路基断面对风积雪影响分析

高　超,吴北川

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆　400074)



路基断面对风积雪影响分析

高超,吴北川

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074)

我国东北地区高速公路路基路面常受到风积雪的影响，严重影响了路基稳定性和行车安全。为了研究横断面形状对风积雪影响，将风雪二相湍流简化成纯空气单向湍流，建立Fluent流体力学模型，分析了气流经过不同路基横断面时流场的变化，发现负向加速度是导致路基路面积雪的内在原因，路基横断面形状和尺寸是影响积雪分布和积雪量的外在因素。

路基工程；风积雪；加速度；湍流

0　引　言

风积雪是一种雪粒以气流为动力在空中杂乱无序地运动，在地形地貌、障碍物的影响下，降落、堆积在公路路面或沿线附近形成积雪的现象[1]。风积雪严重威胁公路交通运输安全，特别是在东北地区，风积雪灾害已经成为阻碍东北公路运输发展的重要因素,严重时甚至阻断交通，造成极大的经济损失[2]。本文从风积雪的形成机理出发，考虑风雪气流场中雪粒子对流场的影响很小[3]，故将风雪二相湍流简化成纯空气单向湍流，模拟了不同断面形式的路基对风积雪的影响，为风积雪地区路基路面设计提供参考。

1　风积雪形成机理

在风积雪形成过程中，风雪气流不论速度大小最终整个流场都趋于稳定，气流所携带的雪粒量接近饱和，气流速度大小决定了携带的雪粒量，气流给雪粒的推力及升力足够克服雪粒的重力使其随风前进，雪粒对流场的影响非常小，不会使其发生改变。雪粒在空气中的受力变化主要来源于空气对雪粒的切应力变化[3]，雪粒在空中运动时主要受到空气推力、升力和自身重力的影响，当气流流场发生变化时，空气对雪粒子的推力及升力也随之发生变化。当气流速度增大或保持不变时，雪粒的推力及升力克服雪粒自身重力，使雪粒加速或匀速向前运动；当气流速度减小时，流场的稳定状态被破坏，雪粒子与气流存在相对运动，气流会对雪粒造成向后的阻力，同时给雪粒的升力减小，雪粒在自身重力的作用下产生向下运动的趋势，最终雪气分离降落在地面形成积雪。

2　路线走向与气流主方向夹角对风积雪影响

为了研究气流方向与路线走向夹角对风积雪程度的影响，本文收集了部分积雪地区历史数据及相关研究资料，见表1。

表1　主风向与公路走向不同夹角下积雪情况

由表1可知，随着气流方向与公路走向夹角变大，不但雪阻路段变多，而且平均积雪深度也变大。特别当主风向与公路走向夹角大于60°以后，风积雪灾害表现得尤其严重。说明气流方向与公路走向夹角越大，更容易产生风积雪灾害[4]。

因此，可通过研究气流方向与道路走向成90°时风雪二相湍流沿道路横断面的速度、加速度变化规律，得到风积雪沿道路横断面的分布趋势。

3　路基横断面积雪分析

风雪中雪粒对气流影响很小，可将风雪二相湍流简化成纯空气场单向流[5]，建立Fluent流体力学模型，把模型网格化，利用有限元法，得到气流流场的速度和加速度分布情况。通过得到的流场，确定雪粒各方向受力情况，判断雪粒运动趋势[6]；再根据雪粒静止后地面节点积雪量，得到路面积雪线。模拟降雪条件：流场初始速度10m/s,气温3℃，持续时间2h，降雪强度为中雪。

3.1路堤断面积雪分析

据以往资料显示[7]，积雪雪粒主要来自于近地面空气层，因此主要分析路面15m以上空间内气流的流场变化。

(1)不同路堤高度风雪加速度及积雪线变化见图1。(路基宽度10m，边坡1∶1.5，气流方向从左向右)

图1　路堤断面气流加速度及积雪线(从左往右依次为H=1m、H=4m、H=10m)

由图1可看出，气流除经过上风侧边坡时出现正值外都为负值，随着路基高度提高负向加速度增大，正向加速度峰值有向上风侧移动的趋势且正向加速度峰值先增大后减小。分析原因，可能是气流靠近路堤时受到迎风面的阻挡，气流开始减速，经过边坡时流通面受到压迫，速度开始回升。到下风侧边坡流通面变大，速度逐渐下降。当路堤高度增加、迎风面积增加，气流流通面积更小且受到迎风面影响的范围更广，气流速度变化更剧烈，所以正向加速度峰值随路基高度增加向上风侧移动。同理得到不同边坡坡度的气流速度场。发现当边坡变陡时，气流负向加速度也会增大。

由图1可以看出，三种路堤高度在路堤两侧坡脚有大量积雪且随着路堤高度增加积雪量明显增加；路面积雪较少，其中路堤高度为4m时路面积雪最少且积雪区域向路中线移动。对比前面的加速度图可知，在气流经过上风侧坡脚之前和到达下风侧边坡时都形成了很大的减速区，因此在路基两侧坡脚都有大量的积雪；当路堤高度为4m时气流经过路面时正向加速度和速度都最大，相应在路面形成的积雪较少；综上所述，路堤高度越高，负向加速度越大，两侧边坡坡脚积雪量也越大。说明负向加速度是形成风积雪的直接原因，负向加速度越大，形成积雪的概率越大。

工程中低路堤两侧的护栏等障碍物会阻挡风雪，造成路面积雪。4m左右的路堤虽然在公路两侧易形成积雪，但在路面形成积雪的可能性较小，对行车没有实质性的影响，高于10m的路堤易在路面形成积雪，对行车不利。

此外，边坡越缓对气流影响范围及影响程度越小，边坡前气流的减速区就越小，形成积雪的概率越小。

3.2迎风半路堑断面分析

(1)不同路堑深度气流加速度及积雪线见图2。(风向从左往右，路基宽度10m)

图2　迎风半路堑断面气流加速度及积雪线(从左往右依次为H=2m、H=4m、H=8m)

由图2可以看出，三种路堑深度风雪加速度变化趋势相同。在接近上风侧坡脚时开始减速，经过上风侧边坡时负向加速度出现峰值，气流在这个区域形成一个大的减速区域。在下风侧边坡出现正向加速度峰值。当路堑深度加大时气流经过整个路基横断面时负向加速度增大且出现最大负向加速度的位置逐渐向上风侧移动。

由图2可知，迎风半路堑断面在上风侧边坡坡脚、下风侧边坡坡脚和坡顶都有大量积雪，并且由于气流最大负向加速度位于上风侧边坡，导致行车道积雪量最大。同时随路堑深度增大负向加速度增大，形成积雪的范围及积雪量增大，尤其在下风侧边坡坡脚处。随着路堑深度增大负向加速度急剧变大，气流速度急剧降低，导致气雪大量分离，形成积雪的概率增大，积雪量大大增加，积雪逐渐蔓延到路面行车道，危及车辆行驶。同理得到不同边坡坡度下积雪线，发现当路堑边坡变陡时坡脚处积雪程度会加重。

3.3背风半路堑断面积雪分析

(1)不同半路堑深度气流加速度及积雪线见图3。(路基宽度10m，边坡1∶1.5，气流方向从左向右)

图3　背风半路堑断面气流加速度及积雪线(从左往右依次为H=2m、H=4m、H=8m)

由图3可知，三种半路堑在上风侧边坡上、下风侧坡脚处气流加速度除上风侧边坡外均为负值，形成较大减速区。随着路堑深度增大，在近地面气流速度逐渐减小，且气流在路面右侧(上风侧)边坡负向加速度明显增大，气流对雪粒的搬运能力显著减弱，雪气分离，在上风侧段积雪的概率增大。

由图3可知，由于气流负向加速度在上风侧和下风侧边坡都出现极值，在路面两侧边坡坡脚处均出现较大的积雪区域；上风侧负向加速度峰值明显大于下风侧，因此在上风侧坡脚处形成的积雪区域更大；随着路堑深度增大负向加速度峰值变大，形成的积雪区域和积雪量更大，当路堑深度达到8m时积雪几乎覆盖整个路面。尤其对于受挖侧坡脚，路堑深度增大对积雪量影响十分显著。同理，随着路堑边坡坡度增大，断面积雪范围及积雪量都有所增加。

3.4全路堑断面积雪分析

不同路堑深度气流水平加速度及积雪线见图4。(风向从右往左，路基宽度10m)

图4　全路堑断面气流水平加速度(从左往右依次为H=2m、H=4m、H=8m)

由图4可知，气流在横断面范围内加速度都为负值且在下风侧出现最大值，当H=4m时最大负向加速度值最小，说明H=4m时流场变化最小，不容易在下风侧形成积雪。随着路堑深度变大，负向加速度峰值有向下风侧移动的趋势，积雪区域由路面向下风侧边坡移动，但路堑边坡积雪过厚，积雪会滑向路面。同时当路堑深度增大时，横断面上部开口变大，收集雪粒的汇雪面积增大。所以H=2m的路堑比H=4m的积雪量小。综上所述，路堑深度越大，路面积雪范围大，积雪量越大且积雪区域集中于下风侧坡脚。同理，发现路堑边坡增大也会导致断面积雪量和积雪范围增加。

4　结　语

(1)风雪在形成和发展的过程中不论速度大小流场最终都趋于稳定，携带的雪粒量接近饱和。产生风积雪的原因在于风雪流场发生变化导致的风雪速度降低，气流对雪粒的推力及升力无法克服雪粒的重力，导致雪气分离。

(2)风雪气流方向与公路走向夹角越大，公路产生风积雪灾害的范围及程度越大。

(3)负向加速度越大产生积雪的概率越大，正向加速度越大产生积雪的概率越小。积雪区域的分布则与横断面的形式有很大关系。

(4)对于路堤断面，积雪区域主要在两侧边坡坡脚。路堤高度增加积雪量增加，路堤过低时，路边障碍物阻挡会使路面产生大量积雪。随着路堤高度增加，路面积雪量先减少后增加，路堤高度4m时路面积雪最少且向路中线移动，对行车道影响小。

(5)对于迎风半路堑横断面，主要积雪区域为上风侧坡脚和下风侧坡脚。随着路堑深度增加，积雪范围及程度增加，尤其是受挖侧坡脚积雪量增幅极大，严重危及行车安全。

(6)对于背风半路堑横断面，在两侧坡脚容易产生大量积雪。路堑深度增大，上风侧坡顶积雪量减小，但受挖侧及下风侧坡脚积雪量增大，特别是受挖侧坡脚积雪量对路堑深度变化最为敏感。

(7)对于全路堑断面积雪量和积雪区域受到多因素影响，积雪区域主要为两侧边坡和下风侧坡脚。当路堑深度较大时，由于汇雪面积增大，产生风积雪的范围及积雪量都增大。

(8)路堑横断面积雪区域主要为受挖侧坡脚，且此区域对路堑深度变化极为敏感。故路堑横断面对积雪区域公路危害较路堤断面更大。

(9)所有的断面形式，当边坡变陡时，积雪量和积雪范围都有所增大。

(10)在北方等降雪量较大的区域进行公路的设计工作前，及时调查当地风雪情况，选择合适的路线走向，并结合实地情况选择恰当的断面形式、路基高度和边坡坡度，可以有效减少公路风积雪灾害。

[1]王中隆．中国风雪流及其防治研究[M]．兰州:兰州大学出版社，2001．

[2] 陈晓光，李俊超，李长林，等．风吹雪对公路交通的危害及其对策研讨[J]．公路，2001，(6):113-118．

[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]张德生,李远瑛．拱型波纹屋盖在风与雪作用下的有限元分析[J]．武汉理工大学学报，2005,27(8)：56-59．

[5] 吴北川．季冻区公路风积雪的研究与防治[D]．重庆:重庆交通大学,2014．

[6] 韩占忠,王敬,兰小平．FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M]．北京:北京理工大学出版社,2004．

[7] 白永龙,张贵平．风吹雪雪害地区公路路基高度的确定[J]．内蒙古公路与运输,2008,(6):11-14．

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，重庆人，硕士，E-mail：1592310693@qq.com。

U416.02

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

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