ВВЕДЕНИЕ
Дорожно-транспортный комплекс лесозаготовительной отрасли в настоящее время находится на сложном этапе развития, когда от преимущественного строительства новых лесовозных автомобильных дорог центр тяжести постепенно и неуклонно переходит к эксплуатации дорог, повышению их транспортно-эксплуатационных качеств, требований по уровню безопасности движения и пропускной способности в сложных погодно-климатических условиях. На первое место выдвигаются задачи повышения скорости, удобства и безопасности движения, инженерного оборудования и обустройства дорог, их архитектурно-эстетическое и защитное оформление и другие задачи, составляющие комплекс их транспортно-эксплуатационного содержания.
Реализация высоких скоростей движения на сложившейся сети дорог, особенно в зимний период, ставит перед дорожниками ряд сложных проблем, в частности, повышение активной и пассивной безопасности дорог с различными их планировочными и конструктивными решениями.
Для обеспечения высоких транспортно-эксплуатационных свойств дорог в зимний период и повышение безопасности в сложных погодных условиях отраслевые нормативные документы жестко регламентируют время, отводимое на ликвидацию последствий снегопадов и метелей. Выполнение этих требований также связано со значительным увеличением ресурсов.
Существующая практика назначения снегозащитных мероприятий не учитывает динамику изменения величины отложений снега у защитных устройств. Снегосборная и снегозадерживающая способности устраиваемой в различных районах временной снегозащиты обосновывается недостаточно вследствие чего существенно снижаются эффективность её работы и масштабы применений.
Одним из путей сохранения высоких транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог в зимний период является обеспечение дорожных организаций комплексом данных о расчётных характеристиках метелевой деятельности, позволяющим принимать оптимальные решения при мероприятиях по снегозащите и снегоочистке.
Актуальность рассматриваемой проблемы заключается в разработке высокоэффективных и безопасных технологий эксплуатации дорог в сложных погодно-климатических условиях, снижении негативного влияния опасных и особо опасных метеорологических явлений, к которым относятся интенсивные метели.
Цель работы. Повышение эффективности функционирования комплекса «водитель-автомобиль-дорога-среда» за счёт совершенствования организации борьбы со снегом на дорогах на основе региональных расчётных характеристик метелей.
Объектами исследований являлись процессы взаимодействия дорог с различными планировочными и конструктивными решениями и снегоот-ложениями на них.
Новизна полученных результатов. Научной новизной обладают: результаты теоретических исследований и обоснование рекомендаций к назначению мероприятий по снегозащите и снегоочистке дорог на основе параметров метелей; обобщённая модель взаимодействия комплекса ВАДС при прохождении метелей на состояние дороги и скорости движения автомобилей; аналитическая зависимость, определяющая численный показатель параметра процесса отложения снега; метод определения оптимальной снегозадерживающей способности защиты в зависимости от интенсивности движения.
Значимость для науки заключается в разработке метода определения количества метелевого снега, откладывающегося на дороге с различными их планировочными и конструктивными решениями; установлении зако-
номерности изменения в физических схемах обтекания снеговетровых потоков земляного полотна дорог; разработке алгоритмов и программ для
ЭВМ, реализующие предложенные математические модели.
Практическая ценность работы состоит в разработке метода
оптимизации борьбы со снегоотложениями на лесовозных автомобильных дорогах на основе региональных параметров метели, методики определения необходимой снегозадерживающей способности
снегозащитных устройств.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Обобщенная модель принятия оптимальных управляющих решений при организации снегоборьбы в условиях неопределенности отличающаяся от ранее известных учетом входных и выходных параметров дорожных и метеорологических факторов и позволяющая определять снегозаносимость дорог.
2. Аналитические зависимости, определяющие численные показатели изменения объема снгегоотложения на дорогах с различными планировочными и конструктивными решениями.
3. Методика для определения параметров мете левой деятельности.
4. Метод определения оптимальной снегозадерживающей способности в зависимости от различных планировочных и конструктивных решений и значимости дороги.
Достоверность полученных результатов обеспечена проведением в исследованиях научно обоснованных методов математической статистики и экономических расчетов, экспериментальными исследованиями и результатами внедрения.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях ВГЛТА (2000-2005 гг.).
Реализация работы. Разработанные программы средства повышения пассивной безопасности дорог внедрены в Центре дорожно-мостового
8
проектирования (г. Воронеж) при разработке проекта снегозащиты и мероприятий по зимнему содержанию дорог в Калужской области и переданы для использования в научно-исследовательской и учебной работе кафедры транспорта леса и инженерной геодезии.
Публикации. Результат диссертационной работы опубликован в трех
научных статьях и одной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 311 страницах компьютерного текста, иллюстрированного 64 рисунками и 79 таблицами.
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Методы определения характеристик метелевой деятельности: их достоинства и недостатки
1.1.1. Параметры, характеризующие воздействие метелей на автомобильные дороги. Источником образования снежных отложений на дорожном полотне являются снегопады и метели. Наиболее неблагоприятные условия для функционирования автомобильного транспорта и работы дорожной службы в зимний период создают метели, в течение которых к дороге приносятся значительные объемы снега, вызывающие снежные заносы большой толщины и плотности. Эффективная борьба со снегом на автомобильных дорогах возможна при знании количественных характеристик явлений, вызывающих снегоотложения [12,19,23,50,51,102,120].
В настоящее время в инженерной гляциологии для оценки метелевой деятельности и назначения мероприятий по снегоборьбе выделены и используются следующие параметры метелей: интенсивность снегопереноса, продолжительность отдельной метели и годовая суммарная продолжительность снегопереноса, объем снегопереноса, снегопринос, расчетный объем сне-гоприноса. Краткая характеристика перечисленных параметров приведена в таблица 1.1.
Таблица 1.1 - Параметры, характеризующие метелевую деятельность
Наименование параметра Краткая характеристика параметра
1 2
1. Интенсивность снегопереноса (удельный твердый расход) Количество снега, переносимого за единицу времени через единицу площади снего-ветрового потока /41,50/
10
Продолжение таблицы 1.'.
1 2
2. Продолжительность метели Период времени от начала до окончания ме-
3. Годовая продолжительность снегопереноса (годовая продолжительность метелей) Сумма продолжительности отдельных метелей, проходящих в течение зимнего периода [98]
4. Снегоперенос Количество снега, проносимого через единицу длины фронта, перпендикулярного направлению ветра при метели за определенное время [50,51]
5. Снегопринос (объем снего-приноса) Количество снега, приносимого к одной стороне дороги за зимний период [50,51]
6. Расчетный объем снего-приноса. Снегопринос с определенной обеспеченностью, полученный в результате статистической обработки данных о метелях за период не менее 10 лет [25]
Первые исследования переноса снега при метелях приходятся на конец предыдущего - начало нашего столетия. Наибольших результатов в изучении данного вопроса достигли отечественные ученые, что объясняется особенностями зимнего периода в России.
Большой вклад в становление инженерного снеговедения внесли Н.Е. Долгов [35, 36], Н.Н. Изюмов [55], В.В. Кузнецов [76] и Я.Х. Хргиан [132, 133].
Долгов Н.Е. предложил основанную на законах механики аналитическую теорию передвижения снежной частицы в зависимости от рельефа местности [35, 36].
Хргиан А.Х. сделал первую успешную попытку количественной оценки метелевых явлений, обобщив данные метелемерных наблюдений Н.Н. Изюмова и получив зависимость изменения интенсивности снегопереноса от скорости ветра [133].
В послевоенные годы исследования прошлого столетия процессов переноса и отложения снега при метелях проводились такими учеными, как
11
В.Н. Аккуратов, Г.В. Бялобжеский, А.К. Дюнин, Б.В. Иванов, А.А. Комаров, В.М. Котляков, А.А. Кунгурцев, Д.М. Мельник. Ими были получены эмпирические формулы для вычисления интенсивности снегопереноса, которые приведены в таблице 1.2.
Для обоснования количественной оценки переноса снега Мельник Д.М. выдвинул гипотезу, что интенсивность горизонтального переноса снежной массы пропорциональна энергии ветра и получил формулу (1.1), в которой С — коэффициент пропорциональности, полученный по результатам натурных наблюдений и равный 0,0129; Уф - скорость ветра на уровне флюгера, м/с. Наличие элементов случайности в процессе снегопереноса позволило рассматривать его как объект статистических исследований.
Иванов Б.В. по результатам своих наблюдений в условиях Западной Сибири и по данным Воденяпинской станции получил зависимости (1.2) и (1.3) для определения интенсивности переноса снега [54, 55].
Комаров А.А., обобщая метелемерные наблюдения ТЭИ ЗСФАН, вывел две эмпирические зависимости (1.4) и (1.5) [65, 67]. Формула (1.4) получена при обработке наблюдений в Западной Сибири, а формула (1.5) - в Заполярье.
Аккуратовым В.Н. проведены исследования, представляющие собой уточнение многолетнего ряда наблюдений И.К. Зеленого в Хибинах /49/, и получены зависимости средней (1.6) и максимальной (1.7) интенсивности переноса снега от скорости ветра при метелях [3].
Формула максимальных переносов снега (1.7) соответствует максимальной податливости снежного покрова, когда подстилающая поверхность покрыта рыхлым снегом.
Бялобжеский Г.В. предложил для расчетов эмпирическую формулу (1.8), в которой Qmax — максимально возможный твердый расход метелевого потока; В — опытная постоянная. [17].
12
Котляков В.М., исследуя метелевый перенос в Антарктиде, получил ряд формул для различных видов метелей в зависимости от твердости снежного покрова [75].
Таблица 1.2 - Эмпирические зависимости для вычисления интенсивности снегопереноса
Зависимости Номер формулы Размерность Кем предложена Примечания
(1.1) г/м-с Д.М. Мельник /94/
g=0,003-V2 (1.2) г/см2-с Б.В. Иванов /54/ Для условий Запад. Сибири
g=0,0712-(V/2,71-l)3 (1.3) м /м-ч Б.В. Иванов /54/ То же
g=0,0065V/'5-0,4 (1.4) г/см-мин А.А. Комаров/65, 67/ На основе обработки метелемерных наб-людений ТЭИ ЗСФАН
g=4420-L<4U/y> (1.5) г/м-с А.А. Комаров /65, 67/ То же
g=0,022-V2-0,05(V-l) (1.6) г/см2-мин В.Н Аккура-тов /3/ Уточнение многолетнего ряда наблюдений И.К. Зеленого в Хибинах
g=0,17-V2 (1.7) г/см -мин В.Н Аккура-тов /3/ То же
g=2/n-Qmaxarctg(B'Vs) (1.8) г/м-с Г.В. Бялоб-жеский/17/
g=0,0014-(Vr4,9)2 (1.9) кг/м с А.К. Дюнин /41/
g=0,02'Vi2-(l-4/Vi) (1.10) г/см-мин А.К. Дюнин /42/
g=0,255-(Vr2,7l/ (1.11) г/м-с А.К. Дюнин /43/
8=0,08'(Уф-5)3 (1.12) г/м-с А.К. Дюнин /51/
Дюниным А.К. в разное время был предложен ряд формул (1.9) -(1.11) для определения интенсивности снегопереноса [41,42,43]
13
Выполненное им сравнение результатов расчета, полученных по этим формулам, с данными натурных наблюдений позволило установить, что лучшую сходимость обеспечивает зависимость (1.10). При этом Дюнин А.К. отмечает, что твердый расход снеговетрового потока, рассчитанный с помощью формулы (1.10), очень близок к результатам, полученным с помощью формулы Мельника Д.М. Следовательно, при наличии данных о скорости ветра на высоте 1м целесообразно производить расчет по формуле (1.11), а при наличии данных о скорости ветра на уровне флюгера — по формуле (1.1) [41]. Позднее на основании результатов исследований о распределении скорости ветра на различных высотах им была получена формула (1.12) [51].
Анализируя графики твердого расхода, построенные с помощью различных расчетных формул, А.А. Комаров пришел к выводу, что формула Мельника Д.М. дает средние, по сравнению с другими зависимостями, результаты [64].
Обилие формул для расчета твердого расхода метелей можно объяснить недостаточной проработкой теоретического подхода к исследованию снеговетрового потока, а также бытовавшим мнением, что метели в различных районах имеют различные закономерности. Результаты сравнительных исследований, выполненных позднее Д.М. Мельником, А.А. Комаровым и В.Г. Хохловым, позволили установить, что метели подчинены общим закономерностям, вытекающим из природы аэродинамических процессов ветрового потока в приземном слое, и существенное различие параметров метелей в различных регионах страны объясняется особенностями их природно-климатических условий [93].
Данный вывод чрезвычайно важен для разработки методологии получения данных о параметрах метелевой деятельности, необходимых для организации снегоборьбы на автомобильных дорогах. Говоря иначе, для получения параметров метелевой деятельности могут быть использованы различные зависимости адекватно их описывающие, однако при этом обяза-
14
телен учет региональных особенностей природно-климатических условий в районе прохождения дороги.
Существенным недостатком многих из приведенных формул (см. таблицу 1.2) является то, что они не позволяют использовать данные многолетних измерений скорости ветра при метели, фиксируемой на сети метеостанций на уровне флюгера.
Количество переносимого снега - снегоперенос (Wnep) за время действия метелевого ветра (t) определенного направления определяется по формуле [61]
Wnep = gt. (1.13)
Наибольшее практическое применение из всех рассмотренных выше зависимостей нашла формула Мельника Д.М. (1.1). Она используется как Гидрометслужбой для количественной оценки переноса снега при метели [62], так и при назначении снегозащитных мероприятий на дорогах [61]. Ряд исследований показывают, что эта формула хорошо оправдывается в районах с различными природно-климатическими условиями [111, 112,128].
Борьба со снегом на автомобильных дорогах включает в себя снегозащиту, снегоочистку и защиту от снежных лавин. Защита от лавин актуальна для горных районов России [51]. Для организации защиты и очистки автомобильных дорог от снега важное значение имеют параметры метелей, дающие количественную оценку их воздействия на транспортные сооружения — снегопринос и расчетный объем снего-приноса. Существуют несколько способов определения расчетного объема снегоприноса, на основе данных о котором проектируются снегозащитные мероприятия на дорогах.
Наиболее простым способом определения расчетного объема снегоприноса является метод натурных обмеров. Он заключается в определении объема снегоотложений на снегомерных пунктах вблизи
15
снегозащиты. Снегомерные пункты располагают на характерных участках дорог. Объем снегоприноса при этом определяется по формуле [83, 115, 120]
Wn = Womi-Kt, (1.14)
где Wn - объем снегоприноса, м3/м; Wom\ - объем снегоотложений у i-ro типа защиты, м3/м; Kt - коэффициент перевода снегоотложений у снегозащиты в объем снегоприноса.
Несмотря на простоту, метод натурных обмеров имеет существенные недостатки. Наблюдения ряда исследователей дают различные значения К, [50, 103, 115, 120], что создает сложности при его применении. Чтобы захватить максимум объема снегоприноса А.А. Кунгурцев рекомендует проводить измерения в течение достаточно длительного периода (от 7 до 21 года), что не позволяет использовать метод при проектировании дорог и в течение первых лет эксплуатации новых дорог. Метод требует организации большого количества снегомерных пунктов, и постоянной фиксации результатов измерения снегоотложений, что трудно выполнимо.
Метод аналогии близок к способу натурных обмеров. Он основан на положении, что процентное соотношение объемов снегоприноса на соседних участках дороги в различные годы постоянно [120]. Имея измерения объема снегоприноса за необходимое количество лет на снегомерном пункте, принимаемом за аналог, можно определить объемы для других, расположенных поблизости участков дороги. Для этого на близлежащих участках необходимо произвести измерения объема снегоотложений у защиты в течение 1-2 лет, пользуясь методом натурных обмеров. Затем определяется отношение объемов снега за этот период и рассчитываются объемы снегоприноса за все годы, в течение которых производились наблюдения на поперечнике-аналоге. Метод аналогии позволяет уменьшить число снегомерных пунктов и снизить объем измерений. Он частично уменьшает недостатки способа натурных обмеров, но не устраняет их полностью.
16
Расчетный метод определения объема снегоприноса основан на учете процента сноса снега в снегосборном бассейне, где за зиму часть осадков сохраняется. Метод предложен П.И. Сарсатских [84]:
^ (1.15)
где L - и длина бассейна снегосноса, которую приближенно принимают 1000 м; h — толщина снежного покрова в данной местности по данным метеостанции, м, А. - толщина слоя снега, задерживаемого микрорельефом местности (для средних условий - 0,05-0,07м); А - длина участка, для которого определяется объем снегосноса, м (обычно принимается равным 1); а, Ь, с - количество снега, задерживаемого местными препятствиями в пределах бассейна снегосноса и вычисляемого по призмам снегоотложений у этих препятствий м3; к - процент снегосноса принимается для северных районов Европейской территории России - 50, для западных —30, для центральных - 40 и для юго-восточных - 80.
К расчетному методу можно отнести также ряд зависимостей, полученных Комаровым А.А. [67, 68], Гришиным И.С. [30], Ефимовым М.К. [45].
Существенным недостатком зависимости (1.15) и аналогичных ей является то, что они не учитывают неравномерность снегоприноса к разнонаправленным участкам автомобильных дорог.
Расчетный метод не нашел широкого применения, поскольку требует знания коэффициента снегосноса в различных условиях и для различных районов.
Метод балансов, разработанный А.К. Дюниным, основан на применении для расчетов формулы (1.11).
Z
b
уЛХ
17 |
