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在我国西北地区、东北地区、青藏高原及新疆等地,由于受自然地理、气象等因素影响,公路极易受风积雪侵扰、阻断交通、危害交通安全、增加道路运营与管理成本。风积雪对交通运输、生产生活的影响是巨大的,很多地区每年都因此造成巨大的经济损失。因此,这就需要我们公路设计人员予以重视,并加强防治。 1 风积雪形成的自然因素风积雪又被叫做风吹雪或风雪流,是以气流为动力,雪粒子在大气中杂乱运动的天气现象,多发生在高海拔、高纬度、山形复杂的区域。发生吹雪时,能见度极低,道路阻塞、交通中断,事故频发；积雪融化,雪水下渗路基,易造成公路冻胀、翻浆等病害；除雪造成道路桥梁设施腐蚀损坏。 形成风积雪主要有三个条件：风、雪、地面形态,外界满足三方面的要求时,便会形成风积雪。一是足以引起风积雪的富裕雪源,这是物质基础；二是足以使雪粒脱离地面或随气流移动的风,这是动力支持；三是引起流场分布变化的环境障碍物,这是沉积条件。 (1)风 积雪粒降落地面后,如果风速达到临界风速,雪粒会由静止开始震动、蠕动、滑移；如果风速继续增加,达到起动风速,雪粒就会作低空的跃动。影响起动风速的因素很多,包括雪层温度、雪粒密度、积雪粒径、温度高低、辐射强弱、植被情况等。另外,风向和公路走向的夹角对风积雪灾害产生的广度和深度有重大影响,夹角越大风积雪灾害就越严重,90°时,理论积雪值最大。 (2)雪 雪的因素主要有雪的密度、粒径、湿度和降雪量。 刚降的新雪,相对比较疏松,密度小、容易被吹运。雪粒粒径不同,起动风速也不同,基本为正相关关系。雪层温度和外界温度影响着积雪湿度,当其小于-6℃时,积雪湿度较低,在-6℃到-1℃时,积雪湿度会急剧增大,积雪粒子相互的粘滞性增强。另外,降雪量的多少对风积雪的发展也有很大影响。 (3)地面形态 风积雪发生时,如果气流经过的地段比较平坦,气流携带的雪粒会更多些；如果气流经过的地段起伏剧烈或周围自然、人工障碍物不恰当存在,会产生漩涡,部分区域减速明显,气流速度降到不足以携带雪粒时,雪气开始分离、吹雪开始沉积。 2 公路对风积雪的影响(1)路线走向与主风向夹角 根据历史观测数据和相关研究资料：当主风向与公路走向夹角在0°到30°时,吹雪较易通过,不易产生道路积雪；当主风向与公路走向夹角在30°到60°之间时,公路路面较易产生积雪；当主风向与公路走向夹角在60°到90°之间时,公路路面容易产生积雪。 因此,风积雪灾害地区,公路走向应该尽量与当地主风向平行,两者之间夹角越小,积雪灾害越少。 (2)行道树和绿化带 道路旁行道树和绿化带对风积雪的阻挡作用相当明显,但如果行道树和绿化带设置不当或离车道过近,也有可能造成负面影响,导致积雪覆盖路基边坡、路肩,并由路侧向路面蔓延。 路侧行道树或绿化带的积雪应当及时清理,以免积雪从路侧蔓延至路面。 (3)中央分隔带 对于一级公路或高速公路,有的道路中间设有一定高度的中央分隔带,中央分隔带内设置有波形梁护栏及防眩板,在风积雪盛行路段,这些设施会导致中央分隔带迎风侧产生积雪,积雪持续蔓延和发展,可能会阻断整个断面的交通。 在中央分隔带易积雪路段,可以考虑采用平齐式中央分隔带、设置缆索式护栏、不设置防眩板或带有孔洞的防眩板等措施,从而利于积雪通过。 (4)路基横断面形式 对于积雪路段,公路路侧防雪设施、路侧的植被、路侧障碍物、路基的横断面形式都可影响该路段气流流场的分布,从而对积雪灾害产生影响。 根据对部分现有雪害路段的调查,影响公路雪阻的最主要因素是路基横断面形式,横断面形式中道路雪害最多的是低路堤占38%,然后是全路堑占31%,背风路堑半路堑占10%,迎风半路堑占8%,凹形竖曲线低处占5%,其余占8%。根据上述数据分析,路基横断面形式是影响积雪的主要因素。 (5)路基高度 路基高度对公路风积雪雪害的发展也有很大影响。以路堤为例,根据对现有雪害路段的调查,75%以上的风积雪灾害都发生在2m以下的低路堤处,高路堤不易产生积雪。 (6)路基边坡坡度 路基边坡坡度不同,路堤各部位的气流速度也不同。在路堤高度等其它条件相同的情况下,路堤坡度越长越缓,气流速度在路面上的减弱幅度越低,造成积雪程度也越低,而且路基高度越高,风速减弱比越小。 3 风积雪防治措施风积雪灾害的防治不能只局限于阻挡积雪、清除积雪,应建立连贯全面的防治体系。不同风积雪区域,应该采取不同的防治手段。对于轻度雪害地区,应该以挡雪为主；对于重度雪害地区应该以导雪为主。 道路防雪措施主要从两个角度出发,一是前期设计中,路线选择和横断面形式上避免或减弱风积雪雪害的发生；二是路侧的防雪、导雪措施,避免积雪向路面发展。具体防雪、导雪措施有防雪林、防雪栅、导风板、防雪墙；除雪措施主要有机械法和融解法。 4 工程实践新疆地区某高速公路,属二级路加宽改造,设计速度100km/h,路基宽26m,不良地质现象主要是风雪灾害。 4.1 气象、水文本项目所在区域属中温带～寒温带大陆干旱气候区。地处准噶尔盆地北缘、额尔齐斯河南面,属于北温带大陆性寒冷干旱气候,主要是干旱少雨及寒潮多风,多年平均风力主要在 3～8 级左右,主要以西北风为主。春旱多风,夏秋短暂,冬季漫长而严寒。年均温度 4.0℃,极端最高气温 41℃,极端最低气温-42.7℃,年均降水量 200mm,年均蒸发量 1844.4mm,年均无霜期 143.9d。 表1 气象要素表  气象参数北屯市-富蕴县年平均气温4．0℃极端最高温41℃极端最低温-42．7℃年均降水量200mm年均蒸发量1844．4mm年均无霜期143．9d主导风向WN最大积雪深度73cm平均风力3～8级冻土深度172cm 4.2 风雪危害项目区域低山丘陵分布,地势高低起伏,在冬季降雪后受冬季季节性风的搬运作用,在挖方地段路堑背风面及低洼区域堆积大量积雪,形成风积雪灾害。根据当地公路局收集资料及现场勘察,老路风雪灾害路段为K130+000～K160+00、K170+000～K190+000。其余路段受到自然降雪的影响。根据调查,近年来区域最大风速21m/s,瞬间可达24m/s,冬季盛行东风、东南风,频率达35%,年平均大风(8级以上的风17m/s)的日数19.8d,大于3m/s达262.7d。经分析,初步确定风积雪路段，见表2。 表2 风积雪路段一览表  序号分布段落长度1K151+000～K157+0006km2K162+000～K183+00021km3K186+000～K214+00028km合计55km 4.3 路基断面形式选择及防雪设施设置分析(1)项目区冬季主风向变化趋势 项目所在区域秋冬季主风向如图1所示,主风向自西北-东南的趋势依次为：东风(E)-东南风(SE)-东风(E)-东北风(NE)。  图1 项目区域秋冬季主风向 (2)项目区域风速概况 根据资料搜集显示,道路区域东南部秋冬季平均风速较小(小于4m/s),道路中部和西北部的部分地区平均风速偏大,约为4～5m/s。 (3)基于风速的雪害分析 根据实地调查,当地风速在大于4m/s时就会形成风吹雪。风速受地形的影响极大,包括狭管作用、摩擦作用、山谷风效应和绕流作用等,以2013年至2016年的每年10月至次年3月的平均风速来看,秋冬季风速的高值区出现在公路沿线的东北侧,平均风速值范围可大于5m/s,而低值区正好呈现西北-东南走向的带状分布,平均风速值范围小于3m/s,与公路整体的走向大体一致。  图2 2013年10月至2016年3月平均风速空间分布 从近三年冬季的风速云图分析可得本项目K151～K157、K162～K183、K186～K214段存在风吹雪现象,且项目区冬季主导风向与公路整体的走向大体一致。 (4)路基设计原则 ①提高路基高度,设计中尽量采用路堤形式,尽量减少挖方段落；结合本地区气象、水文条件,区域路基受地下水、地表水影响,综合考虑占地因素,路段最小填土高度不小于1.50m。 ②路基高度<3m时边坡采用1∶3缓边坡,不设路侧护栏；路基填高>3m时边坡采用1∶1.5,路侧护栏采用缆索式护栏；挖方段采用敞开式断面,超挖后填筑路基,填挖边坡放缓至1∶3,且设置10～20m储雪场,即积雪平台在迎风侧20m,背风侧10m。
③设置储雪场,挖掉路基附近的土石方使风雪流中所携带的雪粒堆积在储雪场内不致堆积在路面上；修缮公路内侧挖方边坡,以使风雪流顺利通过路面或加大储雪场地。 ④在路侧需设置护栏段落均采用缆索式护栏,桥梁两侧护栏均采用通透性好的钢板式护栏,增加护栏外的透风性,减少风吹雪在路面堆积。 ⑤在路线上风侧或下风侧有导致积雪的凸出山嘴或土坎时,则需进行整修挖除,以改善通风条件,使风雪流顺利通过。 ⑥中央分隔带采用齐平式,内预埋通讯管线,路基表面用2cm砂砾式沥青混凝土(AC-5)封闭。砂砾式沥青混凝土底面设置10cm厚天然砂砾。 (5)积雪平台 在挖方路段和填土高度小于1.5m路段设置积雪平台,用以防止路面积雪及排导两侧积水。采用积雪平台深度为1.5m,内边坡1∶3,外边坡1∶2,迎风侧平台宽20m,背风侧平台宽10m。  图3 设置积雪平台路段路基横断面设计图 5 结语从自然条件和道路条件两方面分析,公路横断面的形式是影响风积雪的主要因素；从投资角度考虑,风积雪路段选择恰当的路基横断面形式,是诸多防治风雪措施中行之有效且造价较低的手段。因此,在今后的风积雪路段路基设计中,在考虑路线走向的基础上,充分分析项目区域内主导风向、风速、地形地貌等因素,选择适合的路基横断面形式,是防治风雪灾害的首选方案。 |
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