15.2. Снегопринос и снегозаносимость дорог. Районирование территории по трудности снегоборьбы на автомобильных дорогах

Главным источником снежных отложений на дороге является снегоперенос, вызванный метелями, теория которых хорошо разработана трудами проф. А.К. Дюнина, А.А. Комарова, Д.М. Мельника, канд. техн. наук Г.В. Бялобжеского и др. Под действием ветра снежные частицы поднимаются над поверхностью снежного покрова и снова откладываются там, где скорость ветра снижается. Переносимые метелью частицы снега имеют различную форму и размеры: от 0,01 мм до 2 мм, но 90 % частиц имеют размеры 0,1-0,25 мм. Масса переносимых частиц колеблется от 0,0001 до 0,005 г. Частицы снега могут подниматься только до определенной высоты - потолка взвешивания. Крупные, тяжёлые частицы перемещаются скачкообразно по поверхности снежного покрова. Такое движение называютсальтацией.

Снегоперенос рыхлого снега начинается при скорости ветра более 3-5 м/с, когда мелкие частицы снега размером 0,02-0,5 мм смешиваются с приземным воздухом и образуют турбулентный снеговетровой поток. Выпадающие из этого потока частицы разрушают снежную поверхность, что способствует дополнительному питанию снеговетрового потока снежинками.

При низовой метели основная масса снега переносится в приземном слое высотой 1,5-2,0 м, причем около 90 % снега переносится на высоте 10-20 см.

Количество снега, переносимого низовой метелью, определяется транспортирующей способностью. Эта способность оценивается удельным твёрдым расходом метели.Удельный твёрдый расходили интенсивность переноса метели - это масса снега, переносимого в единицу времени через единицу площади вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению снеговетрового потока. Интенсивность переноса снега измеряют в г/м²с или м³/пог. м²(т.е. на 1 пог. м фронта метели).

В общем виде эта зависимость описывается формулой Д.М. Мельника:

У_max=СV_ф³, м³/пог. м-ч; где                                                                                            (15.3)

С- коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от плотности снега в метелевых сугробах;

V_ф- скорость ветра на высоте флюгера (т.е. на высоте 10 м), м/с.

Для большей части Европейской территории России, где плотность снега равна 0,25 т/м³, коэффициент пропорциональностиС= 0,00031; для районов Сибири, Казахстана, востока и юго-востока Европейской части РоссииС= 0,00026.

Метелевый поток может быть насыщенным и ненасыщенным. Насыщенный- когда ветровой поток переносит количество снега, соответствующего его максимальной транспортирующей способности.Ненасыщенный- когда масса переносимого снега меньше предела насыщения.

Для того чтобы поток стал насыщенным, необходим определенный путь разгона метели, который обычно называют длиной разгона метели.

Длина разгона метели составляет 100-400 м. Вся масса снега, проносящегося в единицу времени через 1 м фронта метелевого потока (на всю его высоту), называется полным общим расходом, определяемым по формуле:

W_n= 0,08(V_ф- 5) ³, где                                                                                                        (15.4)

W_n- полный расход, г/м²с.

Переносом снега (снегопереносом) называют массу или объём снега, перенесённого за время t:

W_n = It = СV_ф³t.                                                                                                               (15.5)

Масса снегопереноса имеет размерность г/м², а объём снегопереноса - м³/пог. м. Наибольшее количество снега (около 90 %) переносится в нижнем слое потока в пределах 0,2 м над уровнем снежного покрова.

В отличие от величины снегопереноса в теории зимнего содержания дорог используют величину снегоприноса.

Снегопринос- это количество снега, приносимого метелями к дороге в течение зимы. Объем снегоприноса обычно составляет только часть общего объёма снегоприноса. Между снегопереносом и снегоприносом существует зависимость

W_cд=W_n  sin, м³/м, где                                                                                                      (15.6)

W_cд- снегопринос к дороге, м³/м;

 - угол между направлением метелевого ветра и дорогой.

Имеется два основных способа определения объёма снегоприноса: способ расходов и способ балансов. Способ расходов, или суммарных приносов, разработанный Д.М. Мельниковым, заключается в следующем. Суммарное количество снега, принесённое к дороге с каждой её стороны в течение зимы -W_cд, равно сумме количеств снега, принесённых в течение всех метелей, дувших с данной стороны дороги. Количество снега, принесённое к дороге в течение одной метели, равно сумме количеств снега, который был принесен ветрами различных направлений в течение времени действия метели в данных направлениях. С учётом сказанного снегопринос к одной стороне дороги за год составляет (с использованием формулы15.3для определения полного твёрдого расхода метелевого потока):

, где                                                            (15.7)

_c- плотность снега в снежных отложениях у дороги, т/м³;

N- число случаев метелей в течение зимы;

m- число случаев изменения направлений, с которых дули ветры в каждую метель;

V_фi- скорость ветра по флюгеру во время метели, м/с;

_i- углы между направлением ветра и дорогой во время метелей;

t_Ki- продолжительность действия метелей в часах.

Для всех ветров определённого румба принимается один угол, средний для данного румба. Ветры со скоростью менее 6 м/с и дующие под углом менее 10° и ветры при положительных температурах не учитываются. Данные по ветровому режиму берут на ближайшей метеостанции за последние 10 лет и затем, пользуясь формулой (15.6), определяютW_cдза каждый год. Из полученных значений составляют статистический ряд и находят расчётную величину снегоприноса с заданной обеспеченностью:

где                                                                                                    (15.8)

- среднеарифметическое значение снегоприноса к данной стороне дороги за период 9- 15 лет, м³/м;

 - среднеквадратичное отклонение W_cдзаNлет, равное

t- коэффициент, принимаемый равным 1,5 для дорог II-IV категории и 2,0 - первой, т.е. соответственно учитывается 90 и 95-процентная обеспеченность.

Метод балансов основан на следующих исходных положениях. Для любой примыкающей к дороге ограниченной территории, называемой снегосборным бассейном, справедлив следующий баланс снежных масс:

W_n =W_o +W_c–W_и–W_в, где                                                                                                 (15.9)

W_n- остаток снега в бассейне в конце зимы, сохранившийся в виде снежного покрова;

W_o- снег, выпавший из облаков (твердые осадки);

W_c- принос снега извне ветром;

W_и- испарение и таяние;

W_в- вынос снега ветром за пределы бассейна.

Снегопринос к дороге W_cдравен выносу снега ветром за пределы бассейна, помноженному на синус угла между направлением ветра, несущего снег, и дорогой. Следовательно:

W_cд=W_вsin= (W_o+W_c–W_и-W_n)sin, м³/м, где                                                            (15.10)

 - угол между ветром и дорогой.

Ввиду большей сложности пользования методом балансов почти во всех случаях при практических расчётах пользуются методом расходов.

Значительное влияние на объём приносимого к дорогам снега оказывает ширина примыкающего снегосборного бассейна, которая не учитывается в формулах (15.4,15.5,15.7). Расчётные коэффициенты, позволяющие определить объём снегоприноса к участкам дорог с различной шириной примыкающего снегосборного бассейна, приведены в табл. 15.3.

Таблица 15.3

(Данные В.А. Пастернацкого)

Используя значения коэффициента ширины снегосборного бассейна, можно существенно уточнить объёмы снегоприноса конкретно на каждом участке с левой и правой стороны дороги в зависимости от фактической ширины снегосборного бассейна с каждой стороны.

Снегозаносимость дорог. Под снегозаносимостью понимают подверженность дорог образованию на них снежных заносов. Количественной характеристикой снегозаносимости является отношение количества снега, отложившегося на дорожном полотне, к общему количеству снега, принесённого метелями к дороге.

Снег из снеговетрового потока выпадает там, где по каким-либо причинам происходит снижение скорости потока и уменьшение транспортирующей способности в приземном слое. Если скорость потока перед преградой V₁, а за преградойV₂, причемV₁ >V₂, то уменьшение транспортирующей способности насыщенной метели за преградой составит

(15.11)

Эта часть переносимого снега выпадает из снеговетрового потока около преграды. Чем сильнее тормозится ветер над насыпью, выемкой или у какой-либо преграды, тем вероятнее снегоотложения. На принципе замедления скорости и уплотнения транспортирующей способности снеговетрового потока основана работа снегозадерживающих устройств.

Главнейшим фактором, от которого зависит снегозависимость дороги, является форма поперечного профиля и высота насыпи или глубина выемки. Чтобы обеспечить снегонезаносимость дороги, необходимо выполнить два основных требования к поперечному профилю: земляное полотно должно быть аэродинамически обтекаемым для ветра без образования вихревых зон; скорость ветра над всей поверхностью дороги должна быть достаточна для сдувания попадающего на неё снега. Возникающие около земляного полотна или преград зоны завихрения ветра оказывают тормозящее действие на движение приземного слоя снеговетрового потока и способствуют увеличению снежных отложений.

Дорога представляет собой препятствие, у которого возникает зона затишья, называемая ветровой и аэродинамической тенью.

Любые препятствия и неровности на поверхности земляного полотна и проезжей части могут вызвать снежные отложения. Поэтому нельзя допускать неправильной снегоочистки. Наличие снежных валов, колей, несвоевременное удаление снегопадных отложений, применение снегоочистителей с малой дальностью отбрасывания ухудшают обтекаемость дороги и усиливают её снегозаносимость. Снежным заносам способствуют бордюры, возвышающиеся над покрытием. Учитывая это, укрепленные полосы, устраиваемые для сопряжения разделительной полосы с проезжей частью, следует выполнять с поперечным уклоном, равным поперечному уклону проезжей части. Движущийся поток автомобилей по дороге во время метели также способствует снегоотложениям, поскольку автомобили представляют препятствие для снежноветрового потока. Кроме того, колеса автомобилей уплотняют снег, выдавливают его, образуя колеи и гребни, которые способствуют задержанию снега.

Классификация дорог (участков) по снегозаносимости. Критерием классификации участков дорог по снегозаносимости служит отношение количества снега, отложившегося на дорожном полотне, к общему количеству снега, принесенного метелями к дороге. Оценивать снегозаносимость количеством приносимого снега нельзя, так как снежные заносы - это отложившийся, а не приносимый снег. При одном и том же количестве приносимого снега на участках дорог с разным поперечным профилем и характеристикой прилегающей местности откладывается разное количество снега.

Количество метелевого снега, который может отложиться на дорогу за зимний период:

где                                                                                   (15.12)

Q_д- снегозаносимость участка дороги с правойQ_дпили левойQ_длстороны за зимний период, тыс. м³/м;

Q_c- максимальныйQ_cнили средний из максимальныхQ_cробъёмов снегоприноса за зимний период, тыс. м³/м;

Q_в- снегосборная способность подветренного откоса выемки, м³/м;

Q_к - снегосборная способность зарослей кустарников, м³/м.

Снегосборность подветренного откоса выемок Q_вв м³/м при заложении откосов 1:1,5Q_1,5рассчитывают по формуле

(15.13)

при заложении откосов 1:3 Q_3,0по формуле:

где                                                                                                                  (15.14)

h_в- глубина выемки, м.

Снегосборность зарослей кустарников Q_крассчитывают по формуле:

Q_к= 0,5Sh_к, где                                                                                                                   (15.15)

S- ширина кустарникового массива, м;

h_к- средняя высота кустарника, м.

Снегосборность существующих снегозадерживающих насаждений Q_нрассчитывают по формуле (14.11) (см. п.14.3).

По степени снегозависимости все участки дорог делят на снегонезаносимые и снегозаносимые.

К снегонезаносимымотносят участки дорог, пересекающие лесные массивы, а также сады и кустарники, если их ширина составляет не менее 100-250 м с каждой стороны дороги; проходящие в выемках глубиной более 8,5 м при годовом снегоприносе до 100 м³на 1 пог. м дороги; пересекающие крупные населённые пункты с застройкой по обеим сторонам дороги; участки насыпей высотой не меньше требуемой по снегонезаносимости. Снегозаносимые участки дорог делят на три категории (табл. 15.4).

Таблица 15.4

Примечания: 1. Данные таблицы относятся к заносимым участкам, проложенным по безлесной местности. 2. Незаносимые в безлесной местности насыпи высотойН_ни более, а также нераскрытые выемки, подветренный откос которых может вместить весь снег, откладывающийся при метелях и снегопадах. 3. Участки, проложенные через сплошные лесные массивы, не заносятся при любом поперечном профиле.

Канд. техн. наук В.А. Пастернацкий разработал методику оценки трудности зимнего содержания дороги (участка) в период метелей по показателю подверженности её снежным заносам К_с:

где                                                                                                                   (15.16)

К_с- показатель подверженности дороги (участка) снежным заносам с правой (К_сп) или левойК_слстороны дороги;

L_c- протяжённость снегозаносимого участка, км;

L_ф- протяжённость обслуживаемой дороги (участка) (1 км, мастерский или дорожный участок, ДРСУ и т.д.), км;

п- количество снегозаносимых участков с правой или левой стороны дороги наL_ф.

С учётом категорий снегозаносимости дорог при определении L_c для сильноснегозаносимых участков вводится коэффициент значимости 2, для среднезаносимых - 1 и для слабозаносимых - 0,5, на которые необходимо умножать их фактическую протяжённость при расчётеК_с.

Исходя из значений показателей К_сиQ_д, определяют степень подверженности дороги (участка) снежным заносам (табл. 15.5).

Таблица 15.5

В первую очередь мероприятия по защите дорог от снежных заносов проводят, если снегозаносимость дороги (участка) очень сильная по трём показателям - К_с,Q_дср,Q_дсн, во вторую очередь - по двум и т.д.

Районирование территории по условиям зимнего содержания дорог.

Широкий размах природно-климатических условий на территории России, от которых зависят характеристики (состояния дорог в зимний период и затраты дорожных организаций на их содержание, вызвали необходимость районирования территории страны по условиям зимнего содержания дорог.

Цель районирования состоит в обосновании планирования финансовых и материально-технических ресурсов для зимнего содержания дорог, разработке технических и организационных решений по защите дорог от снежных заносов и борьбе с зимней скользкостью, на дорогах, соответствующих природно-климатическим условиям разных районов. В результате исследований канд. техн. наук Г.В. Бялобжеского и А.А. Кунгурцева было разработано районирование территории по трудности снегоборьбы на автомобильных дорогах с разделением территории бывшего СССР на семь характерных зон [33].

В качестве основного признака районирования был принят объем снега, приносимого к дороге в зимний период. Дополнительно учитывалось влияние рельефа местности, продолжительность зимнего периода, количество снежных осадков за зиму, высота снежного покрова и другие климатические факторы.

После внесения некоторых коррективов это районирование было использовано при разработке районирования территории России по трудности снегоборьбы на автомобильных дорогах, в котором выделено пять характерных районов:

I - районы легкой снегоборьбы. Продолжительность снежного периода 60-100 суток, в отдельных местах до 160 суток в году. Скорость ветра при метелях, как правило, не превосходит 15 м/с, средняя многолетняя высота снежного покрова 15-20 см. Объёмы снегоприноса в большинстве случаев не превышают 25-50 м³/м, только в отдельных случаях доходят до 100 м³/м.

К районам легкой снегоборьбы относятся: Калининградская область, южная часть Республики Калмыкия, Краснодарский и Ставропольский края, республики Дагестан, Кабардино-Балкария, Чечня, Ингушетия, Северная Осетия, южные части Астраханской и Ростовской областей, Читинская и Амурская области, юго-западная часть Хабаровского края.

II - районы средней трудности снегоборьбы. Продолжительность снежного периода 100-160 суток, а в отдельных местах до 200 суток в году. Объём снегоприноса, как правило, не превышает 100-150 м³/м.

К районам средней трудности снегоборьбы относятся: Республика Карелия, Ленинградская, Псковская, Новгородская, Костромская, Вологодская, Смоленская, Брянская, Тверская, Ярославская, Владимирская, Московская, Ивановская области, южные части Республики Коми и Архангельской области, Кировская, Пермская, Волгоградская, Томская, Свердловская, Иркутская, Челябинская, Курганская области. Республика Удмуртия, Тюменская область (кроме Ямало-Ненецкого автономного округа), северные части Омской, Ростовской, Астраханской, Нижегородской и Калужской областей, северная часть Республики Калмыкия, Хабаровский край (кроме юго-западной части), республика Тува, Бурятия, Саха (Якутия) южнее Северного полярного круга, Приморский и Красноярский края (кроме юго-западной части и Таймырского автономного округа).

III- районы трудной снегоборьбы. Зимой преобладают сильные ветры и интенсивные метели. Снежные заносы образуются систематически часто большой толщины и плотности. Объемы снегоприноса достигают 250 м³/м, а в отдельных местах - 400 м³/м.

К районам трудной снегоборьбы относятся: центральная часть Архангельской области, Тульская, Орловская, Курская, Воронежская, Белгородская, Липецкая, Рязанская, Тамбовская, Пензенская области, республики Мордовия, Татарстан, Марий Эл, Чувашия, Башкортостан, Саратовская и Ульяновская области, южная часть Нижегородской, Омской и Калужской областей, южная часть Мурманской области, Новосибирская и Кемеровская области, юго-западная часть Красноярского края, Республика Алтай, центральная часть Республики Коми, юго-западная часть Магаданской области, южная часть заполярной территории Республики Саха (Якутия).

IV- районы очень трудной снегоборьбы. Ветры переносят зимой значительное количество снега, объёмы снегоприноса достигают 400-600 м³/м, в отдельных местах - 1000 м³/м. Отложения от интенсивных снегопадов или снежные заносы большой толщины систематически образуются на участках большого протяжения.

К районам очень трудной снегоборьбы относятся: Самарская и Оренбургская области, Алтайский край (кроме Республики Алтай), Сахалинская область, центральная часть Магаданской области, северные части Мурманской и Архангельской областей, северная часть Республики Коми, Камчатская область (кроме Корякского автономного округа, побережье Камчатского автономного округа и побережье Камчатского полуострова), центральная часть заполярной территории Республики Саха (Якутия), южная часть Ямало-Ненецкого автономного округа.

V - районы особенно трудной снегоборьбы. Продолжительность снежного периода составляет 220-240 суток, а в отдельных местах доходит до 300 суток в году. Скорость ветра при метелях нередко достигает 40-45 м/с, а число суток с метелями доходит до 120-130 за зиму при продолжительности отдельных метелей до 10 суток и более. Объём снегоприноса составляет до 1000 м³/м и более.

К районам особенно трудной снегоборьбы относятся: северная часть Ямало-Ненецкого автономного округа, Ненецкий автономный округ, Таймырский автономный округ, северная часть заполярной территории Республики Саха (Якутия), побережье Чукотского автономного округа в пределах Восточно-Сибирского, Чукотского и Берингова морей (включая Корякский автономный округ).