淺槽風(fēng)力加速堤對公路風(fēng)雪流影響的因子分析

彭國冬， 張思源， 劉梓偉， 孫 斌

（1. 錫林郭勒盟乾圖交通設(shè)計有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000； 2. 內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3. 吉林大學(xué) 交通學(xué)院，吉林 長春 130022）

0 引言

風(fēng)雪流（又稱風(fēng)吹雪）是一種非典型氣固兩相流，當風(fēng)雪流中的氣流搬運能力大于含雪量時，積雪表面會發(fā)生風(fēng)蝕現(xiàn)象，使雪面產(chǎn)生凹凸不平的吹蝕形態(tài)；當風(fēng)雪流中的氣流搬運能力小于含雪量時，雪粒便會沉積下來［1-2］。公路是不規(guī)則的障礙物，會引起風(fēng)雪流中的氣流擾動，因此當風(fēng)雪流遇到公路的阻礙，會產(chǎn)生渦旋，使風(fēng)雪流的搬運能力大幅下降，雪粒便會在邊坡或路面堆積形成積雪，從而影響交通安全和車輛的正常運營［3-4］。如2004年黑龍江省鶴大高速發(fā)生風(fēng)雪流，造成45 km 長的路段深度積雪，交通因此中斷4天。

目前國內(nèi)外針對風(fēng)雪流的研究主要分為兩個方面，一是基礎(chǔ)理論研究［5-10］，二是風(fēng)雪流防治技術(shù)的研究［11-14］。研究成果主要分布在風(fēng)雪流的形成條件、影響因素及防治措施等方面，對特定防治措施下的公路積雪分布規(guī)律研究不足。同時已有的公路風(fēng)吹雪防治技術(shù)缺少定量分析和數(shù)據(jù)支持，因此導(dǎo)致很多防治措施只能依據(jù)前人經(jīng)驗設(shè)置，缺乏理論支撐。

由于氣流的輸雪能力與風(fēng)速（u）超過風(fēng)雪流臨界風(fēng)速（u1）部分的三次方成正比［15］。根據(jù)這一原理，在風(fēng)雪流到達公路前減少氣流中的含雪量或提高風(fēng)速或消除渦旋產(chǎn)生的條件都可以避免公路積雪。為了在減少積雪的同時不出現(xiàn)邊坡風(fēng)蝕，最好使風(fēng)雪流保持不蝕不積的狀態(tài)順利通過。淺槽風(fēng)力加速堤作為一種防治風(fēng)雪流災(zāi)害的工程措施，其原理是使風(fēng)雪流保持不蝕不積的狀態(tài)，順利通過公路。已有學(xué)者對淺槽風(fēng)力加速堤防治公路沙害作用機理進行過相關(guān)研究，認為影響輸沙效果的主要是淺槽的弦深比，且弦深比在10∶1～12.5∶1 時輸沙功能最好，低于10∶1的斷面易積沙。但將之引入雪害防治中發(fā)現(xiàn)，除弦深比外還有其他因素在影響淺槽風(fēng)力加速堤的輸雪能力。而關(guān)于淺槽風(fēng)力加速堤在雪害防治中的作用及相關(guān)內(nèi)容目前仍無報道，而且，現(xiàn)有的淺槽風(fēng)力加速堤設(shè)計僅依靠經(jīng)驗設(shè)置，不能發(fā)揮其有效的防雪作用。有鑒于此，對草原牧區(qū)公路風(fēng)吹雪雪害防治中的淺槽風(fēng)力加速堤的作用原理及其影響因素進行了研究，以期為今后的設(shè)置提供合理的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

本文以207國道（以下寫為G207線）內(nèi)蒙古錫林郭勒盟境內(nèi)路段為研究對象進行了相關(guān)研究。內(nèi)蒙古錫林郭勒盟地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，是深受風(fēng)雪流影響的典型地區(qū)，同時G207線是錫林郭勒盟重要的交通運輸通道。該路線經(jīng)過錫林郭勒盟地區(qū)的降雪季經(jīng)常普降大雪，最大積雪深度可達50 cm 以上。而且沿線地區(qū)年大風(fēng)天數(shù)58～86 d，降雪季節(jié)合成風(fēng)向多為西北、西方向，常常出現(xiàn)主風(fēng)向與公路走向垂直的情況，雪粒子隨大風(fēng)流動，形成草原上常見的風(fēng)雪流，極易造成公路局部積雪阻斷交通運輸。

對公路沿線的淺槽風(fēng)力加速堤及其所在路段的風(fēng)速流場、積雪情況、斷面因子等進行了為期三年的定位與半定位觀測。具體方法是，在無雪時，利用電子經(jīng)緯儀、皮尺測定了淺槽風(fēng)力加速堤斷面的槽深、弦長、左右弦長比等因子及整個斷面的地形變化情況；在風(fēng)吹雪季節(jié)，利用多路風(fēng)速自動采集儀測定了淺槽風(fēng)力加速堤及公路的風(fēng)速流場和路面積雪情況。室內(nèi)匯總數(shù)據(jù)后，利用DPS和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行分析，找出影響淺槽風(fēng)力加速堤輸雪的因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 淺槽風(fēng)力加速堤的構(gòu)成參數(shù)分析

淺槽風(fēng)力加速堤一般設(shè)置在公路迎風(fēng)側(cè)，是由輸雪淺槽和風(fēng)力加速堤組成的工程結(jié)構(gòu)物，它能夠使風(fēng)雪流順利通過路面不在路面堆積形成雪害，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。淺槽風(fēng)力加速堤主要由三部分組成：第一部分是位于公路迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)力加速堤，第二部分是處于公路迎風(fēng)側(cè)的弧形淺槽，第三部分是公路路基斷面。其中風(fēng)力加速堤起到壓縮過流高度、加快風(fēng)速的作用，而淺槽則起到先減速再增速的作用。減速使部分雪粒堆積，減輕了風(fēng)雪流的負荷，加速使風(fēng)雪流搬運能力增大，保證剩余的雪?？梢皂樌竭^公路。其主要作用就是改變流場結(jié)構(gòu)和雪粒的堆積部位，以達到風(fēng)雪流順利吹過路面而不在路面堆積的目的。

圖1 路基輸雪斷面的基本形式與組成Fig. 1 Basic form and composition of subgrade snow transport section

淺槽風(fēng)力加速堤的主要參數(shù)如圖1所示。其中起主要作用的是淺槽，淺槽由背風(fēng)、迎風(fēng)兩個弧形斷面構(gòu)成，其弧長分別為R1和R2，連接風(fēng)力加速堤頂部和路基坡腳的實線為槽面所對應(yīng)的弦長L，由弦垂直向下至淺槽最深處的直線為槽深H，以槽的最深點為界可以將弦分為左右兩段，其中右側(cè)為背風(fēng)弦長L1，左側(cè)為迎風(fēng)弦長L2，L1和L2所對應(yīng)的弧長分別為R1和R2，路基高度為h。上述各參數(shù)中，背風(fēng)弧面與迎風(fēng)弧面長度之比R1/R2為背風(fēng)/迎風(fēng)弧長比（以下簡稱弧長比），該值反映了淺槽兩側(cè)弧的長短，從而反映風(fēng)雪流減速與增速路徑的長短，但二者在實際測量中不好計量，因此可用其所對應(yīng)的弦來近似地表示，即用背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比（L1/L2）來近似。此外，淺槽風(fēng)力加速堤的弦深比定義為淺槽弦長L與淺槽深度H的比值，用該值反映淺槽的斷面特征。

2.2 淺槽風(fēng)力加速堤的風(fēng)速流場與輸雪功能

對G207 線10 個淺槽風(fēng)力加速堤斷面有雪期與無雪期風(fēng)速流場的測定表明，當垂直于公路的曠野氣流經(jīng)過淺槽風(fēng)力加速堤和路面時，會在淺槽風(fēng)力加速堤及路面前后產(chǎn)生5 個降速區(qū)和4 個加速區(qū)。即風(fēng)速在加速堤迎風(fēng)坡腳、淺槽背風(fēng)弧面、淺槽最深處、迎風(fēng)路基坡腳和背風(fēng)路基坡腳減弱，并形成小尺度的渦旋；而在加速堤迎風(fēng)坡上部、頂部、淺槽迎風(fēng)弧面、迎風(fēng)路肩4 個部位加速，形成增速區(qū)域。若以K189+50淺槽風(fēng)力加速堤曠野2 m 高處風(fēng)速為對照，則加速堤迎風(fēng)坡腳、淺槽背風(fēng)弧面、淺槽最深處、迎風(fēng)路基坡腳和背風(fēng)路基坡腳同一高度上的風(fēng)速分別降低33.3%、22.6%、35.2%、26.0% 和10.0%；而在加速堤迎風(fēng)坡上部、頂部、淺槽迎風(fēng)弧面、迎風(fēng)路肩處分別提高6.7%、14.6%、10.8%和16.6%。在其他淺槽風(fēng)力加速堤上，實測的風(fēng)速流場與此表現(xiàn)相近，只是風(fēng)速降低或提高的幅度有所區(qū)別。特別是在淺槽最深處，風(fēng)速的降低與槽深呈正相關(guān)關(guān)系。而且不論淺槽風(fēng)力加速堤中是否積雪，其流場分布規(guī)律相同，區(qū)別不大，說明流場特征的穩(wěn)定是淺槽風(fēng)力加速堤能夠保持輸雪能力的基本條件。

受風(fēng)速流場的影響，風(fēng)雪流將在風(fēng)速降低區(qū)發(fā)生沉積而在風(fēng)力加速區(qū)則得以吹揚。因此，雪粒先從淺槽背風(fēng)側(cè)的弧面開始堆積，之后逐步下延，并使雪舌逐漸向淺槽中心發(fā)展；在淺槽最深處，雪粒也會堆積并向迎風(fēng)側(cè)不斷發(fā)展。在淺槽迎風(fēng)側(cè)弧形斷面和路肩處，風(fēng)雪粒被吹揚至高處，造成淺槽迎風(fēng)側(cè)的雪粒被吹揚而使風(fēng)雪流順利通過斷面，并一直穿過路面到達背風(fēng)路基一側(cè)。野外定位觀測結(jié)果表明，不同設(shè)計參數(shù)的淺槽風(fēng)力加速堤，其輸雪能力并不相同，淺槽濃度越深其槽內(nèi)的積雪量也越大。在所測的各淺槽風(fēng)力加速堤中，弦深比最小為5.6∶1，最大為16.7∶1，但多數(shù)斷面均可使雪粒順利通過路面而不致公路雪害發(fā)生；但仍有一些斷面會發(fā)生路面積雪，且其弦深比在8∶1～12∶1之間。由此可知，弦深比雖然影響淺槽的形態(tài)，但弦深比并不是影響淺槽風(fēng)力加速堤輸雪效果的主要因素，可能還有其他更為主要的因素在起作用。

2.3 影響淺槽風(fēng)力加速堤輸雪的因子分析

為了全面了解影響淺槽風(fēng)力加速堤輸雪能力的因素，對G207 線具有淺槽地形的淺槽風(fēng)力加速堤的輸雪效果和斷面的主要參數(shù)進行了測定，各斷面的主要參數(shù)如表1所示。

利用DPS5.0 和SPSS 軟件對上述各主要參數(shù)進行逐步回歸分析，其相關(guān)系數(shù)如表2所示。

由表2 可知，路面積雪與否與淺槽風(fēng)力加速堤的背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.7782。經(jīng)逐步回歸，路面積雪與否可表示為

式中：L2為迎風(fēng)弦長；H為淺槽深；L1/L2為背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比。

對方程進行相關(guān)性檢驗，得到其值F（3，20）＝14.4970，相關(guān)關(guān)系極顯著。回歸方程各因子與路面積雪與否的偏相關(guān)系數(shù)及顯著性如表3所示。由方程系數(shù)大小及偏相關(guān)系數(shù)可知，路段路面是否積雪的最主要因素為淺槽風(fēng)力加速堤背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比（L1/L2），其次是淺槽風(fēng)力加速堤的淺槽深（H），最后為淺槽風(fēng)力加速堤迎風(fēng)弦長（L2）。如果在工程實踐中可測得上述三個指標，則可進行回歸方程擬合，當所得值＜1 時，則表明該淺槽風(fēng)力加速堤所處路段不會發(fā)生積雪。

表3 逐步回歸方程各因子偏相關(guān)系數(shù)與t檢驗值Table 3 Partial correlation coefficient and t-test value of each factor in stepwise regression equation

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）淺槽風(fēng)力加速堤是由位于公路迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)力加速堤、弧形淺槽和公路路基三部分構(gòu)成的工程設(shè)施；淺槽風(fēng)力加速堤的作用是能夠產(chǎn)生足夠的氣流上升力，使貼近地表層的風(fēng)雪流借助上升氣流保持非堆積搬運狀態(tài)。

（2）氣流流經(jīng)淺槽風(fēng)力加速堤斷面時，在加速堤迎風(fēng)坡腳、淺槽背風(fēng)弧面、淺槽最深處、迎風(fēng)路基坡腳和背風(fēng)路基坡腳5 個部位形成減速區(qū)域，導(dǎo)致雪粒沉積；而在加速堤迎風(fēng)坡上部、頂部、淺槽迎風(fēng)弧面、迎風(fēng)路肩4個部位形成增速區(qū)域，引起雪粒吹揚。不同弦深比的淺槽風(fēng)力加速堤的淺槽內(nèi)均可積雪，但路面卻因斷面參數(shù)不同輸雪功能也不相同，有的斷面甚至導(dǎo)致路面積雪。

（3）路面積雪是否積雪的最重要影響因素為淺槽風(fēng)力加速堤的背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比（L1/L2），用淺槽風(fēng)力加速堤的背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比（L1/L2）、淺槽深H和迎風(fēng)弦長L2與路面是否積雪進行回歸分析得到Y(jié)=-0.2553+0.0099L2-0.1230H+0.8514L1/L2。在工程實踐中，可通過測得上述三個指標，進行方程擬合計算，當Y＜1，則表明該淺槽風(fēng)力加速堤所處路段不會發(fā)生積雪。

3.2 討論

淺槽風(fēng)力加速堤能否將雪粒輸送過路面取決于背風(fēng)迎風(fēng)弦長比，顯然，當淺槽深度與弦深比（L/H）一定時，如背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比L1/L2大于1，則背風(fēng)弦長大于迎風(fēng)弦長，淺槽迎風(fēng)側(cè)弧面R2坡度較陡，風(fēng)雪流將在路基邊坡與淺槽相連處大幅下降，產(chǎn)生渦旋使雪粒沉積，縱然氣流抬升過程中增速，但其增幅畢竟有限，使風(fēng)速在路肩處雖然增大但強度有所減弱，可能導(dǎo)致風(fēng)雪流在路面發(fā)生堆積造成雪害。此外，淺槽迎風(fēng)側(cè)及路基邊坡處雪粒堆積后將會對風(fēng)雪流流線造成阻礙，使得風(fēng)雪流不暢，產(chǎn)生更多的積雪，雪舌的前伸也會造成積雪上路危害交通。若背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比L1/L2小于1，則迎風(fēng)弦長大于背風(fēng)弦長，淺槽迎風(fēng)側(cè)弧面長而緩，氣流為緩變流，速度逐漸增大而損失較小，使得路肩處風(fēng)速較大，可將風(fēng)雪流輸送過路。同時背風(fēng)側(cè)弧面短而陡，氣流急劇衰減而產(chǎn)生渦旋，雪粒多在背風(fēng)側(cè)沉積，風(fēng)雪流變得不飽和，促進淺槽迎風(fēng)側(cè)雪粒的輸送。因此，為了保障風(fēng)雪流順利通過淺槽風(fēng)力加速堤，必須使淺槽風(fēng)力加速堤淺槽背風(fēng)側(cè)弧長小于迎風(fēng)側(cè)弧長，即必須使背風(fēng)/迎風(fēng)弦長比小于1，只有這樣才能保證氣流增速的連續(xù)性，使風(fēng)雪流盡量平滑地通過淺槽風(fēng)力加速堤。

淺槽應(yīng)位于公路和風(fēng)力加速堤之間，其作用則是為了保持氣流的連續(xù)性，避免因附面層的分離而產(chǎn)生的雪粒堆積，并為風(fēng)雪流創(chuàng)造一個有足夠容量的非堆積搬運地帶，可使風(fēng)雪流順利通過公路，防止雪粒子在路面堆積形成路面積雪。為提高淺槽風(fēng)力加速堤輸送風(fēng)雪流的強度和能力，可對淺槽迎風(fēng)坡進行了平滑處理，如在冬季進入雪季前可采取人工打草盡量保證弧面的平滑；或采用黏土鋪設(shè)迎風(fēng)側(cè)槽面，使之變得平滑。而且，槽面必須保持連續(xù)性，即在槽面中不宜出現(xiàn)兩個或多個地勢低洼之處，以免造成槽面的大量積雪而危及路面。

淺槽風(fēng)力加速堤的設(shè)計是為了更好地將處于上風(fēng)向的積雪輸送到下風(fēng)向，故與淺槽風(fēng)力加速堤相連的公路下風(fēng)側(cè)應(yīng)有足夠的儲雪空間，同時設(shè)計路段不能有過于強烈的反向風(fēng)，以免造成淺槽風(fēng)力加速堤在反向風(fēng)的作用下大量積雪而使其失去應(yīng)有的輸雪功能。