Обґрунтування об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг з урахуванням регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний

автомобільно-дорожній університет

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ОБ'ЄМІВ СНІГОПРИНОСУ ДО

АВТОМОБІЛЬНИХ ДОРІГ З УРАХУВАННЯМ РЕГІОНАЛЬНИХ

ОСОБЛИВОСТЕЙ СНІЖНО-ХУРТОВИННОГО РЕЖИМУ

Догадайло Олександр Олександрович

УДК 625.768.5

Спеціальність: 05.22.11 - Автомобільні шляхи та аеродроми

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі будівництва та експлуатації автомобільних доріг

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Прусенко Євген Дмитрович Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри будівництва та експлуатації автомобільних доріг

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Савенко В'ячеслав Якович, Національний транспортний університет (м. Київ), завідувач кафедри будівництва та експлуатації автомобільних доріг; кандидат технічних наук, доцент Шаповалов Альберт Леонідович Харківський національний автомобільно-дорожній університет, доцент кафедри вишукувань та проектування доріг

Провідна установа: Харківська державна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 19 вересня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського, 25

Автореферат розісланий 16 серпня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор О.П. Алексєєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

автомобільний дорога сніг захист

Актуальність роботи. Ефективність роботи автомобільного транспорту в значній мірі залежить від стану проїзду по дорогах в зимовий період. На незахищених ділянках доріг хуртовини призводять до утворення на проїзній частині снігових заметів. Останні викликають суттєве зниження швидкості руху транспорту, а іноді проїзд перекривається зовсім. Внаслідок погіршення проїзду по автомобільних дорогах в зимовий період народне господарство України несе значні соціально-економічні збитки.

Аналіз існуючих методів визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг показує, що в них не враховано регіональні умови переносу снігу та формування снігових відкладень. Це призводить до помилок при визначенні об'єму снігоприносу до автомобільних доріг, неправильного вибору снігозатримуючих засобів і схем їх розміщення.

Оскільки протяжність снігозаносних ділянок автомобільних доріг досить значна, то питання проектування більш ефективних, і одночасно економічних засобів снігозахисту, має велике практичне значення. Вирішення цієї складної задачі можливе на основі удосконалення методу визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг з урахуванням регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму. Більш достовірні значення розрахункових об'ємів снігоприносу дозволять підвищити надійність снігозахисних заходів, ефективніше використовувати землю у смузі відводу дороги, забезпечити безперебійний рух автомобільного транспорту, підвищити безпеку руху.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності до плану науково-дослідних робіт Української державної корпорації по будівництву, ремонту та утриманню автомобільних доріг “Укравтодор” на 2001 рік, договір № 81-19-01 “Розробити комплексну програму вдосконалення зимового утримання автомобільних доріг” (реєстр. № 0101U005187) та держбюджетної науково-дослідної роботи ХНАДУ на 2002 рік “Удосконалення будівництва та експлуатації автомобільних доріг” п. 2.9.

Метою роботи є удосконалення методу визначення розрахункових об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг на основі аналізу та уточнення закономірностей переносу снігу та формування снігових заметів з урахуванням регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму доріг.

Задачі досліджень

1. Визначення закономірностей розвитку хуртовин, переносу снігу та формування снігових відкладень біля автомобільних доріг в залежності від температури повітря та вологості снігу.

2. Удосконалення методу визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг.

3. Визначення розрахункових об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг в різних регіонах України.

4. Розробка рекомендацій по корегуванню систем снігозахисту автомобільних доріг в різних регіонах України.

Об'єкт дослідження - процеси формування снігових відкладень біля автомобільних доріг під час хуртовин.

Предмет дослідження - об'єми снігоприносу до автомобільних доріг з урахуванням особливостей їх сніжно-хуртовинного режиму.

Методи дослідження. Процеси снігопереносу та формування снігових відкладень досліджували методами натурних спостережень з використанням хуртовиномірів. Швидкість під час хуртовин досліджували за стандартними методиками з використанням анемометрів. Щільність снігових відкладень визначали ваговим методом, вологість снігу - методом калориметрії. Для обґрунтування розрахункових об'ємів снігоприносу використано метод математичного моделювання на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

· встановлено закономірності розвитку хуртовин, переносу снігу та формування снігових відкладень біля автомобільних доріг в залежності від температури повітря та вологості снігу під час хуртовин;

· отримано нові експериментальні дані про процеси формування снігових відкладень біля снігозахисних споруд та їх зміну на протязі зимового періоду;

· уточнено метод визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг на основі врахування фізико-механічних властивостей снігу під час хуртовин.

Практичне значення одержаних результатів:

· розроблено рекомендації по корегуванню систем снігозахисту автомобільних доріг в залежності від регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму доріг;

· розроблений метод визначення розрахункових об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг та рекомендації є складовою частиною “Комплексної програми удосконалення зимового утримання автомобільних доріг загального користування України” та проекту “Єдиних правил зимового утримання автомобільних доріг загального користування”. Метод використано в курсовому проектуванні з дисципліни “Експлуатація автомобільних доріг” та дипломному проектуванні в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті;

· уточнення розрахункових об'ємів снігоприносу дозволяє підвищити надійність систем снігозахисту автомобільних доріг, забезпечити безперервність руху під час хуртовин, зменшити витрати на снігоочищення доріг, транспортні витрати та збитки від ДТП;

· з використанням методу здійснено корегування схем снігозахисту на ділянках доріг в Харківській області загальною довжиною 63 км. Економічний ефект від впровадження результатів досліджень становить 96,4 тис. грн.

Особистий внесок здобувача:

· за результатами експериментальних досліджень визначено закономірності розвитку хуртовин, переносу снігу та формування снігових відкладень в залежності від температури повітря та вологості снігу;

· запропоновано коефіцієнти корегування об'ємів снігоприносу з урахуванням регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму доріг;

· визначено значення розрахункових об'ємів снігоприносу в різних регіонах України.

Дисертація містить лише ті наукові результати, які були отримані особисто дисертантом. Постановка задач і обговорення результатів дослідження виконані спільно з науковим керівником.

У наукових публікаціях із співавторами особистий внесок здобувача полягає в обґрунтуванні принципів визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг з урахуванням регіональних особливостей їх сніжно-хуртовинного режиму [1,2,5], удосконаленні схем захисту доріг від снігових заметів з урахуванням особливостей процесів переносу снігу в регіонах з м'якими зимами [6,7], розробці алгоритму розрахунку для автоматизованого прогнозування об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг [9,10].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях: “Snow Engineering: Recent Advances and Development” (Тронхейм, Норвегія, 2000 р.); “Dynamics of Civil Engineering and Transport Structures and Wind Engineering” (Віхне, Словаччина, 2000 р.); “Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже 3-го тысячелетия” (Харків, 2000 р.); “Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві” (Київ, 2001 р.); Всеросійській науково-технічній конференції “Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса России” (Сочі, Росія, 1999 р.), а також на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ХНАДУ (1999-2001 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 наукових робіт, в тому числі 5 - статті в журналах та збірниках наукових праць (з них 4 у фахових виданнях за переліком ВАК України) та 5 - доповіді на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 107 найменувань, 2 додатків. Загальний обсяг дисертації 138 сторінок. Основна частина роботи викладена на 117 сторінках і містить 22 рисунків і 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено основні наукові результати, що отримані автором, визначено їх практичне значення та реалізацію.

У першому розділі виконано аналіз умов експлуатації автомобільних доріг в зимовий період, розглянуто особливості кліматичних умов регіонів з м'якими зимами, здійснено огляд та аналіз сучасних уявлень про процеси переносу снігу хуртовинами, проведено аналіз методів визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг.

Забезпечення надійного снігозахисту автомобільних доріг прямо зв'язане з точністю прогнозування об'ємів снігоприносу. Дослідженню механіки хуртовин та розробці методів визначення об'ємів снігоприносу присвячені роботи Г.І. Баренблатта, Г.В. Бялобжеського, М.А. Вєлєканова, Н.Є. Долгова, А.К. Дюніна, Н.Є. Жуковського, А.А. Комарова, А.А. Кунгурцева, І.Г. Легченко, Д.М. Мельника, В.Я. Савенка, М.Д. Хаскінда, С.А. Чаплигіна й ін. Основи теорії снігопереносу розроблені з урахуванням польових спостережень в умовах Сибіру, Крайньої Півночі Росії і півночі Казахстану. Для цих районів характерними рисами сніжно-хуртовинного режиму є низькі температури повітря і сильний вітер, що переносить сухий сніг. У кліматичних умовах України закономірності снігопереносу мають ряд особливостей (більш висока температура і вологість повітря, часті відлиги і зимові дощі і т.п.), які необхідно враховувати в теорії хуртовин і практиці снігозахисту.

Деякі особливості формування сніжних заметів і снігозахисту доріг України були досліджені в галузевій науково-дослідній лабораторії зимового утримання доріг ХНАДУ В.М. Сіденко, Е.В. Гавриловим, В.О. Коломійцем, С.Г. Миховичем, Є.Д. Прусенко.

Аналіз літературних джерел виявив, що особливостям переносу снігу та поведінки сніжних відкладень при високих температурах повітря в дослідженнях приділено недостатньо уваги.

Незважаючи на значний розвиток механіки хуртовин, теоретичні дослідження, виконані у цьому напрямку, не знайшли належного застосування у практиці захисту автомобільних доріг від снігових заметів. Це пов'язано із великою складністю теоретичних моделей та залученням до них цілого ряду показників, які постійно змінюються і точне значення яких отримати надто складно. Більш перспективним напрямком, який знайшов застосування в інженерній практиці, є визначення інтенсивності переносу снігу під час хуртовин з використанням даних спостережень на мережі метеорологічних станцій. Метод витрат, запропонований Д.М. Мельником, оснований саме на залежності інтенсивності переносу снігу від швидкості вітру під час хуртовини.

У виконаних дослідженнях є деяка неузгодженість вивчення різних складових елементів сніжно-хуртовинного режиму автомобільних доріг. Хуртовинний режим територій в метеорології і кліматології вивчається без ув'язки з об'ємами перенесеного снігу. Удосконалення конструкцій снігозатримувальних засобів та схем їх розміщення виконується без відповідної ув'язки з особливостями хуртовинного режиму. Поведінка сніжних відкладень, сформованих засобами снігозахисту, систематично не досліджувалась. Властивості снігу в опадах, сніговому покриві чи властивості окремих частинок снігу майже не враховані в механіці хуртовин.

Більша частина території України належить до регіонів з так званими м'якими зимами. Найважливішою відмінністю м'яких зим від зим у регіонах з більш суворим кліматом, яка визначає всі інші, є дещо вищі температури повітря. Такі властиві для м'яких зим явища, як часті відлиги, переважання долі циклонічних загальних хуртовин, випадіння вологого чи мокрого снігу, зимові дощі й ін. мають суттєвий вплив на сніжно-хуртовинний режим автомобільних доріг. При температурах повітря від -5°С до 0°С сніг може набувати різних значень вологості, що суттєво впливає не лише на стан та властивості снігу в опадах та покриві, але і на процеси переносу снігу хуртовинами. Окрім того сніжні відкладення, зібрані засобами снігозахисту, під впливом більш високих температур повітря на протязі усього зимового періоду ущільнюються більш інтенсивно. Часті та тривалі відлиги з високими температурами повітря призводять до повного танення снігу не лише в снігозбірних басейнах, а і у відкладеннях, сформованих снігозахистом.

Таким чином, виникає необхідність обґрунтування обсягів снігоприносу до автомобільних доріг з урахуванням регіональних особливостей їх сніжно-хуртовинного режиму.

У другому розділі наведено теоретичне обґрунтування удосконалювання методу визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг, проаналізовано особливості переносу снігу хуртовинами при відносно високих температурах повітря, визначено основні фактори, що обумовлюють поведінку сніжних відкладень, сформованих снігозахисними спорудами вздовж автомобільних доріг, на протязі всього періоду їх залягання, обґрунтовано необхідну точність при визначенні об'ємів снігоприносу.

Запропоновано розрізняти об'єми снігоприносу для територій і об'єми снігоприносу до дороги. Об'єм снігоприносу для території - це максимально можливий об'єм снігу, принесений хуртовинами зі снігозбірного басейну необмеженої ширини позбавленого перешкод, що затримують сніг. У дійсності ж частина снігу затримується в снігозбірних басейнах різними перешкодами. Крім цього кількість принесеного снігу може зменшуватися через малу ширину снігозбірного басейну. Об'єм снігоприносу для дороги дорівнює об'єму снігоприносу для території за винятком об'єму снігу, затриманого в снігозбірному басейні.

Об'єми снігоприносу для території характеризують місцеві особливості сніжно-хуртовинного режиму і знаходять застосування при районуванні. Об'єми снігоприносу для дороги є основою для проектування і призначення снігозахисту.

Розроблена структурна схема визначення розрахункових об'ємів снігоприносу охоплює основні елементи сніжно-хуртовинного режиму автомобільних доріг у регіонах з м'якими зимами (рис. 1). Об'єм снігоприносу є функцією, як метеорологічних факторів, так і місцевих умов у снігозбірному басейні. Основним метеорологічним фактором, що обумовлює горизонтальний перенос снігу, є вітер. Однак на цей процес посередньо впливають також супутні метеорологічні і топографічні фактори: стан поверхні сніжного покриву, температура і вологість повітря, рельєф, ситуація місцевості й ін. Оскільки сполучення цих факторів буває найрізноманітнішим, інтенсивність переносу снігу не відрізняється строгою закономірністю.

Як показано в розділі 1 даної роботи, найбільш прийнятним для визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг є метод витрат, вихідними даними для реалізації якого є спостереження на мережі метеорологічних станцій. Підсистема 1 (метеорологічні дані ® загальні об'єми снігоприносу) уявляє собою зв'язок між інтенсивністю та тривалістю метеорологічних елементів та об'ємами снігу, що переноситься. Підсистема 2 (метеорологічні дані ® зменшення об'ємів снігоприносу) враховує вплив факторів, які можуть спричинити зменшення інтенсивності переносу снігу. До таких факторів відносяться в першу чергу характеристики і параметри, які визначають властивості та стан снігу в покриві та в сніговітровому потоці. Розрахункові об'єми снігоприносу для територій отримують виходячи зі значень загальних об'ємів снігоприносу за виключенням зменшення об'ємів снігоприносу за рахунок несприятливого стану сніжного покриву (підсистеми 3 і 4). Мала ширина снігозбірного басейну, снігозатримувальні засоби чи перешкоди, які розміщаються на його площі, також призводять до певного зменшення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг (підсистема 5). Урахування цього зменшення та основних параметрів дороги дозволяє отримати розрахункові об'єми снігоприносу до автомобільної дороги (підсистеми 6, 7 і 8), на основі яких і виконується проектування снігозахисту (підсистема 9).

В умовах регіонів з м'якими зимами хуртовина не може цілком реалізувати свою транспортуючу здатність по цілому ряду причин:

Загальна хуртовина відбувається за умови випадання вологого снігу. Вологі сніжні частки в залежності від температури повітря по досягненні сніжного покриву або злипаються між собою, або змерзаються.

Запаси снігу в снігозбірному басейні недостатні. Може бути два основних випадки: товщина сніжного покриву менше 10 см чи в сніжному покриві на глибині менше 10 см від поверхні присутня міцна крижана кірка, не розмивна вітром.

Стан поверхні сніжного покриву не є найбільш сприятливим для переносу снігу. Сніжний покрив може бути вологим. Вологість сніжного покриву насамперед викликається відлигою, випаданням рідких опадів, випаданням вологого снігу. Поверхневий шар сніжного покриву може бути зміцнений у результаті дії вітру і перекристалізації снігу, змерзання вологих сніжних часток, що випали раніше.

Інтенсивність переносу снігу хуртовиною визначається за залежністю (1)

, (1)

де I - інтенсивність переносу снігу, г/мЧс; с - коефіцієнт пропорційності; Vф - швидкість вітру під час хуртовини на рівні флюгера метеорологічної станції, м/с; Vфп - початкова швидкість хуртовини, м/с.

Початкова швидкість хуртовини є функцією внутрішніх зв'язків у сніжному покриві, які обумовлені зчепленням між частками снігу, силою тертя часток снігу по поверхні та гравітаційною силою.

Припустимо, що для умов м'яких зим основною є сила зчеплення між частками снігу і початкова швидкість хуртовин залежить саме від сили зчеплення . Зв'язки між частками снігу виникають за рахунок об'єднання плівок води на їх поверхнях. Чим вище вологість снігу, тим товщі плівки води і більша площа об'єднання плівок (рис. 2).

Криву залежності сил зв'язків між кристалами снігу від товщини плівок води на їх поверхнях можна умовно розділити на три характерних ділянки. Початок першої ділянки (точка А) відповідає сухому снігу, що тільки випав, з початковим значенням сил зчеплення Fзч поч , обумовлених наявністю сил тертя і зачеплення між кристалами снігу.

На першій ділянці (АВ) з ростом товщини плівки води відбувається незначне збільшення сил зчеплення між частками снігу. На цьому етапі кількість води в снігу ще недостатня, щоб покрити всі частки суцільною плівкою води. Наприкінці першої ділянки (точка В) середня товщина плівок води досягає значення dр адс, яке відповідає повному насиченню снігу адсорбованою водою. Середнє значення товщини плівок dр < dр адс, однак, через просторову нерівномірність наявності вологи в снігу, для деяких часток товщина плівки води може перевищувати dр адс. При зіткненні таких часток з іншими частками може відбутися з'єднання плівок води на їх поверхнях, і, як наслідок, виникнення між ними зв'язків. Чим вище загальна вологість снігу (середня товщина плівок води), тим більше часток будуть мати на своїй поверхні плівки води товщі dр адс, а, відповідно, збільшиться число зв'язків між різними частками снігу.

По досягненні товщини dр адс починається масовий процес об'єднання плівок дотичних між собою часток - сніжинки починають злипатися. Чим більше число контактів між сніжинками і більше площа об'єднання плівок води на їх поверхнях, тим вище міцність поверхневого шару сніжного покриву.

Запропоновано математичну модель для визначення початкової швидкість хуртовини

, (2)

де a, b, d, g - емпіричні коефіцієнти, які залежать від внутрішніх зв'язків у сніжному покриві; e - вологість снігу, %.

При досягненні снігом певної вологості при заданій швидкості вітру процес дефляції припиняється. Назвемо цю вологість критичною eкр. Критична вологість сніжного покриву залежить, у першу чергу, від швидкості вітру. Чим вище швидкість вітру, тим вище критична вологість.

Формування і зміна сніжних відкладень протягом зимового періоду обумовлені дією зовнішніх метеорологічних елементів, а також внутрішніми процесами, що відбуваються в товщі відкладень. Характер зміни сніжних відкладень у регіонах з м'якими зимами має свої відмінності. Їх щільність і об'єм змінюються протягом усього зимового періоду. Об'єм відкладень збільшується за рахунок наступних факторів: акумулювання хуртовинного снігу, відкладення снігу при снігопадах, відкладення паморозі чи інею. Зменшення об'єму сніжних відкладень відбувається за рахунок осідання, танення і випари снігу.

Ущільнення снігу, накопиченого захисними засобами, відбувається протягом усього періоду його залягання. Інтенсивність ущільнення знаходиться в залежності від великого числа факторів. Збільшення щільності сніжної товщі викликається рядом процесів: впливом вітру на свіжевідкладений сніг, тиском маси снігу під дією сили ваги, зимовими відлигами і весняним підтаванням снігу, рідкими опадами, що випадають у період залягання сніжних відкладень, процесами перекристалізації у середині сніжної товщі.

Урахування впливу основних, з перерахованих вище факторів, на процеси формування сніжних відкладень дозволило визначати об'єм останніх для будь-якого моменту часу за наступною залежністю (3)

, (3)

де G - об'єм сніжних відкладень, сформованих снігозахисними засобами біля автомобільної дороги, м3/пог.м; Gхі, Gснj - об'єми снігу, що відкладаються біля снігозахисних засобів відповідно під час i-тої хуртовини та j-того снігопаду, м3/пог.м; Gтk, Gоl - зменшення об'ємів сніжних відкладень відповідно за рахунок танення під час k-тої відлиги та від l-того осідання, м3/пог.м.

У третьому розділі наведено методики та результати експериментальних досліджень сніжно-хуртовинного режиму автомобільних доріг: інтенсивності переносу снігу хуртовинами при високих температурах повітря, закономірностей формування снігових відкладень вздовж автомобільних доріг та їх зміни на протязі зимового періоду.

Польові дослідження виконано на 8 дослідних ділянках автомобільних доріг у Харківській області з прилягаючими до них снігозбірними басейнами на протязі 1998 - 2002 років. Дослідні ділянки обрані з урахуванням наступних положень: сніжно-хуртовинний режим на дослідних ділянках характерний для всього району спостережень; різний напрямок доріг щодо сторін горизонту дозволив більш повно охопити хуртовини; снігозбірні басейни мали достатню ширину для повної реалізації транспортуючої здатності хуртовин.

Інтенсивність переносу снігу визначали за допомогою удосконалених хуртовиномірів з одночасним вимірюванням швидкості і напрямку вітру, визначенням температури повітря. Одночасно визначалася температура і вологість снігу, виконувалася візуальна оцінка стану поверхні сніжного покриву.

Точне визначення вологості снігу калориметричним методом пов'язане з великою кількістю трудомістких випробувань, які неможливо провести під час хуртовиномірних дослідів. Було проведено серію польових експериментів з метою винайдення кореляційної залежності між кількісними значеннями вологості снігу, отриманих точними методами, та вологістю снігу, визначеною візуально. Кількісне значення вологості вимірювали за допомогою калориметра власної конструкції. Результати обробки експериментальних даних (табл. 1) підтвердили ефективність та доцільність візуальної оцінки вологості снігу.

Результати вимірювання початкової швидкості хуртовини (рис. 3) підтвердили теоретичну модель (2), а також дозволили визначити значення емпіричних коефіцієнтів, з урахуванням яких модель приймає вигляд

, (4)

Введенням до залежності (1) значень початкової швидкості хуртовини при різній вологості снігу отримано відповідні формули інтенсивності переносу снігу (табл. 2). По отриманим результатам побудовано графік (рис. 4, криві 1 - 4). На графіку не приведено дані, що відповідають мокрому снігу, тому що його перенос спостерігається надто рідко, а сильно мокрий та водонасичений сніг не переносяться зовсім.

Інтенсивність переносу снігу при різних значеннях його вологості

сухий

мало вологий

вологий

сильно вологий

мокрий

Польові вимірювання інтенсивності переносу снігу при різних значеннях його вологості підтвердили достовірність запропонованої моделі (на рис. 4 експериментальні точки показані маркерами різної форми).

Всі наведені моделі адекватні експериментальним даним за критерієм Фішера.

Спостереження за сніжними відкладеннями, сформованими снігозахисними насадженнями уздовж автомобільних доріг, проводили з часу появи відкладень до їх повного танення. Товщину відкладень визначали за постійними снігомірними рейками або з допомогою снігомірного щупа, щільність снігу - ваговим методом.

Встановлено, що довжина підвітряного шлейфу сніжних відкладень під час мокрих хуртовин менша в 1,1 - 1,3 рази у порівнянні із довжиною шлейфу звичайної хуртовини. Це можна пояснити дещо більшим розміром та щільністю вологих сніжних часток, а також високою їх зв'язністю.

Щільність снігу у відкладеннях одразу після хуртовини становить 0,16 - 0,24 г/см3 і залежить у першу чергу від швидкості вітру під час хуртовини та вологості снігу, що відкладається. Під час відлиг відбувається інтенсивне ущільнення сніжних відкладень, сформованих снігозахистом вздовж автомобільних доріг, за рахунок осідання під дією власної ваги. Під час тривалих відлиг з високими температурами повітря їх щільність збільшується до 0,26 - 0,38 г/см3 (у деяких випадках до 0,45 г/см3) і залежить від товщини відкладень, гранулометричного складу снігу, його вологості. На початку відлиги теплова енергія повітря та сонячного проміння витрачається на нагрівання снігу. Після досягнення снігом температури 0°С вся теплота, яка до нього надходить витрачається на його танення. Вологість снігу поступово збільшується і при досягненні значень 15 - 25 % (в залежності від щільності і гранулометрії) починається водовіддача снігу у ґрунт.

За результатами польових досліджень встановлено, що інтенсивність танення снігу у відкладеннях під час відлиг складає від 3,4 до 4,7 мм на 1°С позитивної температури повітря за добу (у перерахунку на товщину шару води, що утворюється при таненні). Максимальні значення спостерігаються при високій сонячній радіації та за вітряної погоди.

У четвертому розділі розроблено рекомендації щодо уточнення методу визначення розрахункових об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг. Врахування особливостей переносу снігу при відносно високих температурах повітря та поведінки снігових відкладень на протязі зимового періоду в методі витрат дозволило підвищити точність визначення об'ємів снігоприносу на 12 - 46%. Визначено значення коефіцієнтів корегування об'ємів снігопереносу для різних регіонів України (табл. 3).

З використанням уточненого методу були обраховані розрахункові об'єми снігоприносу для різних регіонів України. Отримані значення мають фоновий характер, тобто відображають кліматичні особливості сніжно-хуртовинного режиму територій. Об'єми снігоприносу до конкретної ділянки дороги визначають скорегувавши ці дані відповідно до параметрів ділянки дороги та снігозбірного басейну.

Удосконалення снігозахисту автомобільних доріг полягає в розробці нових схем розміщення снігозатримувальних засобів та рекомендацій щодо їх застосування. Основна увага приділена комплексному снігозахисту з максимальним використанням існуючих лісосмуг за умови їх поліпшення та при необхідності посилення.

Розроблено методику визначення економічного ефекту за рахунок підвищення точності визначення об'ємів снігоприносу та корегування схем снігозахисту автомобільних доріг. Економічний ефект від удосконалення схем снігозахисту 63 кілометрів магістральних автомобільних доріг в Харківській області становить 96,4 тис. грн., або 1530 грн. на 1 км дороги.

ВИСНОВКИ

1. Ефективність захисту автомобільних доріг від снігових заметів в значній мірі залежить від точного визначення об'єму снігоприносу - основного розрахункового показника при розробці снігозахисних заходів. Удосконалено метод визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг на основі врахування регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму доріг.

2. Встановлено особливості сніжно-хуртовинного режиму автомобільних доріг України, які визначаються насамперед високою імовірністю циклонічних хуртовин (до 70 %), що супроводжуються частими відлигами, зимовими дощами, випадінням та переносом вологого снігу. Ці особливості визначають закономірності розвитку хуртовин, переносу снігу та формування снігових відкладень біля автомобільних доріг. Результати польових досліджень з використанням удосконаленого хуртовиноміру показали, що інтенсивність переносу снігу суттєво залежить від його вологості. Визначено, що при вологості снігу 1,5 - 2 % сили зчеплення між частками снігу зростають настільки, що перенос снігу припиняється при швидкостях вітру менше 15 - 20 м/с.

3. Уточнено закономірності формування снігових відкладень біля снігозахисних споруд з урахуванням особливостей сніжно-хуртовинного режиму автомобільних доріг. Визначено, що в залежності від вологості снігу та швидкості вітру під час хуртовин довжина снігового шлейфу зменшується в 1,1 - 1,3 рази по відношенню до значень, розрахованих за відомими залежностями. Встановлено, що під час тривалих відлиг відбувається інтенсивне ущільнення та танення сніжних відкладень біля автомобільних доріг. Щільність досягає 0,26 - 0,38 г/см3, а інтенсивність сніготанення становить 3,4 - 4,7 мм на 1°С позитивної температури повітря за добу.

4. На підставі аналізу та уточнення закономірностей переносу снігу та формування снігових відкладень біля засобів снігозахисту з урахуванням регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму удосконалено метод визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг. Апробація методу показала, що точність визначення об'ємів снігоприносу в різних регіонах України зросла на 12 - 46%.

5. Розроблено рекомендації щодо корегування систем снігозахисту доріг в залежності від регіональних особливостей їх сніжно-хуртовинного режиму. Визначено коефіцієнти корегування розрахункових об'ємів снігопереносу для різних регіонів України. Застосування коефіцієнтів дозволяє уточнити розрахункові об'єми снігоприносу до автомобільних доріг і зменшити витрати на снігозахист доріг при заданому рівні його надійності.

6. Удосконалений метод визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг після перевірки в Харківському облавтодорі на 63 кілометрах снігозаносних ділянок магістральних доріг увійшов до проекту “Єдиних правил зимового утримання автомобільних доріг загального користування” Державної служби автомобільних доріг України. Економічний ефект від удосконалення схем снігозахисту становить 1530 грн. на 1 км дороги.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Прусенко Є.Д., Догадайло О.О. Уточнення методу витрат для визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - 1999. - вип. 57. - С. 102-106.

2. Догадайло О.О., Прусенко Є.Д. Особливості визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг з урахуванням кліматичних умов України // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - 2000. - вип. 58. - С. 41-47.

3. Догадайло А.А. Перспективы развития методов определения объемов снегоприноса к автомобильным дорогам // Вестник ХГАДТУ. - 2000.- вып. 12-13 - С. 119-121.

4. Догадайло О.О. Про визначення об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг з урахуванням відлиг // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - 2001. - вип. 63. - С. 31-35.

5. Прусенко Е.Д., Догадайло А.А. Обоснование основных направлений совершенствования методов прогнозирования объемов снегоприноса к автомобильным дорогам // Совершенствование транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог: Сб. науч. тр. Т. 3. - Иркутск: 1999. - С. 207-213.

6. Prusenko Ye., Dogadailo A., Kiyashko I. Optimization of engineering decisions on road protection against snow-banks with snow properties taken into account // Snow Engineering: Recent Advances and Development // Proceedings of the Fourth International Conference on Snow Engineering. Trondheim / Norway / 19-21 June, 2000. - Rotterdam: A.A. Balkema, 2000. - P. 421-425.

7. Prusenko Ye., Dogadailo A. Characteristics of snow-wind flow and automobile roads protection against snow // Proceedings of the International Conference on Dynamics of Civil Engineering and Transport Structures and Wind Engineering. - Vyhne, 2000. - P. 25-28.

8. Догадайло А.А. Снегозащита дорог в регионах с мягкими зимами // Материалы международной научной конференции “Автомобильный транспорт и дорожное хозяйство на рубеже 3-го тысячелетия”. - Харьков, ХГАДТУ, 2000. - С. 53-55.

9. Прусенко Е.Д., Догадайло А.А. Определение объемов снегоприноса к автомобильным дорогам в климатических условиях юга России // Материалы Всероссийской научно-технической конференции “Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса России”. Т. 1. - Краснодар: Изд-во КубГТУ, 1999. - С. 42-45.

10. Филиппов В.В., Прусенко Е.Д., Догадайло А.А. Автоматизированный метод прогнозирования объемов снегоприноса к автомобильным дорогам // Сборник статей IV международной научно-технической конференции “Информационная среда вуза”. - Иваново, 1999. - С. 56-59.

АНОТАЦІЯ

Догадайло О.О. Обґрунтування об'ємів снігоприносу до автомобільних доріг з урахуванням регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.11 - Автомобільні шляхи та аеродроми. Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2002.

Дисертація спрямована на вирішення проблеми підвищення ефективності надійності захисту автомобільних доріг від снігових заметів шляхом урахування особливостей сніжно-хуртовинного режиму регіонів з м'якими зимами. Визначено вплив вологості снігу на інтенсивність його переносу. Удосконалено метод визначення об'єму снігоприносу до автомобільних доріг на підставі аналізу та уточнення закономірностей переносу снігу та формування снігових відкладень біля засобів снігозахисту з урахуванням регіональних особливостей сніжно-хуртовинного режиму автомобільних доріг. Визначено коефіцієнти корегування розрахункового об'єму снігоприносу до автомобільних доріг для різних регіонів України. Уточнено закономірності формування снігових відкладень біля снігозахисних споруд. Запропоновано корегування схем снігозахисту доріг в залежності від регіональних особливостей їх сніжно-хуртовинного режиму.

Ключові слова: автомобільна дорога, сніжно-хуртовинний режим, об'єм снігоприносу, снігозахист.

SUMMARY

Dogadailo A.A. Substation of snow-bringing volumes to automobile roads with, regional features of snow-blizzard regime taken into account. - Manuscript.

Dissertation for Ph. D degree by specialty 05.22.11 - Automobile roads and aerodromes. Kharkov National Automobile and Highway University, Kharkov, 2002.

The dissertation is aimed on solving a problem of enhancement an effectiveness of the automobile roads snow-protection reliability through taking into account the snow-blizzard regime features in the regions with soft winters. The influence of snow moisture on the rate of its transferring has been determined. The method of determination a volume of snow-bringing to the automobile roads has been improved on the basis of analysis and refinement of the mechanism of snow transferring and formation of snow deposits near snow-retention facilities with taking into account the regional features of the automobile roads snow-blizzard regime. The correction coefficients of the design volume of snow-bringing to the automobile roads for different regions of Ukraine have been determined. The mechanism of formation the snow deposits near snow-retention facilities were refined. An adjustment of the snow-protection schemes depending on the regional peculiarities of snow-blizzard regime was proposed.

Key words: automobile road, snow-blizzard regime, volume of snow-bringing, snow-protection.

АННОТАЦИЯ

Догадайло А.А. Обоснование объемов снегоприноса к автомобильным дорогам с учетом региональных особенностей снежно-метельного режима. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.11 - Автомобильные дороги и аэродромы. Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2002.

Диссертация направлена на решение проблемы повышения эффективности и надежности защиты автомобильных дорог от снежных заносов путем учета особенностей снежно-метельного режима регионов с мягкими зимами.

Анализ работы существующих снегозащитных средств показал, что они в ряде случав недостаточно эффективно защищают автомобильные дороги от заносов. Также установлено, что существующие методы определения объемов снегоприноса к автомобильным дорогам дают завышенные данные для большинства регионов Украины. Эти методы разработаны на основе экспериментальных данных, полученных в регионах с более суровым климатом, чем в Украине, и не учитывают такие особенности снежно-метельного режима автомобильных дорог, как оттепели, зимние дожди, “мокрые метели” и т.п. Эти особенности определяют закономерности развития метелей, переноса снега и формирования снежных отложений возле автомобильных дорог.

В диссертации разработана схема определения расчетных объемов снегоприноса к автомобильным дорогам. Анализ ее отдельных элементов и подсистем позволил определить основные направления и принципы совершенствования методов определения объемов снегоприноса, а также корректировки схем снегозащиты автомобильных дорог.

На процессы переноса снега значительное влияние оказывают физико-механические свойства снега как в ветроснеговом потоке, так и в снежном покрове. При одной и той же скорости ветра интенсивность переноса снега может быть неодинаковой при разном состоянии снега. Установлено, что в регионах с мягкими зимами основным фактором, определяющим физико-механические свойства снега, является влажность последнего. Определены и проанализированы факторы, влияющие на величину влажности снега.

Полевые исследования подтвердили значительное влияние влажности снега на процессы переноса снега. Определена зависимость начальной скорости метели от влажности снега. При влажности снега превышающей 2 % метели происходят очень редко, так как начальная скорость метели составляет при этом 20 м/с и более.

По результатам полевых экспериментов найдена корреляционная зависимость между количественным значением влажности снега, полученным калориметрическим методом, и влажностью снега определенной визуально. Предложена шкала визуальной оценки влажности снега с детальной характеристикой вида снега.

Измерения интенсивности переноса снега, проведенные в натурных условиях при различных условиях (скорость ветра, температура воздуха, влажность снега и т.п.), подтвердили предложенную теоретическую модель.

Установлено, что длина подветренного шлейфа снежных отложений во время мокрых метелей меньше в 1,1 - 1,3 раза по сравнению с длинной шлейфа обычной метели. В результате действия продолжительных оттепелей с высокими температурами воздуха снежные отложения увеличивают плотность от первоначальной 0,16 - 0,24 до 0,26 - 0,38 г/см3.

Усовершенствован метод определения объемов снегоприноса к автомобильным дорогам на основе уточнения закономерностей переноса снега и формирования снежных отложений снегозащитными средствами в регионах с мягкими зимами.

“Мокрые метели” переносят значительно меньшие массы снега, чем обычные метели. Кроме того, во время оттепелей снежные отложения, сформированные снегозащитой, значительно интенсивнее уменьшаются в объеме за счет уплотнения и таяния. Установлено, что в зависимости от сочетания и параметров метельного режима и режима оттепелей в различных регионах Украины объемы снегоприноса могут уменьшаться на 12 - 46 % по сравнению со значениями, определенными по существовавшим ранее методикам. Определены значения коэффициентов корректирования объемов снегопереноса для различных регионов Украины. Наибольшее снижение объемов снегопереноса к автомобильным дорогам наблюдается в южных и юго-западных областях Украины, наименьшее - на северо-востоке страны.

Усовершенствование снегозащиты автомобильных дорог состоит в разработке новых схем размещения снегозадерживающих средств и рекомендаций по их применению. Основное внимание уделено максимальному использованию существующих лесополос, их улучшению и при необходимости усилению.

Разработана методика определения экономического эффекта за счет повышения точности прогнозирования объемов снегоприноса и корректирования схем снегозащиты автомобильных дорог. Экономический эффект от усовершенствования схем снегозащиты 63 км магистральных автомобильных дорог в Харьковской области составляет 96,5 тыс. грн., или 1530 грн. на 1 км дороги.

Ключевые слова: автомобильная дорога, снежно-метельный режим, объем снегоприноса, снегозащита.

Размещено на Allbest.ru

...