高　超,吳北川

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶　400074)

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路基斷面對風(fēng)積雪影響分析

高超,吳北川

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074)

我國東北地區(qū)高速公路路基路面常受到風(fēng)積雪的影響，嚴(yán)重影響了路基穩(wěn)定性和行車安全。為了研究橫斷面形狀對風(fēng)積雪影響，將風(fēng)雪二相湍流簡化成純空氣單向湍流，建立Fluent流體力學(xué)模型，分析了氣流經(jīng)過不同路基橫斷面時流場的變化，發(fā)現(xiàn)負(fù)向加速度是導(dǎo)致路基路面積雪的內(nèi)在原因，路基橫斷面形狀和尺寸是影響積雪分布和積雪量的外在因素。

路基工程；風(fēng)積雪；加速度；湍流

0　引　言

風(fēng)積雪是一種雪粒以氣流為動力在空中雜亂無序地運(yùn)動，在地形地貌、障礙物的影響下，降落、堆積在公路路面或沿線附近形成積雪的現(xiàn)象[1]。風(fēng)積雪嚴(yán)重威脅公路交通運(yùn)輸安全，特別是在東北地區(qū)，風(fēng)積雪災(zāi)害已經(jīng)成為阻礙東北公路運(yùn)輸發(fā)展的重要因素,嚴(yán)重時甚至阻斷交通，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。本文從風(fēng)積雪的形成機(jī)理出發(fā)，考慮風(fēng)雪氣流場中雪粒子對流場的影響很小[3]，故將風(fēng)雪二相湍流簡化成純空氣單向湍流，模擬了不同斷面形式的路基對風(fēng)積雪的影響，為風(fēng)積雪地區(qū)路基路面設(shè)計(jì)提供參考。

1　風(fēng)積雪形成機(jī)理

在風(fēng)積雪形成過程中，風(fēng)雪氣流不論速度大小最終整個流場都趨于穩(wěn)定，氣流所攜帶的雪粒量接近飽和，氣流速度大小決定了攜帶的雪粒量，氣流給雪粒的推力及升力足夠克服雪粒的重力使其隨風(fēng)前進(jìn)，雪粒對流場的影響非常小，不會使其發(fā)生改變。雪粒在空氣中的受力變化主要來源于空氣對雪粒的切應(yīng)力變化[3]，雪粒在空中運(yùn)動時主要受到空氣推力、升力和自身重力的影響，當(dāng)氣流流場發(fā)生變化時，空氣對雪粒子的推力及升力也隨之發(fā)生變化。當(dāng)氣流速度增大或保持不變時，雪粒的推力及升力克服雪粒自身重力，使雪粒加速或勻速向前運(yùn)動；當(dāng)氣流速度減小時，流場的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，雪粒子與氣流存在相對運(yùn)動，氣流會對雪粒造成向后的阻力，同時給雪粒的升力減小，雪粒在自身重力的作用下產(chǎn)生向下運(yùn)動的趨勢，最終雪氣分離降落在地面形成積雪。

2　路線走向與氣流主方向夾角對風(fēng)積雪影響

為了研究氣流方向與路線走向夾角對風(fēng)積雪程度的影響，本文收集了部分積雪地區(qū)歷史數(shù)據(jù)及相關(guān)研究資料，見表1。

表1　主風(fēng)向與公路走向不同夾角下積雪情況

由表1可知，隨著氣流方向與公路走向夾角變大，不但雪阻路段變多，而且平均積雪深度也變大。特別當(dāng)主風(fēng)向與公路走向夾角大于60°以后，風(fēng)積雪災(zāi)害表現(xiàn)得尤其嚴(yán)重。說明氣流方向與公路走向夾角越大，更容易產(chǎn)生風(fēng)積雪災(zāi)害[4]。

因此，可通過研究氣流方向與道路走向成90°時風(fēng)雪二相湍流沿道路橫斷面的速度、加速度變化規(guī)律，得到風(fēng)積雪沿道路橫斷面的分布趨勢。

3　路基橫斷面積雪分析

風(fēng)雪中雪粒對氣流影響很小，可將風(fēng)雪二相湍流簡化成純空氣場單向流[5]，建立Fluent流體力學(xué)模型，把模型網(wǎng)格化，利用有限元法，得到氣流流場的速度和加速度分布情況。通過得到的流場，確定雪粒各方向受力情況，判斷雪粒運(yùn)動趨勢[6]；再根據(jù)雪粒靜止后地面節(jié)點(diǎn)積雪量，得到路面積雪線。模擬降雪條件：流場初始速度10m/s,氣溫3℃，持續(xù)時間2h，降雪強(qiáng)度為中雪。

3.1路堤斷面積雪分析

據(jù)以往資料顯示[7]，積雪雪粒主要來自于近地面空氣層，因此主要分析路面15m以上空間內(nèi)氣流的流場變化。

(1)不同路堤高度風(fēng)雪加速度及積雪線變化見圖1。(路基寬度10m，邊坡1∶1.5，氣流方向從左向右)

圖1　路堤斷面氣流加速度及積雪線(從左往右依次為H=1m、H=4m、H=10m)

由圖1可看出，氣流除經(jīng)過上風(fēng)側(cè)邊坡時出現(xiàn)正值外都為負(fù)值，隨著路基高度提高負(fù)向加速度增大，正向加速度峰值有向上風(fēng)側(cè)移動的趨勢且正向加速度峰值先增大后減小。分析原因，可能是氣流靠近路堤時受到迎風(fēng)面的阻擋，氣流開始減速，經(jīng)過邊坡時流通面受到壓迫，速度開始回升。到下風(fēng)側(cè)邊坡流通面變大，速度逐漸下降。當(dāng)路堤高度增加、迎風(fēng)面積增加，氣流流通面積更小且受到迎風(fēng)面影響的范圍更廣，氣流速度變化更劇烈，所以正向加速度峰值隨路基高度增加向上風(fēng)側(cè)移動。同理得到不同邊坡坡度的氣流速度場。發(fā)現(xiàn)當(dāng)邊坡變陡時，氣流負(fù)向加速度也會增大。

由圖1可以看出，三種路堤高度在路堤兩側(cè)坡腳有大量積雪且隨著路堤高度增加積雪量明顯增加；路面積雪較少，其中路堤高度為4m時路面積雪最少且積雪區(qū)域向路中線移動。對比前面的加速度圖可知，在氣流經(jīng)過上風(fēng)側(cè)坡腳之前和到達(dá)下風(fēng)側(cè)邊坡時都形成了很大的減速區(qū)，因此在路基兩側(cè)坡腳都有大量的積雪；當(dāng)路堤高度為4m時氣流經(jīng)過路面時正向加速度和速度都最大，相應(yīng)在路面形成的積雪較少；綜上所述，路堤高度越高，負(fù)向加速度越大，兩側(cè)邊坡坡腳積雪量也越大。說明負(fù)向加速度是形成風(fēng)積雪的直接原因，負(fù)向加速度越大，形成積雪的概率越大。

工程中低路堤兩側(cè)的護(hù)欄等障礙物會阻擋風(fēng)雪，造成路面積雪。4m左右的路堤雖然在公路兩側(cè)易形成積雪，但在路面形成積雪的可能性較小，對行車沒有實(shí)質(zhì)性的影響，高于10m的路堤易在路面形成積雪，對行車不利。

此外，邊坡越緩對氣流影響范圍及影響程度越小，邊坡前氣流的減速區(qū)就越小，形成積雪的概率越小。

3.2迎風(fēng)半路塹斷面分析

(1)不同路塹深度氣流加速度及積雪線見圖2。(風(fēng)向從左往右，路基寬度10m)

圖2　迎風(fēng)半路塹斷面氣流加速度及積雪線(從左往右依次為H=2m、H=4m、H=8m)

由圖2可以看出，三種路塹深度風(fēng)雪加速度變化趨勢相同。在接近上風(fēng)側(cè)坡腳時開始減速，經(jīng)過上風(fēng)側(cè)邊坡時負(fù)向加速度出現(xiàn)峰值，氣流在這個區(qū)域形成一個大的減速區(qū)域。在下風(fēng)側(cè)邊坡出現(xiàn)正向加速度峰值。當(dāng)路塹深度加大時氣流經(jīng)過整個路基橫斷面時負(fù)向加速度增大且出現(xiàn)最大負(fù)向加速度的位置逐漸向上風(fēng)側(cè)移動。

由圖2可知，迎風(fēng)半路塹斷面在上風(fēng)側(cè)邊坡坡腳、下風(fēng)側(cè)邊坡坡腳和坡頂都有大量積雪，并且由于氣流最大負(fù)向加速度位于上風(fēng)側(cè)邊坡，導(dǎo)致行車道積雪量最大。同時隨路塹深度增大負(fù)向加速度增大，形成積雪的范圍及積雪量增大，尤其在下風(fēng)側(cè)邊坡坡腳處。隨著路塹深度增大負(fù)向加速度急劇變大，氣流速度急劇降低，導(dǎo)致氣雪大量分離，形成積雪的概率增大，積雪量大大增加，積雪逐漸蔓延到路面行車道，危及車輛行駛。同理得到不同邊坡坡度下積雪線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)路塹邊坡變陡時坡腳處積雪程度會加重。

3.3背風(fēng)半路塹斷面積雪分析

(1)不同半路塹深度氣流加速度及積雪線見圖3。(路基寬度10m，邊坡1∶1.5，氣流方向從左向右)

圖3　背風(fēng)半路塹斷面氣流加速度及積雪線(從左往右依次為H=2m、H=4m、H=8m)

由圖3可知，三種半路塹在上風(fēng)側(cè)邊坡上、下風(fēng)側(cè)坡腳處氣流加速度除上風(fēng)側(cè)邊坡外均為負(fù)值，形成較大減速區(qū)。隨著路塹深度增大，在近地面氣流速度逐漸減小，且氣流在路面右側(cè)(上風(fēng)側(cè))邊坡負(fù)向加速度明顯增大，氣流對雪粒的搬運(yùn)能力顯著減弱，雪氣分離，在上風(fēng)側(cè)段積雪的概率增大。

由圖3可知，由于氣流負(fù)向加速度在上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)邊坡都出現(xiàn)極值，在路面兩側(cè)邊坡坡腳處均出現(xiàn)較大的積雪區(qū)域；上風(fēng)側(cè)負(fù)向加速度峰值明顯大于下風(fēng)側(cè)，因此在上風(fēng)側(cè)坡腳處形成的積雪區(qū)域更大；隨著路塹深度增大負(fù)向加速度峰值變大，形成的積雪區(qū)域和積雪量更大，當(dāng)路塹深度達(dá)到8m時積雪幾乎覆蓋整個路面。尤其對于受挖側(cè)坡腳，路塹深度增大對積雪量影響十分顯著。同理，隨著路塹邊坡坡度增大，斷面積雪范圍及積雪量都有所增加。

3.4全路塹斷面積雪分析

不同路塹深度氣流水平加速度及積雪線見圖4。(風(fēng)向從右往左，路基寬度10m)

圖4　全路塹斷面氣流水平加速度(從左往右依次為H=2m、H=4m、H=8m)

由圖4可知，氣流在橫斷面范圍內(nèi)加速度都為負(fù)值且在下風(fēng)側(cè)出現(xiàn)最大值，當(dāng)H=4m時最大負(fù)向加速度值最小，說明H=4m時流場變化最小，不容易在下風(fēng)側(cè)形成積雪。隨著路塹深度變大，負(fù)向加速度峰值有向下風(fēng)側(cè)移動的趨勢，積雪區(qū)域由路面向下風(fēng)側(cè)邊坡移動，但路塹邊坡積雪過厚，積雪會滑向路面。同時當(dāng)路塹深度增大時，橫斷面上部開口變大，收集雪粒的匯雪面積增大。所以H=2m的路塹比H=4m的積雪量小。綜上所述，路塹深度越大，路面積雪范圍大，積雪量越大且積雪區(qū)域集中于下風(fēng)側(cè)坡腳。同理，發(fā)現(xiàn)路塹邊坡增大也會導(dǎo)致斷面積雪量和積雪范圍增加。

4　結(jié)　語

(1)風(fēng)雪在形成和發(fā)展的過程中不論速度大小流場最終都趨于穩(wěn)定，攜帶的雪粒量接近飽和。產(chǎn)生風(fēng)積雪的原因在于風(fēng)雪流場發(fā)生變化導(dǎo)致的風(fēng)雪速度降低，氣流對雪粒的推力及升力無法克服雪粒的重力，導(dǎo)致雪氣分離。

(2)風(fēng)雪氣流方向與公路走向夾角越大，公路產(chǎn)生風(fēng)積雪災(zāi)害的范圍及程度越大。

(3)負(fù)向加速度越大產(chǎn)生積雪的概率越大，正向加速度越大產(chǎn)生積雪的概率越小。積雪區(qū)域的分布則與橫斷面的形式有很大關(guān)系。

(4)對于路堤斷面，積雪區(qū)域主要在兩側(cè)邊坡坡腳。路堤高度增加積雪量增加，路堤過低時，路邊障礙物阻擋會使路面產(chǎn)生大量積雪。隨著路堤高度增加，路面積雪量先減少后增加，路堤高度4m時路面積雪最少且向路中線移動，對行車道影響小。

(5)對于迎風(fēng)半路塹橫斷面，主要積雪區(qū)域?yàn)樯巷L(fēng)側(cè)坡腳和下風(fēng)側(cè)坡腳。隨著路塹深度增加，積雪范圍及程度增加，尤其是受挖側(cè)坡腳積雪量增幅極大，嚴(yán)重危及行車安全。

(6)對于背風(fēng)半路塹橫斷面，在兩側(cè)坡腳容易產(chǎn)生大量積雪。路塹深度增大，上風(fēng)側(cè)坡頂積雪量減小，但受挖側(cè)及下風(fēng)側(cè)坡腳積雪量增大，特別是受挖側(cè)坡腳積雪量對路塹深度變化最為敏感。

(7)對于全路塹斷面積雪量和積雪區(qū)域受到多因素影響，積雪區(qū)域主要為兩側(cè)邊坡和下風(fēng)側(cè)坡腳。當(dāng)路塹深度較大時，由于匯雪面積增大，產(chǎn)生風(fēng)積雪的范圍及積雪量都增大。

(8)路塹橫斷面積雪區(qū)域主要為受挖側(cè)坡腳，且此區(qū)域?qū)β穳q深度變化極為敏感。故路塹橫斷面對積雪區(qū)域公路危害較路堤斷面更大。

(9)所有的斷面形式，當(dāng)邊坡變陡時，積雪量和積雪范圍都有所增大。

(10)在北方等降雪量較大的區(qū)域進(jìn)行公路的設(shè)計(jì)工作前，及時調(diào)查當(dāng)?shù)仫L(fēng)雪情況，選擇合適的路線走向，并結(jié)合實(shí)地情況選擇恰當(dāng)?shù)臄嗝嫘问?、路基高度和邊坡坡度，可以有效減少公路風(fēng)積雪災(zāi)害。

[1]王中?。袊L(fēng)雪流及其防治研究[M]．蘭州:蘭州大學(xué)出版社，2001．

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[3] J．H．M．Beyers,T．M．Harms．Outdoors Modelling of Snowdrift At Sanaeiv Research Station， Antarctica[J]．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2003，91(4):551-569．[4]張德生,李遠(yuǎn)瑛．拱型波紋屋蓋在風(fēng)與雪作用下的有限元分析[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報，2005,27(8)：56-59．

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Analysis of Roadbed Section’s Impact on Wind Snow

GAO Chao，WU Bei-chuan

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Investigations show that bigger angle air flow direction and route have, more prone to snow disaster on the pavement. Simplified wind snow two-phase turbulence into pure air field unidirectional turbulence, established Fluent fluid mechanics model to analysis the change of airflow flow field when airflow through the different subgrade cross section, found that negative acceleration is the direct cause of snow cover, cross section shape is the main reason that affects the distribution and the amount of snow cover.

subgrade construction;snowdrift;acceleration; turbulent flow

2016-04-27

高超(1991-)，男，重慶人，碩士，E-mail：1592310693@qq.com。

U416.02

A doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.02.004

1671-234X(2016)02-0015-04