Теория переноса и отложения снега, методы расчета снегопереноса, виды снегоотложений

Зимний период года является са­мым сложным для эксплуатации до­рог и организации движения. Про­должительность его колеблется от 20 сут в южных районах до 260 сут в северных. Зимние условия характер­ны короткой светлой частью суток, низкой температурой воздуха, сне­гопадами и метелями, формирую­щими снежные отложения, а также зимней скользкостью. Различают несколько типов снежно-метелевых яв­лений.

Спокойный снегопад (снегопад) - вы­падение снега из облаков без сдувания и переноса ветром. Спокойный снегопад наблюдается при скорости ветра до 2-3 м/с. Толщина слоя, выпадающего за один снегопад, ча­ще всего составляет 1-5 см. Иногда за один снегопад выпадает 6-15 см, в редких случаях-16-35 см. В гор­ных районах иногда за один снего­пад образуется слой толщиной до 1 м. Свежевыпавший сухой рыхлый снег имеет плотность от 0,07 до 0,12 г/см³; если выпадает влажный или мокрый снег, его плотность мо­жет достигать 0,2-0,25 г/см³.

Верховая метель-снегопад при ветре, когда снег переносится в слое воздуха высотой до 100 м.

Низовая метель - перенос частиц ранее выпавшего снега без выпаде­ния снега из облаков. Разделяется на поземку - перенос частиц снега под­нятием над уровнем снежного по­крова до 30 см, и на собственно низовую метель - переносимые час­тицы снега поднимаются на высоту до 10 м.

Общая или двойная Метель - соче­тание низовой и верховой метели, когда одновременно переносится вы­падающий из облаков снег и части­цы ранее выпавшего снега. Это са­мые неблагоприятные для зимнего содержания условия.

Зоны по трудности снегоборьбы	Продолжительность периода, сут	Количество твердых осадков зимой, мм	Высота снежного покрова, см	Объем снегоприноса, мэ/м
в среднем	максимальный в отдельных местах
I	10-60	20-40	_	10-15	40-50
II	40-100	45- 115	15-25		40-50
III	100-180	50-200	23-70
IY Y	100-180	115-205	30-74
140-205	75-150	26-116
VI	165-260	85 195	17-48	600-1000
VII		Горные районы (перевальные участки)

Метелевые отложения, называе­мые снежными заносами, имеют большую толщину и плотность. На участках с нулевыми отметками и малыми насыпями толщина метелевых отложений составляет 0,6—1 м. Мелкие выемки заносятся полностью, а в глубоких выемках толщина от­ложений может доходить до 5-6 м. Плотность снега в снежных заносах 0,25-0,35 г/см³.

В результате исследований, вы­полненных кандидатами техн. наук Г. В. Бялобжеским и А. А. Кунгурцевым, территория страны раз­делена на семь основных зон по трудности снегоборьбы на автомо­бильных дорогах. Характерные кли­матические характеристики зимнего периода в этих зонах приведены в табл.

По уровню зимнего содержания все дороги делят на три группы: дорогис чистой проезжей частью, с чистой серединой проезжей части и с уплотненным снегом. Требования к уровню зимнего содержания каждой дороги устанавливают на основе технико-экономических расчетов с

учетом оснащенности дорожной служ­бы машинами для зимнего содержа­ния дорог.

Комплекс мер по зимнему содержанию включает:

1) профилактические меры, цель которых предупредить или максималь­но ослабить образование снежных и ледяных отложений на дороге (умень­шение снегозаносимости дорог, профилактическая обработка покрытий химическими противогололедными

веществами и др.);

2) защитные меры, с помощью ко­торых преграждают доступ к дороге снега и льда, поступающего с при­легающей местности (защита от метелевого переноса, снежных лавин, наледного льда). Главным критери­ем качества снегозащиты считают полное исключение отложений метелевого снега на дорогах с тем, чтобы для патрульной снегоочистки оставалось только удаление снега, выпадающего во время снегопадов;

3) меры по удалению уже возник­ших снежных и ледяных отложений (очистка дорог от снега и льда), а также по уменьшению их воздейст­вия на автомобильное движение (по­сыпка обледеневшей поверхности до­роги фрикционными материалами).

Особое место в указанном комплексе принадлежит очистке дорог от снежных отложений и ликвидации зимней скользкости. На всех доро­гах патрульную снегоочистку начинают немедленно после начала сне­гопада и заканчивают после полного удаления снега с покрытия или пос­ле того, как достигнута допустимая толщина рыхлого снега. Борьбу с гололедом и зимней скользкостью начинают с момента их образования и обнаружения и ведут до полной ликвидации. Как правило, расчистку дорог от выпадающего и приноси­мого к ней снега необходимо произ­водить на полную ширину земля­ного полотна, а ликвидацию скользкости на ширину проезжей части и краевых укрепленных полос.

Теория переноса и отложения снега. Главным источником снежных от­ложений на дороге является снегоперенос, вызванный метелями, теория которых разработана трудами профессоров А. К. Дюнина, А. А. Комарова, Д. М. Мельника, канд. техн. наук Г. В. Бялобжеского и других. Ветром 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 до 2 мм, но 90% их размером 0,1-0,25 мм. Масса переносимых частиц колеблется от 0,0001 до 0,005 г. Они могут подниматься только до определенной высоты - потолка взвешивания. Крупные, тяжелые снежинки перемещаются скачкообразно по поверхности снежного по крова. Такое движение называют сальтацией.

Снегоперенос рыхлого снега начи­нается при скорости ветра более 3—5 м/с, когда мелкие частицы снега размером 0,2-0,5 мм смешиваются c приземным воздухом и образуют турбулентный снеговетровой поток. Выпадающие из этого потока частицы разрушают снежную поверхность, способствуя дополнительному питанию снежинками снеговетрового потока.

При низовой метели основная масса снега переносится в приземном слое высотой 1,5-2,0 м, причем около 90% переносится на высоте 10-20 см. Количество снега, переносимого низовой метелью, определяется транспортирующей способностью, которая оценивается удельным твердым расходом метели.

Удельный твердый расход, или интенсивность переноса метели - масса снега, пере­носимого в единицу времени через единицу площади вертикальной плос­кости, перпендикулярной направле­нию снеговетрового потока. Интен­сивность переноса измеряют в грам­мах на квадратный метр в секунду или в кубических метрах на метр в час (т.е. на 1 м фронта метели).

В общем виде эта зависимость описывается формулой Д. М. Мель­ника (м³/м-ч)

(10.1)

где С-коэффициент пропорциональ­ности, размер которого зависит от плот­ности снега в метелевых сугробах; V_ф— скорость ветра на высоте флюгера (т.е. на высоте 10-15 м), м/с.

Для большей части европейской территории СССР, где плотность снега равна 0,25 т/м³, коэффициент пропорциональности С = 0,00031; для Сибири, Казахстана, востока и юго-востока европейской части СССР С = 0,00026.

Метелевый поток может быть на­сыщенным и ненасыщенным.

Насы­щенный - ветровой поток переносит количество снега, соответствующее его максимальной транспортирую­щей способности, ненасыщенный -масса переносимого снега меньше предела насыщения. Для того чтобы поток стал насыщенным, необходим определенный путь разгона метели, или длина разгона метели. Для вер­ховой метели

(10.2)

L_p =86,4Умах/i,

где Умах- максимальный твердый рас­ход снеговетрового потока;

i - интенсив­ность снегопада, мм/сут.

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, или общим, расходом (г/м²с)

W₀ = 0,08(V_ф-5)³. 10.3)

Переносом снега (снегопереносом) называют массу или объем снега, перенесенного за время t,

W_n= It = CV³_фt 0.4)

Масса снегопереноса имеет раз­мерность граммы на квадратный метр, а объем снегопереноса-куби­ческие метры на метр.

В отличие от размера снегопере­носа в теории зимнего содержания дорог используют значение снегоприноса.

Снегопринос - количество снега, при­носимого метелями к дороге в те­чение зимы. Объем его обычно со­ставляет только часть общего снего­переноса. Существуют два основных способа определения объема снегоприноса: способ расходов и способ балансов. Способ расходов, или сум­марных переносов, впервые разра­ботанный Д. М. Мельником, заклю­чается в следующем. Суммарное ко­личество снега, перенесенное к доро­ге с каждой ее стороны в течение зимы W_c._a, равно сумме количества снега, принесенного в течение всех метелей, дувших с данной стороны дороги. Количество снега, принесен­ное к дороге в течение одной метели, равно сумме снега, который был принесен ветром различных направ­лений в течение действия метели в данных направлениях. С учетом ска­занного снегопринос к одной сторо­не дороги за год составляет [с ис­пользованием формулы (10.3) для определения полного твердого рас­хода метелевого потока]

(10.5)

где N - число случаев метелей в тече­ние зимы;

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

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

α - углы между направлением ветра и дорогой во время метелей;

C_ki - продолжительность действия метелей, ч;

γ_с—плотность снега в снежных отложениях у дороги.

Для всех ветров определенного румба принимают один угол а, сред­ний для данного румба.

Ветер со скоростью менее 6 м/с, дующий под углом менее 10°, и ветры при положительных температу­рах, не учитывают.

Данные по вет­ровому режиму берут на ближайшей метеостанции за последние 10 лет и затем, пользуясь формулой (10.5) определяют W_сд за каждый год. Да­лее составляют статистический ряд и находят расчетный снегопринос заданной обеспеченности

W_p = W_c._a + σt, (10.6)

где W_сд -среднеарифметическое зна­чение снегоприноса к данной стороне дороги за 9-15 лет, м^э/м; σ - среднее квадратичное отклонение W_сд за N лет,

равное

t – коэффициент, равный 1,5 для дорог II -IV категорий и 2,0-для дорог I категории, т.е. соответственно учитывается 90%-ная и 95%-ная обеспеченность.

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

W_п=W_о+-W_с-W_и-W_в, (10.7)

где 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_B — вынос снега ветром за пределы бассейна.

Снегопринос к дороге W_cд равен выносу снега ветром за пределы бас­сейна, помноженному на синус угла между направлением ветра, несуще­го снега, и дорогой:

(10.8)

где α - угол между ветром и дорогой, град.

Ввиду большой сложности метода балансов почти во всех случаях при практических расчетах пользуются методом расходов.

Упрощенный метод расчета снегоприноса:

Количество снега, переносимое метелями к дороге в течение зимы, называют объемом снегоприноса. Он обычно составляет некоторую часть общего объема снега, участвующего в переносе и называемого объемом снегопереноса. Объем снегопереноса и снегоприноса принято измерять в м³ на 1м протяжения дороги.

Между снегопереносом W и снегоприносом W существует зависимость:

W = W *sin a, (1)

где a – угол между направлениями метелевого ветра и дорогой.

Объем снегоприноса на всех участках дороги с каждой стороны определяют по упрощенному методу (3). Условно считают, что общий объем снегоприноса распределяется по направлениям в том же соотношении, что и число случаев повторяемости ветра.

Объем снегоприноса, но каждому направлению составляет:

q = λ *Q, (2)

где λ – доля ветров данного направления по зимней розе ветров;

Q – общий объем снегопереноса на 1 п.м., м³.

λ = ∑ n / N, (3)

где ∑ n – сумма повторяемости ветров по i-му направлению;

N – число зимних месяцев.

Определив объем снегоприноса по каждому направлению, производят расчет снегоприноса за весь зимний период с каждой стороны дороги. Для этого зимнюю розу ветров с направлением оси рассматриваемого участка, другими словами, румб участка дороги совмещают с румбом розы ветров (рис. 1) по направлению оси рассматриваемого участка. Снегопринос определяют с правой и левой стороны дороги по формулам:

Qл = q * sin γ ; (4)

Qп = q * sin γ , (5)

где Qл, Qп – снегопринос с левой и правой стороны дороги, м³/п.м;

q , q – снегопринос с левой и правой стороны по соответствующим румбам;

γ – угол между рассматриваемым румбом и направлением дороги.

Все виды снежно-ледяных отложений, образующихся на дорожном покрытии, по внешним признакам подразделяют на рыхлый снег, снежный накат, стекловидный лед. Определяют каждый вид скользкости по следующим признакам:

Рыхлый снеготкладывается на дорожном покрытии в виде ровного по толщине слоя. Плотность свежевыпавшего снега может изменяться от 0,06 до 0,20 г/см³. В зависимости от содержания влаги снег может быть сухим, влажным и мокрым. При наличии слоя рыхлого снега на дорожном покрытии коэффициент сцепления шин с покрытием снижается до 0,2.

Снежный накат представляет собой слой снега, уплотненного колесами проходящего автотранспорта. Он может иметь различную толщину - от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров - и плотность от 0,3 до 0,6 г/см³. Коэффициент сцепления шин с поверхностью снежного наката составляет от 0,1 до 0,25.

Стекловидный лед появляется на покрытии в виде гладкой стекловидной пленки толщиной от 1 до 3 мм и изредка в виде матовой белой шероховатой корки толщиной до 10 мм и более. Отложения стекловидного льда имеют плотность от 0,7 до 0,9 г/см³, а коэффициент сцепления составляет от 0,08 до 0,15. Этот вид зимней скользкости является наиболее опасным. Отложения льда в виде матово-белой корки имеют плотность от 0,5 до 0,7 г/см³.

Для организации работ по борьбе и предотвращению образования зимней скользкости необходимо учитывать ее вид, погодные условия, предшествующие и сопутствующие образованию скользкости, и тенденцию их изменения.

2.2. Отложения рыхлого снега на дорожном покрытии образуются при выпадении твердых осадков в безветренную погоду. Сохранение снега в рыхлом состоянии наиболее вероятно при температуре воздуха ниже -10 °С, так как при низких температурах воздуха процесс уплотнения снега автотранспортом замедляется, а при температуре воздуха от -6 ° до -10 °С снег не будет уплотняться при относительной влажности воздуха менее 90 %.

2.3. Образование снежного наката происходит при наличии влажного снега на дорожном покрытии под действием автомобильного транспорта и определенных метеорологических условиях. Наибольшая вероятность образования снежного наката происходит при следующих погодных условиях:

- выпадение снега при темпер-е воздуха от -0 ° до - 6 °С;

- при температуре воздуха от -6 ° до - 10 °С образование снежного наката происходит при влажности воздуха выше 90 %;

- при положительных температурах снежный накат образуется при высокой интенсивности снегопада (более 0,6 мм/ч), при которых снег не успевает растаять на покрытии и легко уплотняется транспортными средствами.

2.4. Образование стекловидного льда может иметь различные причины и возможно при различных погодных условиях.

2.4.1. Замерзание влаги, имеющейся на дорожном покрытии, при резком понижении температуры воздуха. Такой вид обледенения называют гололедицей. Источниками увлажнения покрытия могут быть дождь, тающий снег, снег с дождем, выпадающие при положительных, но близких к нулю температурах воздуха, а также влага, оставшаяся после обработки дорожного покрытия противогололедными материалами. Процессу образования скользкости в этом случае предшествуют следующие погодные условия:

- устойчивое повышение атмосферного давления на фоне выпадающих осадков;

- установление ясной, безоблачной погоды после прекращения выпадения осадков;

- пониженная относительная влажность воздуха;

- понижение температуры воздуха от положительных значений до отрицательных.

Образование скользкости наиболее вероятно при температуре воздуха от -2 ° до - 6 °С, относительной влажности воздуха от 65 до 85 %. Так как процесс образования скользкости идет на фоне устойчивого понижения температуры воздуха, для организации работ по ликвидации скользкости необходимо иметь прогноз отрицательной температуры на ближайшее время. Для этих случаев образования стекловидного льда температура дорожного покрытия всегда выше температуры воздуха в силу тепловой инерции дорожной конструкции.

2.4.2. Конденсация и замерзание влаги из воздуха на сухой поверхности дорожного покрытия при его температуре ниже точки росы*⁾ и, одновременно, ниже точки замерзания влаги. Такой вид обледенения называют и «черный лед», изморозь или иней. Процессу образования скользкости в этих случаях сопутствуют и предшествуют следующие погодные условия:

- ясная морозная погода (полное отсутствие облачности);

- отсутствие ветра;

- высокая относит влажность воздуха, близкая к 100 %.

*) Точка росы - температура, при которой содержащийся в воздухе водяной пар достигает насыщения и конденсируется на предметах.