S319布吉公路风吹雪灾害防治技术措施研究

赵 炜

(新疆铁道勘察设计院有限公司 乌鲁木齐市 830000)

0 引言

风吹雪,又称风雪流,是指空气挟带雪粒子运行的非典型的两相流,也是雪粒被风卷起随风运行的一种天气现象,在我国新疆北部、西北部尤其普遍。当公路通行区域发生风吹雪现象时,会使行车视线严重受阻,积雪严重堆积时轻则中断交通,重则威胁过往司乘人员生命财产安全,严重影响当地社会经济的发展。风吹雪灾害是世界性难题,在全球分布广泛,在我国主要分布在西北、华北和东北地区,受影响国土面积比例占55.2%,近7000km高速公路和6.6×105km各等级公路冬季受风吹雪灾害影响[1]。

文章以S319布尔津至吉木乃口岸公路工程(以下简称“布吉公路”)第二合同段为例,分析风吹雪灾害形成原因,从路线选线、路基断面、路基填挖高度、工程防治措施等方面进行综合防治,以期为公路风吹雪灾害防治提供参考。

1 风吹雪灾害成因分析

布吉公路第二合同段位于阿勒泰地区吉木乃县境内,与第一合同段终点顺接K36+500,东西向沿哈土山北侧布线,沿加曼喀拉山北侧边缘走行至K61+700接至S319,随后路线沿S319改建至吉木乃县城迎宾路与团结路交叉口处,终点桩号K82+974.066,路线长度46.474km。全线按四车道一级公路标准建设,桥涵汽车荷载标准采用公路—Ⅰ级。设计时速及路基断面形式如表1所示。

表1 布吉公路设计时速及路基断面形式

项目沿线地貌由东向西依次为剥蚀丘陵区、冲洪积平原、山前倾斜平原区。项目属北温带大陆性干旱气候,沿线年平均气温4℃,极端最高气温37.2℃,极端最低气温-43.5℃;年平均风速3.6m/s,最大风速35.1m/s,主导风向为WNW、W,年平均大风日数(≥8级)40.2d;该区域降雪频繁,自然降雪量大,每年11月至次年4月为积雪期,一般积雪厚度50～80cm,最大积雪厚度94cm。沿线部分段落由于风力较强、降雪量较大以及可使风速发生涡旋的地形条件,极易产生风吹雪。图1所示为项目沿线地区2021年11月至2022年2月风向玫瑰图。

图1 风向玫瑰图

项目沿线主要表现为自然积雪及风吹雪,风吹雪主要分布于冲洪积平原低洼处、剥蚀丘陵区沿线沟坎处。在地形发生改变的地段,风速突然降低,尤其在路堑及低填浅挖路基段,容易产生风吹雪灾害。K36+500～K52+000影响程度一般,K52+000～K61+000段对路线影响严重,K61+000～K82+974对路线影响中等。

经现场调查及监测分析,上述段落风吹雪灾害发生均具备以下条件:(1)足够充足的雪量—物质来源;(2)足够的风速使雪粒运动—动力来源;(3)复杂的地形(阻碍物)—形成堆积。即当雪量充足时,大量雪粒由于气流运动,在遇到复杂地形等障碍物时造成雪粒沉积。此时雪粒运动所需“启动风速”就会更大,而能够使雪粒开始运动的“启动风速”又受诸多因素影响,如雪粒的物理力学性质(如积雪密度、雪颗粒粒径、积雪硬度)等,也与太阳辐射、气温、地面粗糙度等相联系。例如,气温低于-6℃时,刚降下的干燥新雪(粒径小于1.0mm,平均密度0.06g/cm3)在风速2.0m/s时就能起动,细雪(粒径小于0.5mm,平均密度0.18g/cm3)起动风速在3.7～4.3m/s,而老细粒雪(粒径0.5～1.0mm,平均密度0.23g/cm3)则要在6～8m/s的风速条件下才能起动[2]。相比于山区,由于平原地区地势较为平坦,雪粒运动相对更容易。图2、图3所示为项目沿线风吹雪堆积情况。

图2 布吉公路沿线风吹雪照片1

图3 布吉公路沿线风吹雪照片2

2 风吹雪灾害防治措施

经现场调查和监测数据分析,对布吉公路沿线风吹雪灾害及防治方法进行分类,如表2和表3所示。

表2 布吉公路沿线风吹雪灾害基本分类

表3 布吉公路风吹雪灾害预防与治理方法分类

2.1 路线设计防治技术

路线选线时主要从控制雪源的角度出发,K36+500～K61+650段落风吹雪较严重,采用分离式路基,K61+65～K82+974段落采用整体式路基。在初步设计阶段K57+500～K64+000段路线在K60+300～K60+900之间主要以挖方通过,最大挖深可达8～9m。沿线区域内冬季风向主要为东南风,风向与路线夹角为60°;春、秋季节为西风,风向与路线夹角为30°。综合考虑地形地物、地质情况、线型指标、支挡防护工程设置等因素,对K57+500～K64+000段路线方案进行了优化调整。K57+500～K64+000段线位沿加曼喀拉山山脚向左偏移,绕开深挖方段落。

2.2 路基路面设计防治技术

在沿线风吹雪段落,风吹雪的主要危害类型是路堑型风吹雪沉积,其次为低路堤型风吹雪沉积。主要采用输雪措施进行风吹雪灾害防治,一是在风吹雪灾害严重段落(K36+500～K61+500)采用分离式路基改善风雪流流场,加快雪颗粒通过公路,减轻风吹雪在公路的堆积;二是放缓边坡,原则如下:

(1)填方路基:当填土高度不大于4m时,采用放缓边坡的方式,边坡坡率为1∶3。(2)半路堑∶填方侧边坡坡率一般为1∶3,挖方侧设置路堤式路堑,内侧边坡高1.5m,坡率采用1∶3,并设置5m积雪平台,外侧边坡参照路堑边坡坡率原则设置。(3)路堑∶采用路堤式路堑,路堤坡率为1∶3,高度1.5m,两侧设置5m积雪平台,外侧边坡参照路堑边坡坡率原则设置。拓宽加深路侧积雪平台,可增加储雪量从而减少路面积雪[4]。

2.3 交通安全设施设计防治技术

在沿线风吹雪段落,若布设波形梁护栏,易造成路面积雪堆积情况,不利于改善风雪流流场,因此在风吹雪严重段落设置防护等级相同的缆索护栏,提高风雪流通过能力。中央分隔带设置混凝土护栏,桥梁段路侧护栏为金属梁式护栏。

为保障风吹雪灾害天气行车安全,在沿线未设置护栏段落设置有插拔式积雪标杆,用于指示行车道边缘线,间距50m。

2.4 挡雪防治工程

挡雪措施从控制雪源、改变来流方向或增大风速的角度出发,结合沿线风吹雪危害程度及路基形式,采用插板式阻雪栅栏进行阻雪。根据现场调查和监测数据,确定阻雪栅栏的设置位置、高度、道数,以达到最佳防治效果。设置方法见表4。

表4 布吉公路挡雪防治工程设置方法

如图4所示,插板式阻雪栅栏材料为混凝土,立柱采用C40混凝土预制,3m高阻雪栅栏下部1m采用实板,2m高阻雪栅栏下部0.5m采用实板。为保证插板式阻雪栅栏的阻雪效果,当阻雪栅栏立柱与地面不密贴时,立柱开槽部分采用M10砂浆抹平支撑立柱,下部可用混凝土块或较完整的石块做支撑,避免立柱下部悬空无支撑使板挤压立柱导致倾斜的情况发生。

图4 混凝土插板式阻雪栅栏正面图(单位:cm)

3 结语

文章以布吉公路第二合同段为例,分析项目沿线风吹雪灾害的成因和特征。通过现场调查和监测等方法,综合考虑地理地形、水文地质、风速风向、雪颗粒运动特征等因素,从路线设计、路基路面设计、交通安全设施设计、挡雪防治工程防治技术等方面提出了风吹雪灾害防治的设计方法和措施,为公路风吹雪灾害防治思路及措施提供一定参考。

同时,风吹雪灾害防治理念也应遵循公路与自然相协调的原则,设置防雪工程应因地制宜、因势利导,以达到最佳防雪效果为目的。风吹雪灾害防治是一个动态完善的过程,在施工及运营阶段应持续调查监测,根据实时情况验证风吹雪灾害防治效果,并与养护保通工作相结合,最大程度保障公路通行性和司乘人员生命财产安全。