新疆公路风吹雪雪害防治措施的研究

2019-09-10吴鹏

西部交通科技 2019年6期

吴鹏

摘要：文章分析了公路风吹雪的产生及其危害，结合新疆公路风吹雪的特点，介绍了防雪栅栏、挡雪墙、导风板和防雪林等4种目前用于新疆公路风吹雪的防治措施，并研究了这4种防治措施的作用机理与相关设置参数。

关键词：公路;风吹雪;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

公路风吹雪是一种非典型的气固两相流，是雪粒子被风携带着运动的自然现象。根据以往学者的研究，在风雪流的作用下，造成公路路面局部积雪的厚度是自然降雪的3～8倍[1]。

新疆的公路风吹雪雪害出现最频繁和危害最严重的地区主要分布在塔城的玛依塔斯风区、北疆阿勒泰地区以及天山地区。这些地区所处的位置和地形均有

利于公路风吹雪的形成，具有雨水丰富、积雪深度大、降雪日数多、雪的密度低而便于雪粒启动等特点。

1 公路风吹雪的产生及其危害

风吹雪的物质来源主要是降雪和積雪。近年来，随着全球变暖的现象越来越明显，CO2和其他温度气体的增温，造成新疆地区的降水量有所增加，进而使得新疆公路风吹雪危害不断加剧。公路风吹雪发生时大量的雪粒子被风所携带，其具有突发性强、来势快、危害广泛等特点，造成公路沿线雪阻、道路能见度降低、交通中断，已经威胁到新疆地区冬季交通安全。新疆地区特有的地形、地貌及山岭区较多，使得新疆大部分地区都存在公路风吹雪灾害。同时，新疆的冬季漫长、降雪量大、风力强劲，使得公路风吹雪灾害每年都会发生，给新疆的经济带来了难以估计的损失。鉴于新疆公路风吹雪分布的广泛性和危害的严重性，针对新疆公路风吹雪雪害防治措施的研究是非常必要的[2-3]。

2 新疆公路风吹雪雪害的典型防治措施

目前，应用于新疆公路风吹雪灾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栅栏、挡雪墙、导风板;生物防治主要有防雪林。

2.1 防雪栅栏

2.1.1 防雪栅栏的作用原理

防雪栅栏又称防雪栅，其主要通过改变原有地形的流场，以达到阻挡风吹雪的作用。当风吹雪经过防雪栅栏后会使风雪流的风速迅速降低，在防雪栅栏后形成涡旋减速区，使得大量的雪粒子堆积在防雪栅栏后[4]。防雪栅栏主要有两部分组成：上部的防雪栅栏板块和下部的支撑。防雪栅栏可以是木制的，也可以是钢板制的。在实际工程中应充分考虑使用年限和工程造价后，再决定选用何种类型的防雪栅栏。防雪栅栏的作用原理如图1所示。

2.1.2 防雪栅栏的设置

（1）防雪栅栏的结构形式

防雪栅栏的结构形式有很多类型，主要分为：固定式和非固定（移动）式、单列式和多列式等。具体可以根据当地的地形、地貌、主导风向与道路的夹角、阻雪效果和环境条件选用。

（2）防雪栅栏的透风率

当透风率<30%时，栅栏后的阻雪量比较小，雪丘高而陡峭，对近距离的防风性好。当透风率为50%～70%时，栅栏后的阻雪量比较大，雪丘分布平缓且范围大。透风率可由地形、地物、用地、移雪量等条件确定。

[KG2]

（3）防雪栅栏的高度

一般而言，防雪栅栏的高度越高，其阻雪量就越大，作用范围也越广。但是当栅栏高度增加到一定高度时，防雪的效果会逐渐变缓。

防雪栅栏后的阻雪量会随着栅栏高度的增加而增大，防雪栅栏后的堆积影响区的作用范围也越广，但随着栅栏高度增加到很高时，防雪效果会越来越差。防雪栅栏的高度可以根据风吹雪灾害的大小及所处区域的地形、地貌、透风率等因素确定，一般为2～6 m。

（4）防雪栅栏的排数

在风吹雪灾害严重，移雪量较大的地方，可以采用两层或者多层防雪栅栏。

防雪栅栏的排数可以根据当地地形（迎风、背风、路侧横向坡度）、移雪量等确定。

（5）防雪栅栏与道路的距离

防雪栅栏与道路的距离必须保证下风侧雪丘不会延伸到路面上，不同透风率和高度的防雪栅栏与道路的距离是不同的。

①透风率的影响

②山坡坡度的影响

在迎风坡上设置防雪栅栏，随着坡度的增加，防雪栅栏与道路的距离可以越来越短。在背风坡上设置防雪栅栏，随着坡度的增加，防雪栅栏与道路的距离越来越长。

（6）防雪栅栏与主导风向的夹角

防雪栅栏与主导的风向应该呈90°，此时防雪栅栏后的阻雪量最大，效果最好。随着两者夹角的减小，阻雪量也在逐渐减小，当两者之间的夹角<45°时，不宜布设防雪栅栏。

（7）防雪栅栏的长度

2.2 挡雪墙

2.2.1挡雪墙的作用原理

挡雪墙主要设置在路面迎风向的上侧，借助于自身的阻隔作用，降低风雪流的运行速度，使得雪粒子沉积在挡雪墙后。挡雪墙主要是由石、砖、土等建筑材料修筑成的人工构筑物，它的优点是：可以就地取材、施工成本低[6]。

2.2.2 挡雪墙的高度

挡雪墙的高度与其阻雪能力有着直接的关系。一般而言，阻雪能力会随着挡雪墙高度的增加而增加，呈线性增长。然而，在实际的工程中，综合考虑工程造价等多方面因素，应选取合理的高度。对于平原区，挡雪墙的高度宜设为1.5～1.8 m，取值主要取决于降雪量的大小以及地形的情况。对于降雪量更大的区域，挡雪墙的高度不能满足阻雪的要求，可以采取设置双层挡雪墙的措施。

2.2.3 挡雪墙的走向与主风向的夹角

挡雪墙主要是通过降低风雪流风速来实现其阻雪作用，挡雪墙设置的角度与主风向的夹角为90°时最好。然而在实际情况中，挡雪墙与风吹雪的主风向并不是垂直的，因而导致挡雪墙的走向与主导风向的夹角较小。从现有的研究结果可以得出：挡雪墙与主导风向之间的夹角α<45°时，会造成路面积雪的堆积;挡雪墙与主导风向的夹角45°<α<75°时，应对挡雪墙的端部进行处理。

在主导风向相对稳定的地区，一般多设置翼式挡雪墙，进而避免端部的积雪向路面延伸，具体的布置如图3所示。

2.2.4 挡雪墙与路面的距离

挡雪墙与路面的距离主要是根据挡雪墙的高度（H）来决定的。对于平原区，单层不透风式挡雪墙与路面的距离一般设置为10～15H;对于山区，挡雪墙与路面的距离宜>8H。

2.2.5 周围的地形

地形对于挡雪墙的布设有很大的影响，挡雪墙的布设应在风雪流主要堆积区域内的平坦地形，不宜设在高低不平的地形上。

2.3 导风板

2.3.1 导风板的作用原理

风雪流在导风板前方受到了下导风的阻挡作用，风雪流逐渐增压，在贴地气层可以形成一个较强的涡旋减速区，使得雪粒子下落沉积。当风雪流进入导风板的下风口后，导风板把压力能转化为动能，致使导风板下风口的风雪流的速度增大，带走涡旋减速区内沉积的雪粒子[7]。

2.3.2 导风板的典型影響因素

（1）导风板的高度

一般来说，导风板的高度越高，其作用范围就会越长，导风板下风口路面的风雪流加速效果就越明显。考虑到风雪流在垂直方向的变化，随着导风板高度的增加，风雪流的增速效果会越来越差。

（2）导风板与地面夹角