計(jì)方案中各級(jí)邊坡坡率分別為1∶0.75，1∶1，1∶1，1∶1.25，路基兩側(cè)邊坡坡率為1∶4、高1.5m。

2.3.1一級(jí)背風(fēng)半路塹

一級(jí)背風(fēng)半路塹模擬了設(shè)有積雪平臺(tái)和無積雪平臺(tái)的工況作為對比，以驗(yàn)證在背風(fēng)半路塹上設(shè)置積雪平臺(tái)的必要性。本次模擬設(shè)置5m寬積雪平臺(tái)，風(fēng)向從右向左。模擬云圖及風(fēng)速值結(jié)果如圖5及表3所示。

圖5 風(fēng)速10.8m/s下有無積雪平臺(tái)一級(jí)背風(fēng)半路塹數(shù)值模擬速度云圖

表3 一級(jí)背風(fēng)半路塹距床面不同高度處沿水平方向風(fēng)速值 (m·s-1)

積雪平臺(tái)風(fēng)速小于啟動(dòng)風(fēng)速，說明雪粒大多沉積在平臺(tái)上，平臺(tái)發(fā)揮了作用；風(fēng)速場通過積雪平臺(tái)后均高于啟動(dòng)風(fēng)速，說明雪粒均能有效運(yùn)移，不會(huì)沉積。未設(shè)置積雪平臺(tái)工況下，迎風(fēng)坡腳、背風(fēng)坡腳風(fēng)速小于啟動(dòng)風(fēng)速，雪粒在兩側(cè)坡腳均發(fā)生沉積；路面上局部風(fēng)速非常小，會(huì)產(chǎn)生積雪，且積雪會(huì)隨著堆積量的增加逐漸向路面延伸，最終掩蓋整個(gè)路面，影響交通。所以在背風(fēng)半路塹中設(shè)置積雪平臺(tái)非常必要。

2.3.2二、三、四級(jí)背風(fēng)半路塹

二、三、四級(jí)背風(fēng)半路塹模擬結(jié)果云圖及風(fēng)速值如圖6及表4所示。

圖6 風(fēng)速10.8m/s下二、三、四級(jí)背風(fēng)半路塹數(shù)值模擬速度云圖

表4 二、三、四級(jí)背風(fēng)半路塹距床面不同高度處沿水平方向風(fēng)速值 (m·s-1)

二級(jí)背風(fēng)半路塹積雪平臺(tái)內(nèi)的風(fēng)速都偏小，形成有效沉積；在迎風(fēng)路肩處的風(fēng)速偏大，在路面上的風(fēng)速也較大，可順利通過路面。但需注意的是，風(fēng)雪流在背風(fēng)坡腳位置風(fēng)速已低于啟動(dòng)風(fēng)速，所以在背風(fēng)坡腳處也會(huì)有少量積雪，在實(shí)際公路養(yǎng)護(hù)中也應(yīng)及時(shí)對其進(jìn)行清理，以防其形成“雪檐”而逐漸爬上路面。

三、四級(jí)背風(fēng)半路塹路面的速度變化規(guī)律與一級(jí)和二級(jí)背風(fēng)半路塹不同，多數(shù)位置的風(fēng)速均低于雪粒的啟動(dòng)風(fēng)速，尤其是路面。造成這種現(xiàn)象的原因是路塹上風(fēng)向邊坡高度即路塹深度越大，貼地層風(fēng)速減弱越多,渦旋減速區(qū)越發(fā)育，地形轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近附面層分離及其導(dǎo)致的風(fēng)速減速效應(yīng)更強(qiáng)烈。因此，三、四級(jí)背風(fēng)半路塹路面上發(fā)生風(fēng)雪流堆積的可能性較大。

綜合上述5個(gè)模型的模擬結(jié)果，可看出在背風(fēng)半路塹邊坡開挖中設(shè)置積雪平臺(tái)非常必要，它可在風(fēng)雪流到達(dá)路面前沉積大量雪粒子，從而減輕雪害；設(shè)置積雪平臺(tái)后，可有效降低20m以下高度邊坡發(fā)生風(fēng)吹雪概率。但隨著邊坡高度的繼續(xù)增加，風(fēng)吹雪災(zāi)害發(fā)生概率將增大，結(jié)合前述填方路基段模擬結(jié)果，在可行情況下減緩邊坡坡率有助于減輕風(fēng)吹雪災(zāi)害程度。

3 結(jié)語

1)烏尉高速公路天山以北沿線風(fēng)吹雪災(zāi)害積雪易發(fā)路段占沿線總長度的17.61%，其中山前沖洪積區(qū)積雪段占比28.05%，前峽以北烏魯木齊河階地區(qū)占比10.68%，剝蝕構(gòu)造中山區(qū)占比5.53%，后峽段山間斷陷盆地占比35.59%。調(diào)查區(qū)積雪密度0.10～0.16g/cm3，主要為新雪中的濕雪，雪粒的最小啟動(dòng)風(fēng)速為4.77m/s。

2)通過數(shù)值模擬分析，平原區(qū)填方路基在迎風(fēng)坡坡腳處和背風(fēng)坡坡腳處易發(fā)生積雪，其中迎風(fēng)坡坡腳處的可能性最高，對比1∶1.5及1∶4的不同坡率，1∶1.5坡率迎風(fēng)坡腳易積雪，故建議填方路基盡量采用1∶4坡率。背風(fēng)半路塹邊坡的開挖中設(shè)置積雪平臺(tái)非常必要，設(shè)置后20m以下高度的高坡發(fā)生風(fēng)吹雪災(zāi)害的概率不大，但隨著高度的繼續(xù)增加，風(fēng)吹雪災(zāi)害發(fā)生的概率將快速增大。

3)為減輕風(fēng)吹雪災(zāi)害影響，平原區(qū)盡量放緩邊坡，有條件時(shí)不設(shè)置護(hù)欄或采用透風(fēng)式護(hù)欄，使風(fēng)雪流順利通過，并減小路基上風(fēng)側(cè)阻雪障礙物。山區(qū)可在路基背風(fēng)側(cè)設(shè)置寬積雪平臺(tái)，為便于運(yùn)營養(yǎng)護(hù)，建議全挖方路塹兩側(cè)均設(shè)置積雪平臺(tái)。建議在項(xiàng)目施工期冬季加強(qiáng)觀測，必要時(shí)采取線外工程防治措施(防雪柵欄、儲(chǔ)雪溝、防雪林等)。