邊坡坡度對(duì)路堤風(fēng)吹雪影響研究

劉慶寬，梁朋飛，高 嶺，何書勇，李海飛，賈婭婭

(1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043；2.河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043；4.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，石家莊 050011)

風(fēng)吹雪又稱風(fēng)雪流，是地面積雪或降雪在風(fēng)的作用下，重新起動(dòng)，隨風(fēng)運(yùn)行，并再次堆積的一種自然現(xiàn)象，主要發(fā)生在高緯度、高海拔地區(qū)[1-3]。風(fēng)吹雪發(fā)生時(shí)不僅會(huì)形成視程障礙，還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的積雪災(zāi)害，尤其在道路交通方面，風(fēng)雪流發(fā)生時(shí)會(huì)引起能見度降低、道路結(jié)冰和道路積雪等現(xiàn)象，導(dǎo)致交通事故頻發(fā)，車輛和人員被困甚至人員傷亡的事件時(shí)有發(fā)生。另外，大量積雪融化后對(duì)路基的浸泡和侵蝕作用也不容忽視。雖然國家道路養(yǎng)護(hù)部門每年在道路風(fēng)雪災(zāi)害防治工作上投入巨大的人力物力，但是由于風(fēng)吹雪災(zāi)害的影響因素眾多，形成過程復(fù)雜隨機(jī)等特點(diǎn)，道路風(fēng)吹雪災(zāi)害的研究和防治仍然是一項(xiàng)十分必要和緊迫的任務(wù)。

道路交通風(fēng)吹雪災(zāi)害形成，從工程本身來講，主要與路基斷面形式和參數(shù)，道路走向，有無防護(hù)設(shè)施等因素有關(guān)[4]。王中隆等[5-8]都進(jìn)行了長期的野外觀測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)，王中隆總結(jié)出道路雪害的類型以及不宜積雪的路基斷面形式及其流場(chǎng)特征，Tabler建立了地形坡度和最終積雪形態(tài)合成坡度的關(guān)系模型，用于預(yù)測(cè)風(fēng)吹雪形成的最終積雪廓線。高衛(wèi)東等[9-14]利用對(duì)實(shí)際工程的考察、觀測(cè)以及試驗(yàn)資料，分析了各種不同形式的路基橫斷面對(duì)風(fēng)吹雪雪害形成與發(fā)展的影響，并對(duì)風(fēng)吹雪區(qū)域路基斷面形式的選擇提出了建議。氣流攜帶雪粒子運(yùn)行，風(fēng)速減弱時(shí)雪粒子下落堆積，故風(fēng)速減弱區(qū)域便是積雪形成的區(qū)域，李萬鵬等[15-16]基于以上原理，對(duì)不同參數(shù)的路堤和路塹風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，由此推斷積雪發(fā)生的位置，并提出了路基橫斷面合理的參數(shù)設(shè)置。蘇國平[17]利用數(shù)值模擬的方法，模擬了凈風(fēng)和攜雪風(fēng)條件下路塹周圍及擋雪墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)特性，并對(duì)擋雪墻不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路塹積雪的影響進(jìn)行了模擬研究。呂曉輝等[18]利用天然雪進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了有無路堤兩種地形條件下風(fēng)雪流中雪粒子速度的差異。

綜上可知，現(xiàn)有針對(duì)路基斷面形式的風(fēng)吹雪災(zāi)害研究中，試驗(yàn)或模擬得到的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的實(shí)際積雪結(jié)果之間缺乏合理的對(duì)照，不利于積雪形成機(jī)理的深入和準(zhǔn)確分析。同時(shí)，現(xiàn)有研究大多較為籠統(tǒng)，針對(duì)路基斷面某一參數(shù)進(jìn)行的，得到對(duì)工程實(shí)際有指導(dǎo)意義的具體結(jié)論的研究較少。為了完善以上研究中的不足，本文以路堤為研究對(duì)象，利用現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)以及流場(chǎng)數(shù)值模擬的方法，研究邊坡坡度對(duì)路堤積雪的影響規(guī)律，分析積雪形成機(jī)理。為風(fēng)吹雪相關(guān)研究，以及風(fēng)雪災(zāi)害地區(qū)的路基設(shè)計(jì)等提供有益的參考。

1 研究方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)

1.1.1 現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

現(xiàn)有研究顯示，幾何相似的結(jié)構(gòu)物，在風(fēng)雪流作用下形成的積雪堆積形狀，也呈相同比例的幾何相似，這種相似為在野外使用縮尺的結(jié)構(gòu)模型研究風(fēng)雪流相關(guān)問題提供了可能性。

現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)是為了研究具體問題，設(shè)計(jì)和制作相應(yīng)模型，利用現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的風(fēng)雪流進(jìn)行模型試驗(yàn)的研究方法。相比于目前采用較多的基于模擬物的風(fēng)洞風(fēng)雪模型試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)利用真實(shí)風(fēng)雪流作用于模型，避免了模擬物與真實(shí)雪粒子各項(xiàng)性質(zhì)差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，所得到的結(jié)果更加真實(shí)可信。且相比于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程的實(shí)測(cè)研究，此方法可以方便地改變模型某一參數(shù)，控制其它條件，對(duì)某一影響因素進(jìn)行研究，得到規(guī)律性結(jié)果。

需要說明的是，現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)中采用野外真實(shí)的雪顆粒，但試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅旧泶嬖谙鄳?yīng)的縮尺，這就使得一些與幾何尺度相關(guān)的相似參數(shù)不滿足要求，這些相似參數(shù)也會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定程度的影響。但類似于采用模擬物進(jìn)行的風(fēng)吹雪風(fēng)洞試驗(yàn)，風(fēng)雪模型試驗(yàn)中雪粒子相似參數(shù)的研究尚無明確統(tǒng)一的結(jié)論，另外，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，由于新疆等地區(qū)寒冷干燥氣候的影響，該地區(qū)形成的風(fēng)雪流中雪粒子顆粒較小，且雪粒子在氣流中分布更為均勻，這時(shí)可以近似地將風(fēng)雪流作為連續(xù)介質(zhì)看待，雪顆粒本身尺寸的影響較小，這便在較大程度上保證了模型試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

1.1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇

進(jìn)行風(fēng)雪流的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)，首先要選擇合適的試驗(yàn)場(chǎng)地。試驗(yàn)場(chǎng)地需要滿足以下條件：① 地形平坦開闊；② 雪源充足；③ 有形成風(fēng)雪流的足夠風(fēng)力；④ 風(fēng)力風(fēng)向在一定時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。綜合考慮以上要求，本文中試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在新疆塔城瑪依塔斯地區(qū)，瑪依塔斯地區(qū)地理位置如圖1所示。該地區(qū)地形平坦開闊，處在南北兩座高山形成的狹長“走廊”中，東西兩側(cè)的盆地中氣流通過此“走廊”時(shí)，形成典型的“狹口效應(yīng)”，使氣流加速。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)資料顯示，該地區(qū)年大風(fēng)日數(shù)多達(dá)150余天，且以偏東風(fēng)為主，天氣變化時(shí)短時(shí)間呈現(xiàn)偏西風(fēng)，而幾乎無南北風(fēng)向。加之每年的春冬兩季，自西而來的冷濕氣流在此形成大范圍的降雪天氣，形成大量積雪[19]。積雪和大風(fēng)的共同作用使該地區(qū)每年春冬季節(jié)都會(huì)形成嚴(yán)重的風(fēng)雪流災(zāi)害，給當(dāng)?shù)厝藗兊纳钤斐闪藰O大的困擾，但也為風(fēng)雪流的研究提供了理想的試驗(yàn)場(chǎng)地。

圖1 瑪依塔斯地理位置

1.1.3 模型和試驗(yàn)工況

根據(jù)研究需要，共設(shè)計(jì)4個(gè)邊坡坡度不同的路堤模型，為更好地控制試驗(yàn)變量，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭桓淖儐蝹?cè)邊坡坡度，各模型橫斷面示意圖如圖2所示，路面寬度30 cm，路堤高度15 cm，一側(cè)邊坡坡度β固定為45°，改變另一側(cè)邊坡，4個(gè)模型的邊坡α取值分別為60°、45°、30°、15°。

圖2 路堤模型橫斷面示意圖

節(jié)段模型采用木質(zhì)板材制作，為了消除氣流繞模型端部的復(fù)雜三維流動(dòng)，而將其作為二維流動(dòng)問題來進(jìn)行研究，路堤模型兩端分別安裝了相應(yīng)尺寸的端板。同時(shí)模型各部分之間可以方便地進(jìn)行拆卸和拼裝，有利于運(yùn)輸和移動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，由風(fēng)速風(fēng)向儀確定出風(fēng)向，調(diào)整模型方向，確保風(fēng)向始終與路堤模型縱向垂直(即與端板平行)。為了保證不同模型處于相同的試驗(yàn)條件，將4個(gè)模型首尾相連放置于同一地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，且坡度不同的邊坡處于同一側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)安放完畢的模型如圖3所示。本試驗(yàn)共進(jìn)行了如表1所示8種工況。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)安放完畢的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1 試驗(yàn)工況統(tǒng)計(jì)

1.1.4 現(xiàn)場(chǎng)信息記錄匯總

風(fēng)雪流的狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速、空氣溫濕度以及積雪性質(zhì)等均密切相關(guān)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)過程中，除保證風(fēng)向的相對(duì)穩(wěn)定外，還應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速范圍、空氣溫度、空氣濕度、氣壓以及積雪特性等信息進(jìn)行記錄，便于之后進(jìn)行數(shù)值模擬等研究時(shí)參數(shù)的設(shè)置，本試驗(yàn)記錄的相關(guān)信息匯總于表2。

表2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)信息匯總

1.1.5 試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量

取路堤模型中間位置的二維截面進(jìn)行測(cè)量，得到試驗(yàn)結(jié)果。用小鏟剖出中間位置積雪斷面，利用刻度尺并配合水平尺等工具進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過程，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量

1.2 流場(chǎng)數(shù)值模擬

為了進(jìn)一步分析積雪分布與路堤周圍流場(chǎng)關(guān)系，應(yīng)用Fluent軟件，對(duì)路堤模型周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值計(jì)算的來流條件與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一致。

計(jì)算域尺寸以及邊界條件的設(shè)置如圖5所示，入口邊界距模型10 m，出口邊界距模型20 m，上下邊界距離2 m，計(jì)算域中模型尺寸與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用模型尺寸相同。計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口，考慮模型和計(jì)算域高度較小，風(fēng)速在高度方向上變化不明顯，入口設(shè)置為均勻流，并通過設(shè)置地表粗糙度的方法增加流場(chǎng)的湍流度，風(fēng)速取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速的中間值10 m/s，出口為自由出口，地表和模型表面為無滑移壁面，計(jì)算域頂部為自由滑移壁面。路堤模型周圍網(wǎng)格劃分情況如圖6所示，圖中H為路堤模型高度，H=0.15 m，考慮地面附近流場(chǎng)變化較為復(fù)雜，在近地面以及接近模型表面的一定高度范圍內(nèi)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格總量約15萬。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-(模型，并采用增強(qiáng)壁面函數(shù)來彌補(bǔ)其對(duì)坡度改變不敏感的問題。動(dòng)量、湍動(dòng)能以及湍流耗散率采用二階迎風(fēng)格式，數(shù)值計(jì)算中其它參數(shù)也都參照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)具體情況進(jìn)行設(shè)置。

圖5 計(jì)算域尺寸及其邊界條件示意圖

圖6 路堤模型周圍網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)積雪照片如圖7～8所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，在平面直角坐標(biāo)系中繪制出迎風(fēng)坡坡度改變和背風(fēng)坡坡度改變時(shí)路堤積雪橫斷面，如圖9和圖13所示，同時(shí)為了較為全面的反應(yīng)路堤周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行處理，得到路堤模型周圍流場(chǎng)的速度云圖以及流線圖，繪制于同一幅圖中，圖中H為路堤高度。

圖7 不同迎風(fēng)邊坡坡度路堤模型試驗(yàn)結(jié)果

圖8 不同背風(fēng)邊坡坡度路堤模型試驗(yàn)結(jié)果

(a)工況1路堤模型

2.1 路堤積雪位置與風(fēng)速減弱區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由圖9和圖13可得，路堤迎風(fēng)側(cè)，主要受路堤的阻擋作用，在靠近路堤過程中風(fēng)速逐漸減弱，在迎風(fēng)側(cè)坡腳處風(fēng)速達(dá)到最小，之后氣流沿邊坡向上爬升，風(fēng)速逐漸提高，在迎風(fēng)路肩處風(fēng)速達(dá)到最大；氣流流過背風(fēng)路肩后，由于氣流斷面突然增大，風(fēng)速急劇減小，且氣流在背風(fēng)路肩處與路堤表面分離，形成路堤背風(fēng)側(cè)較大范圍的旋渦減速區(qū)。為了便于同路堤形成的積雪范圍進(jìn)行比較，將風(fēng)速減弱區(qū)定義為風(fēng)速小于或等于來流風(fēng)速30%的區(qū)域，即風(fēng)速小于或等于3 m/s的區(qū)域。

各工況下積雪位置主要在路堤兩側(cè)，與數(shù)值模擬中風(fēng)速減弱區(qū)域存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但也可明顯看出，二者并非定量對(duì)應(yīng)：路堤迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速減弱區(qū)域小于積雪區(qū)域，而路堤背風(fēng)側(cè)風(fēng)速減弱區(qū)域大于積雪區(qū)域，說明簡(jiǎn)單地根據(jù)流場(chǎng)風(fēng)速減弱區(qū)域定量判斷積雪堆積區(qū)域的方法是不全面的。

2.2 迎風(fēng)邊坡坡度改變對(duì)路堤積雪的影響

由圖9可以發(fā)現(xiàn)不同迎風(fēng)邊坡坡度的路堤模型形成的積雪形態(tài)和流場(chǎng)分布特征存在明顯差異：隨著迎風(fēng)邊坡坡度從60°逐漸減緩到15°，路堤迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速減弱區(qū)和積雪范圍以及積雪蔓延到迎風(fēng)側(cè)邊坡上的高度均逐漸減小，說明較緩的迎風(fēng)邊坡對(duì)氣流的阻擋和干擾更小，更不易在路堤迎風(fēng)側(cè)形成積雪；路堤背風(fēng)側(cè)風(fēng)速減弱區(qū)和積雪范圍，也隨著迎風(fēng)坡坡度減緩而逐漸縮短。

氣流攜帶雪粒子流過迎風(fēng)邊坡，受邊坡的抬升作用以及雪粒子的慣性，通過迎風(fēng)路肩后部分雪粒子沿邊坡向斜上方躍起，躍起的雪粒子被路堤上方的氣流攜帶繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，并在路堤背風(fēng)側(cè)某個(gè)位置處堆積。迎風(fēng)邊坡坡度越大，上述過程中雪粒子的躍起高度越高，雪粒子堆積位置越靠后，形成的積雪范圍也就越大，反之則積雪范圍越小。同時(shí)較緩的迎風(fēng)邊坡對(duì)氣流的干擾作用更小，這也有利于減小背風(fēng)側(cè)風(fēng)速減弱區(qū)的范圍。隨著路堤迎風(fēng)側(cè)積雪的堆積，逐漸形成了新的坡度較緩的迎風(fēng)“邊坡”，背風(fēng)側(cè)雪粒子堆積位置也逐漸前移。

為了準(zhǔn)確和直觀地比較各路堤模型積雪量的差異，縱向取一倍路堤高度H的距離，如圖10所示，通過計(jì)算得到各路堤模型迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)以及總的無量綱積雪量，分別用Cy、Cb以及Cz表示，計(jì)算過程如式(1)～(3)所示。

圖10 計(jì)算積雪量范圍示意圖

(1)

(2)

(3)

式中：Qy、Qb和Qz分別為路堤模型迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)和總的實(shí)際積雪量；Ay、Ab和Az分別為路堤模型迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)和總的實(shí)際積雪橫截面積，通過積雪截面的實(shí)測(cè)數(shù)得到。將路堤迎風(fēng)邊坡坡度改變時(shí)，各路堤模型對(duì)應(yīng)的無量綱積雪量Cy、Cb和Cz繪制成柱狀圖，如圖11所示。

圖11 不同迎風(fēng)邊坡坡度路堤模型無量綱積雪量

可以看出，隨著路堤迎風(fēng)邊坡坡度減緩，路堤迎風(fēng)側(cè)積雪量迅速減少，迎風(fēng)邊坡坡度為15°時(shí)路堤迎風(fēng)側(cè)積雪量幾乎為0。路堤背風(fēng)側(cè)積雪量在前三個(gè)邊坡坡度下同樣呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而迎風(fēng)邊坡坡度為15°時(shí)路堤背風(fēng)側(cè)積雪量為這四種工況中的最大值，這是由于當(dāng)迎風(fēng)邊坡坡度為15°時(shí)，路堤迎風(fēng)邊坡一側(cè)對(duì)風(fēng)雪流中雪粒子的阻擋和卸載作用幾乎為0，即風(fēng)雪流中雪粒子幾乎可以完全到達(dá)路堤背風(fēng)側(cè)，此時(shí)在相同時(shí)間作用下，背風(fēng)側(cè)也就能達(dá)到更大的積雪量。四種工況下總積雪量，隨著迎風(fēng)側(cè)邊坡坡度減緩先逐漸減小最后略微增大。

需要說明的是，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)風(fēng)雪流作用時(shí)間不夠充足，使得結(jié)果中15°路堤模型背風(fēng)側(cè)積雪量最大，但隨著風(fēng)雪流的持續(xù)作用，路堤模型背風(fēng)側(cè)區(qū)域?qū)⒈惶顫M，形成背風(fēng)路肩、背風(fēng)坡腳和背風(fēng)側(cè)積雪最遠(yuǎn)點(diǎn)組成的三角形堆積區(qū)域，如圖12所示。屆時(shí)形成最終堆積狀態(tài)的積雪量將隨迎風(fēng)邊坡坡度的增大而增加，即15°路堤模型積雪量最少，60°路堤模型積雪量最大。

圖12 預(yù)計(jì)路堤模型最終積雪形態(tài)

另外，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中觀察到迎風(fēng)邊坡坡度60°和45°的路堤模型路面上形成了少量積雪，而迎風(fēng)邊坡坡度30°和15°的路堤模型路面上沒有形成積雪，如圖7所示?？紤]是由于迎風(fēng)邊坡坡度較大時(shí)，氣流在上風(fēng)側(cè)路肩處形成附面層分離，在路面上方形成漩渦，從而導(dǎo)致路面形成少量積雪，而迎風(fēng)邊坡坡度較小時(shí)，氣流在上風(fēng)側(cè)路肩處可以較為平穩(wěn)地過渡，不會(huì)在路面形成積雪。

2.3 背風(fēng)邊坡坡度改變對(duì)路堤積雪的影響

不同背風(fēng)邊坡坡度的路堤模型形成的積雪形態(tài)和流場(chǎng)分布特征如圖13所示，當(dāng)迎風(fēng)邊坡坡度不變，背風(fēng)邊坡坡度逐漸減緩時(shí)，路堤模型迎風(fēng)側(cè)積雪形態(tài)和流場(chǎng)分布并無明顯差異，只在背風(fēng)側(cè)積雪區(qū)域和風(fēng)速減弱區(qū)有略減小趨勢(shì)，說明背風(fēng)邊坡坡度改變對(duì)來流的阻擋作用幾乎沒有影響。只是由于路堤背風(fēng)邊坡較緩時(shí)，氣流流過背風(fēng)路肩后風(fēng)速截面增大的速度相對(duì)較慢，一定程度上能夠減緩風(fēng)速的降低，也使風(fēng)速更快地恢復(fù)至較高的水平，從而使得風(fēng)速減弱區(qū)和積雪區(qū)域有所減小。

(a)工況5路堤模型

圖14為四個(gè)不同背風(fēng)邊坡坡度路堤模型所形成的積雪廓線，由圖可明顯看出，雖然背風(fēng)邊坡坡度不同，但各模型形成的積雪廓線基本重合，也進(jìn)一步說明了背風(fēng)邊坡坡度對(duì)路堤積雪分布影響較小。

圖14 不同背風(fēng)坡坡度路堤模型積雪廓線

背風(fēng)邊坡坡度改變時(shí)，各路堤模型迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)以及總的無量綱積雪量如圖15的柱狀圖所示，可以看出，隨著路堤背風(fēng)邊坡坡度減緩，路堤迎風(fēng)側(cè)積雪量變化不大，而路堤背風(fēng)側(cè)積雪量逐漸減小，致使總積雪量也逐漸減小，以背風(fēng)邊坡坡度為15°時(shí)積雪量的減少尤為明顯。說明，雖然路堤背風(fēng)側(cè)邊坡坡度變化對(duì)路基積雪分布影響不大，但也能在一定程度上減少路堤背風(fēng)側(cè)的積雪量。

圖15 不同背風(fēng)邊坡坡度路堤模型無量綱積雪量

對(duì)路堤模型路面附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，各路堤路面上靠近迎風(fēng)路肩一側(cè)均形成一定范圍的旋渦減速區(qū)，且范圍大致相同，與之對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中各路堤模型路面上也觀察到一定范圍的少量積雪，如圖8所示，積雪位置和范圍大致相同。說明，路面旋渦減速區(qū)范圍和積雪分布與路堤背風(fēng)邊坡坡度變化無關(guān)。

2.4 路面不易積雪的臨界邊坡坡度

由上述分析可知，在風(fēng)速和路堤高度一定的情況下，路面是否會(huì)形成積雪主要與迎風(fēng)邊坡坡度有關(guān)。迎風(fēng)邊坡坡度較陡(60°和45°)時(shí)，氣流流過迎風(fēng)路肩時(shí)發(fā)生附面層分離，在路面上形成一定范圍的旋渦減速區(qū)，使雪粒子在路面堆積。而氣流流經(jīng)較緩(30°和15°)的迎風(fēng)邊坡時(shí)，在迎風(fēng)路肩處氣流可以平緩地過渡，而不會(huì)發(fā)生分離，路面上也不會(huì)形成旋渦減速區(qū)，從而不易形成積雪。

以上結(jié)果可以表明，路面不易積雪的臨界邊坡坡度在30°和45°之間。為了較為準(zhǔn)確地確定出路面不易積雪的臨界邊坡坡度，增加兩個(gè)路堤模型流場(chǎng)數(shù)值模擬工況，路堤模型迎風(fēng)側(cè)邊坡坡度分別為35°和40°，背風(fēng)側(cè)邊坡坡度固定為45°，其它條件設(shè)置同上。

模擬結(jié)果如圖16所示，可以看出，路堤迎風(fēng)邊坡坡度在35°和40°兩種情況下，迎風(fēng)路肩處氣流均未發(fā)生分離，路面上也未出現(xiàn)旋渦減速區(qū)，說明這兩種迎風(fēng)邊坡坡度下路面均不易形成積雪。因此，可以推斷出路面不易積雪的臨界邊坡坡度在40°和45°之間，保守起見，建議工程應(yīng)用中取40°為路面不易積雪的臨界邊坡坡度。

(a)35°/45°路堤模型

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了邊坡坡度對(duì)路堤風(fēng)吹雪積雪的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)路堤周圍積雪范圍與流場(chǎng)風(fēng)速減弱區(qū)域存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但并非定量對(duì)應(yīng)，風(fēng)速減弱區(qū)域在路堤迎風(fēng)側(cè)小于積雪范圍，在路堤背風(fēng)側(cè)則大于積雪范圍，用流場(chǎng)中風(fēng)速減弱區(qū)域簡(jiǎn)單地定量判斷積雪范圍的方法存在較大誤差。

(2)迎風(fēng)邊坡坡度的改變對(duì)路堤周圍積雪影響較大，設(shè)置較緩的路堤迎風(fēng)邊坡將有效減小路堤兩側(cè)的積雪量和積雪范圍，此外較緩的迎風(fēng)側(cè)邊坡也使得路面不易形成積雪，這些都將有效地減小風(fēng)雪流對(duì)路堤工程的危害，故若不考慮經(jīng)濟(jì)和用地等因素，風(fēng)雪流區(qū)域路堤建設(shè)時(shí)應(yīng)設(shè)置坡度較緩的迎風(fēng)邊坡。

(3)背風(fēng)邊坡坡度的改變對(duì)路堤周圍積雪影響較小，不同背風(fēng)邊坡坡度的路堤積雪廓線基本重合，迎風(fēng)側(cè)積雪量變化不大，路面積雪只受迎風(fēng)側(cè)邊坡影響，均出現(xiàn)了厚度和范圍大致相同的少量積雪，唯有路堤背風(fēng)側(cè)積雪量隨背風(fēng)邊坡坡度減緩而逐漸減少，所以風(fēng)雪流區(qū)域路堤建設(shè)時(shí)，可將背風(fēng)側(cè)邊坡坡度作為次要因素考慮。

(4)風(fēng)速和路堤高度一定時(shí)，坡度較大的路堤迎風(fēng)邊坡將在路面形成一定范圍的旋渦減速區(qū)，在此區(qū)域便容易形成積雪，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和流場(chǎng)模擬結(jié)果，推斷出路面不易積雪的臨界邊坡坡度在40°和45°之間，保守起見，建議工程應(yīng)用中取40°為路面不易積雪的臨界邊坡坡度。