Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса, цель и задачи исследований 10
1.1. Параметры метелевой деятельности и их влияние на транспортно эксплуатационные показатели автомобильных дорог в зимний период- 10
1.2. Существующие методы и методики определения объемаснегоприноса к автомобильной дороге 12
1.3. Существующие методики определения параметров расчетной метели 22
1.4. Исследования снегозаносимости автомобильных дорог 25
1.4.1. Общие положения 25
1.4.2. Снегозаносимость нераскрытых выемок 27
1.4.3. Снегозаносимость раскрытых выемок 31
1.4.4. Снегозаносимость насыпей 34
2. Условия образования метелевых отложений на земляном полотне автомобильных дорог и определение их количества методами математического моделирования 36
2.1. Обобщенная модель системы "Дорога- Окружающая среда" 36
2.2. Внешние и внутренние параметры системы "Дорога-Окружающая среда", определяющие снегозаносимость автомобильной дороги метелевым снегом 38
2.3. Математическая модель для определения параметров расчетной метели по метеорологическим данным 41
2.4. Схема обтекания нераскрытых выемок снеговетровым потоком 47
2.5. Математическая модель для определения количестваметелевого снега, откладывающегося на земляном полотне нераскрытых выемок 49
2.6. Схема обтекания раскрытых выемок снеговетровым потоком 52
2.7. Математическая модель для определения количества метелевого снега, откладывающегося на земляном полотне раскрытых выемок 54
2.8. Схема обтекания снеговетровым потоком насыпи 61
2.9. Математическая модель для определения количества метелевого снега, откладывающегося на земляном полотне насыпи 63
2.10.Методика проведения вычислительного эксперимента 67
2.11.Разработка информационных баз для решения задачи
определения количества снега, откладывающегося на земляном
полотне автомобильной дороги, выбор СУБД 76
2.11.1. Общие положения 76
2.11.2. Разработка базы данных SNEG 78
2.11.3. Разработка базы данных KOLJSN 78
2.12.Выводы по главе 80
3. Опытно-экспериментальная проверка адекватности математических моделей 81
3.1. Задача проведения опытно-экспериментальных работ 81
3.2. Материалы, используемые для проверки адекватности моделей 82
3.3. Выбор участков автомобильной дороги и их описание 82
3.4. Методика проведения снегомерных съемок 83
3.5. Сравнение рассчитанных и фактических объемов снегоприноса в единичную метель (на примере снежной бури 17-20 января 1970 г.) 87
3.6. Проверка адекватности модели для определения количестваметелевых снегоотложений на земляном полотне нераскрытых выемок 92
3.7. Проверка адекватности модели для определения количестваметелевых снегоотложений на земляном полотне раскрытых выемок 95
3.8. Проверка адекватности модели для определения количестваметелевых снегоотложений на земляном полотне низких насыпей 97
4. Результаты использования разработанных моделей для определения количества метелевых снегоотложений на земляном полотне автомобильных дорог 103
4.1. Исследование параметров расчетной метели 103
4.1.1. Исследование динамики прохождения единичных метелей 103
4.1.2. Проверка адекватности статистических моделей, применяемых для получения расчетных параметров метелей 105
4.1.3. Исследование зависимости параметров расчетной метели от величины межметелевого разрыва 106
4.2. Определение количества метелевых снегоотложений наземляном полотне нераскрытых выемок 111
4.3. Определение количества метелевых снегоотложений на земляном полотне раскрытых выемок 114
4.4. Определение количества метелевых снегоотложений на земляном полотне насыпей 118
4.5. Выводы по главе 125
5. Организация зимнего содержания автомобильных дорог на основе определения количества метелевых снегоотложений на земляном полотне 126
5.1. Общие положения 126
5.2. Проектирование снегозащитных мероприятий для участкаавтомагистрали "Крым" (км 305-342) на обходе города Мценск в Орловской области 126
5.2.1. Характеристика дороги 127
5.2.2. Определение параметров метелевой деятельности врайоне прохождения участка автомагистрали "Крым" 129
5.2.3. Определение параметров расчетной метели 132
5.2.4. Определение количества снегоотложений на земляномполотне от расчетной метели 134
5.2.5. Определение объема снегоуборки от расчетной метели 134
5.2.6. Определение потребности в ресурсах для проведенияснегоуборочных работ 141
5.2.7. Определение стоимости уборки снега, откладывающегося во время прохождения расчетной метели 145
5.3. Использование результатов исследований при разработке проекта содержания автомобильной дороги МКАД - Кашира (км 22 - 132) 145
5.3.1. Основания для разработки типового проекта содержания автомобильных дорог 145
5.3.2. Определение расчетных параметров метелевойдеятельности для автодороги МКАД - Кашира 149
5.3.3. Определение параметров расчетной метели 153
5.3.4. Проектирование снегозащитных мероприятий дляавтомобильной дороги МКАД - Кашира 155
Выводы 156
Список использованных источников 158
Приложения:
- Существующие методы и методики определения объемаснегоприноса к автомобильной дороге
- Внешние и внутренние параметры системы "Дорога-Окружающая среда", определяющие снегозаносимость автомобильной дороги метелевым снегом
- Математическая модель для определения количества метелевого снега, откладывающегося на земляном полотне насыпи
- Материалы, используемые для проверки адекватности моделей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост интенсивности движения на современных дорогах привел к повышению требований по уровню безопасности движения и пропускной способности в различных погодных условиях. В зимний период имеют место огромные потери в экономике страны от снижения скорости транспорта, перерывов в движении и увеличения числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП) из-за неудовлетворительного состояния дорожного покрытия. По данным Организации Объединенных Наций (ООН) в Российской Федерации в 1996 году произошло 160521 ДТП, повлекших за собой раненых или погибших, из них 29,3% из-за неудовлетворительных условий на дорожном покрытии в зимний период, в 1997 году этот показатель возрос до 37,2% /122/. Таким образом, дорожные условия в зимний период служат одной из главных причин ДТП, и снижение их числа может происходить за счет сокращения времени нахождения покрытия в неблагоприятном для движения состоянии.
Для обеспечения высоких потребительских свойств дорог в зимний период дорожно-эксплуатационная служба проводит комплекс работ по ликвидации или нейтрализации последствий неблагоприятных погодных явлений, к которым относятся снежные отложения и снежные заносы, имеющие место на отдельных участках дорог при прохождении метелей и снегопадов.
Для повышения безопасности движения в сложных погодных условиях современные нормативные документы жестко регламентируют время, отводимое на ликвидацию последствий снегопадов и метелей. Выполнение этих требований связано со значительным увеличением ресурсов. При существующей экономической ситуации особую важность приобретает задача обоснования необходимых ресурсов на зимнее содержание дорог с учетом климатических особенностей отдельных регионов страны. Это обусловливает необходимость использования научных подходов к решению задач зимнего содержания, обоснованного определения объемов работ по снегозащите и снегоочистке, на основе расчета количества снега, отложения которого следует предотвратить или убрать в течение зимы или после прохождения метели.
На эксплуатационную надежность дорог в зимний период особое влияние оказывают опасные и особо опасные метеорологические явления, к которым относятся интенсивные метели. Изучение параметров таких метелей позволит обоснованно решать многие задачи зимнего содержания автомобильных дорог.
Таким образом, задача определения количества метелевого снега, откладывающегося на земляном полотне автомобильной дороги, весьма актуальна на современном этапе.
Цель и задачи исследований
Цель работы: определение снегозаносимости земляного полотна автомобильных дорог на основе параметров метелевой деятельности.
Объектом исследования является снегозаносимость различных поперечных профилей автомобильной дороги, параметры метелевой деятельности.
В соответствии с указанной целью исследования поставлены следующие задачи исследования:
Установить и обосновать перечень дорожных и метеорологических параметров, влияющих на отложение снега на земляном полотне дорог.
Исследовать схемы обтекания различных типов поперечного профиля автомобильных дорог снеговетровым потоком и разработать на их основе математические модели для определения количества снега, откладывающегося на земляном полотне после прохождения метели.
Экспериментально подтвердить адекватность математических моделей реальным процессам снегонакопления на земляном полотне дорог.
На основе вычислительных экспериментов определить количество ме-телевых снегоотложений на земляном полотне различных участков дорог.
Разработать инженерный метод количественной оценки снега и систему мероприятий по организации зимнего содержания дорог на ее основе.
Научная новизна работы состоит в следующих положениях: - разработана обобщенная модель взаимодействия системы "Дорога -Окружающая среда" (Д - С) при прохождении метелей, выявлены параметры,
7 определяющие процесс отложения метелевого снега на земляном полотне автомобильных дорог, и способы их получения;
разработаны математические модели для определения количества метелевого снега, откладывающегося на земляном полотне автомобильных дорог с различными типами поперечного профиля, алгоритм и программа для ЭВМ, реализующие эти модели;
установлена зависимость потерь снега из снеговетрового потока от уклона подстилающей поверхности и получены регрессионные модели для их количественной оценки;
- получены номограммы для определения количества снегоотложений
для автомобильных дорог различных технических категорий.
На защиту выносятся:
метод определения количества метелевого снега, откладывающегося на земляном полотне дорог при различных типах поперечного профиля;
математические модели, позволяющие комплексно оценить количество метелевого снега, откладывающегося на земляном полотне дорог, алгоритмы и программное обеспечение для ЭВМ, реализующие данные модели;
закономерности изменения доли снега, выпадающей из снеговетрового потока, в зависимости от уклона подстилающей поверхности;
номограммы для количественной оценки снегозаносимости автомобильных дорог I-IV технической категории при различных типах поперечных профилей земляного полотна.
Практическая ценность работы заключается в разработке номограмм-ного метода, позволяющего получать объем снегоотложений и их среднюю высоту для различных типов поперечного профиля земляного полотна автомобильных дорог I-IV технических категорий в зависимости от объемов снего-приноса; в создании программного обеспечения для получения расчетных параметров метелевой деятельности, определения количества метелевых снегоотложений на земляном полотне автомобильных дорог; разработке системы организационных мероприятий по зимнему содержанию на основе количественной
оценки метелевого снега, включающей проектирование средств снегозащиты, определение объемов работ по снегоочистке и расчет необходимых ресурсов.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАСУ (1999-2001 г.), на I Международной научно-практической конференции "Современные проблемы дорожно-транспортного комплекса" (г. Ростов на Дону, 1998 г.), на II Международной научно-технической конференции "Автомобильные дороги Сибири" (г. Омск, 1998 г.), на VII Международной конференции "Математика. Экономика. Экология. Образование" (г. Ростов на Дону5 1999 г.), на Международной научно-технической конференции "Повышение качества строительных работ, материалов и проектных решений" (г. Брянск, 2000 г.), на Международном научно-практическом симпозиуме "Дорожная экология XXI века" (г. Воронеж, 2000 г.), на VI Международной конференции "Математические модели и информационные технологии" (г. Краснодар, 2001 г.).
Реализация работы. Результаты работы использовались при разработке проекта снегозащиты для участка автомагистрали "Крым" (305 км -342 км) в Орловской области; разработке мероприятия по зимнему содержанию дороги МКАД-Кашира (22 км -128 км); разработке типового проекта "Организация работ по содержанию автомобильной дороги"; на научно - практическом российско-финском семинаре "Планирование затрат и система оценки уровня зимнего содержания автомобильных дорог", проводимом по линии Ассоциации РАДОР; в учебном процессе ВГАСУ на кафедре проектирования автомобильных дорог и мостов при выполнении студентами дипломных проектов.
Публикации. Результаты проведенных исследований опубликованы в девяти печатных работах. Наиболее значимыми из которых являются:
1. Резванцев В.И., Гладышева И.А., Самодурова Т.В., Гладышева О.В. Учет зимних условий при проектировании автомобильных дорог // Известия ВУЗов. Строительство, 1998 г., -№ 9, - С. 82-86.
Гладышева О.В. Расчетная схема для определения количества снега на покрытии в нераскрытых выемках//Международный сборник научных трудов "Повышение качества строительных работ, материалов и проектных решений", -Брянск, 2000. -С.70-73.
Самодурова Т.В., Гладышева О.В. Улучшение экологической ситуации придорожных территорий на основе количественной оценки снега, откладывающегося на дорожном покрытии // Труды международного научно-практического симпозиума "Дорожная экология XXI века'\-Воронеж, 2000. -С.296-300.
Гладышева И.А., Самодурова Т.В., Гладышева О.В. К вопросу о количественной оценке снега, откладывающегося на дорожном покрытии // Сборник научных трудов. Совершенствование транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог. Том III. -Иркутск, 1999. -С. 199-207.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений. Содержит 259 страниц, в том числе 111 страниц машинописного текста, 51 таблицу, 46 иллюстраций, списка использованных источников из 135 наименований, 8 приложений.
Существующие методы и методики определения объемаснегоприноса к автомобильной дороге
Для решения задач зимнего содержания, проектирования снегозащитных мероприятий было разработано несколько методов определения объемов снегоприноса к автомобильным дорогам. В настоящее время известно и довольно подробно описано в научно-технической литературе пять методов:1) метод натурных обмеров/112/;2) метод аналогии, разработанный Кунгурцевым А.А. /68,69,70,71,72,73/;3) метод снегового баланса, предложенный Бялобжеским Г.В./15,17/;4) расчетный метод, разработанный Сарсатских П.И. /112/ и положенный в основу формул для определения объемов снегоприноса Комаровым А.А. /59,60,61,62/ и Бируля А.К. /10/;5) метод суммарных переносов, предложенный Долговым Н.Е. /36,37/ и позднее уточненный Мельником Д.М. /80,81/.
Основная сущность каждого из этих методов, область его применения, достоинства и недостатки с точки зрения решения поставленной задачи приведены в табл. 1.2.
Анализ данных табл. 1.2 показал, что из всех вышеперечисленных методов определения объемов снегоприноса наиболее применим для решения поставленной задачи метод суммарных переносов. Он основан на учете расходов снега за зиму по 16 направлениям ветра (румбам). Метод учитывает интенсивность переноса снега, которая зависит от скорости ветра, и время, в течение которого происходит перенос снега с данной интенсивностью.
Зависимость между осредненной интенсивностью горизонтального переноса снега и скоростью ветра на высоте флюгера выражается формулой:где / - интенсивность горизонтального переноса снега, м3/м-ч; С - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от плотности снега в метелевых сугробах; V- скорость ветра на высоте флюгера, м/с. где t - суммарная продолжительность метелей за зимний период, ч; т - число измерений скорости ветра при метелях (при значениях скорости более 5 м/с); С - эмпирический коэффициент, равный 0,00046; V - скорость ветра при метели, м/с; 1ср - средняя интенсивность метелей за зимний период, м /м-ч.
При выборке данных метеостанций не учитываются ветры, имеющие скорость менее 5 м/с, так как их энергия недостаточна для обеспечения переноса выпавшего или выпадающего снега.Объем снегоприноса к автомобильной дороге на конец зимнего периода с одного направления определяется по формуле:где ад- направление дороги, град; а2- направление ветра, град.
Метод суммарных переносов учитывает основные физические факторы, влияющие на перенос снега и определяющие снегозаносимость автомобильной дороги (скорость ветра и продолжительность метели).
Метод суммарных переносов нашел широкое практическое применение. Его использовали: Михель В.М. для определения объемов снегоприноса для ряда метеостанций России /87,88/; в ДИЛ ХАДИ для районирования Украины по общим объемам снегопереноса /76,114/ (работы проводились под руководством профессора Сиденко В.М.); Ракита С.А. и Павлов Г.В. при составлении карты снегозаносимости дорог северо-восточного региона России/106/.
Возможность применения этого метода для оценки интенсивности переноса снега в различных климатических зонах рассматривали: Антонов Ф.И. для Сибири /7/; Гладышева И.А. /26/; Паневин Н.И. /95/ для Центрально-Черноземного района; Дюнин А.К. /39,40/; Михель В.М. /89/. Формула Мельника Д.М. использовалась для получения расчетных объемов снегопереноса в Японии /135/. Результаты всех этих исследований и их проверка на практике доказывали, что при расчетах интенсивности метелей и объемов снегоприноса за зиму метод суммарных переносов дает удовлетворительные по точности результаты для решения практических задач.
По данным Мельника Д.М./81/точность расчетов объемов снегоприноса по данному методу достаточна для решения многих задач зимнего содержания автомобильных дорог и составляет 90%.
Таким образом, в настоящее время для определения расчетных объемов снегоприноса к дорогам, как на стадии проектирования, так и при содержании можно использовать только метод суммарных переносов, так как он учитывает основные климатические факторы, влияющие на перенос снега. Этот метод позволяет использовать для расчетов имеющиеся многолетние данные наблюдений на метеостанциях за метелевым режимом.
На основе метода суммарных переносов разработано несколько методик определения расчетных объемов снегоприноса к автомобильным дорогам:1) методика определения снега, приносимого к дороге и расчетной толщины снежного покрова, предложенная Бялобжеским Г.В. /15/. Исходными данными для расчета по этой методике являются данные метеорологических станций о скорости ветра и продолжительности определенной скорости ветра. В результате расчетов определяются объем снегоприноса на конец зимнего периода и толщина снежного покрова. Статистическая обработка данных не проводится. Методика Бялобжеского Г.В. дает сильно завышенные результаты, поэтому не пригодна для использования при проектировании и эксплуатации автомобильных дорог /68/;2) методика аналитического расчета максимального количества снега, приносимого к линии снегозащитного ограждения в течение зимы, предложенная Ляховским В.Н. /76,123/. Исходными данными для расчета по этой методике являются данные метеорологических станций о скорости ветра и продолжительности определенной скорости ветра. В результате определяется максимально возможный объем снега у защитных ограждений за одну зиму. Статистиче екая обработка данных не проводится. Методика Ляховского В.Н. не дает достаточного количества данных для использования их при проектировании и эксплуатации автомобильных дорог;3) методика определения годового и расчетного количества приносимого к пути снега, предложенная Варыгиным Л.А. /18/. Исходными данными для расчета по этой методике являются данные метеорологических станций о скорости ветра и продолжительности определенной скорости ветра. В результате строится расчетная роза объемов снегоприноса, по которой впоследствии определяется принос снега к дорогам по 8 румбам путем суммирования объемов снегоприноса по соответствующим румбам. В результате статистической обработки полученных данных строятся кривые обеспеченности. Методика Варыгина Л.А. не завершена и не может быть использована при проектировании и эксплуатации автомобильных дорог.
Анализ методик показывает, что все они в той или иной мере решают задачи проектирования надежной снегозащиты и направлены на обеспечение сне-гонезаносимости дороги во время метелей. Наиболее приемлемой для дальнейших исследований оказалась методика Варыгина Л.А, которая была принята за основу при разработке методики ВСН 33-87 и методологии Гладышевой И.А.
Большая работа по исследованию и определению расчетных объемов снегоприноса к автомобильным дорогам Центрально-Черноземных областей (ЦЧО) была проведена в Отраслевой научно-исследовательской дорожной лаборатории (ОНИДЛ) Воронежского инженерно-строительного института (ВИСИ). Работы проводились Гладышевой И.А. и Самодуровой Т.В. под руководством Меркушева Н.В. /83,84,85/.
Гладышева ИА. разработала методологию определения региональных норм по расчетным объемам снегоприноса к автомобильным дорогам, которая включает /26,27/:- усовершенствованную методику по определению расчетных объемов снегоприноса к дорогам с учетом коэффициента потерь снега в снегоотложени-ях от испарения и таяния во время оттепелей;
Внешние и внутренние параметры системы "Дорога-Окружающая среда", определяющие снегозаносимость автомобильной дороги метелевым снегом
Для рассматриваемой задачи в качестве внешнего (выходного) параметра выступает количество снега на проезжей части автомобильной дороги. При общей постановке задачи внутренние параметры системы, влияющие на отложение метел евого снега, разделены на две группы: метеорологическиеЩ) и дорожныеo\t). Погодные (метеорологические) условия являются компонентами вектора воздействия внешней среды, а совокупность постоянных и переменных дорожных факторов составляет вектор собственньпч параметров, определяющих условия отложения метелевого снега.
При формировании вектора Щ) примем за основу перечень погодных факторов, характеризующих метелевый режим района прохождения дороги (см. табл. 1.1). Все параметры внешней среды сведены в табл.2.1.Часть компонентов вектора погодных факторов, определяющих снегозаносимость дороги {hi - h,j), могут быть получены в результате их выборки из таблиц ежедневных срочных наблюдений на метеостанциях Государственной Сети.
Остальные компоненты (hg - his) определяются расчетом. Выборка данных из таблиц производится при следующих, ограничениях, соответствующих физическим процессам метелевого переноса снега:- атмосферные явления - снег, мокрый снег, все виды метелей;- скорость ветра - более 5 м/с /80/;- температура воздуха-ниже 0 С.
Для формирования вектора собственных параметров системы рассмотрим основные элементы дороги и их влияние на нее снегозаносимость.План трассы. Для определения снегозаносимости с плана трассы необходимо выбрать направление участка дороги (румб).Продольный профиль дороги. Основной дорожный фактор, который может быть получен с продольного профиля - рабочая отметка. Она определяет степень заносимости данного участка дороги и тип поперечного профиля земляного полотна.
Поперечный профиль земляного полотна. Геометрические элементы поперечного профиля земляного полотна оказывают определяющее влияние на характер движения снеговетрового потока, формирование отложений метел евого снега на дорожном покрытии и их количество.
Техническая категория дороги определяет ширину земляного полотна. Инженерное обустройство дороги. Наличие и тип снегозадерживающих устройств определяют объем задерживаемого снега во время прохождения метелей, который учитывается при определении объема снегоприноса к конкретному участку автомобильной дороги.Интенсивность движения определяет требования к уровню содержания автомобильной дороги и времени уборки снегоотложений.
Компоненты вектора собственных параметров, оказывающих влияние на отложение метелевого снега на дорожном покрытии, представлены на рис.2.1 и приведены в табл.2.2. Для любого участка дороги информация об указанных параметрах может быть получена из проекта автомобильной дороги, технического паспорта, результатов диагностики или в результате специального обследования.
Объемы снегоприноса - основной фактор, определяющийотложения метел евого снега у автомобильной дороги. Он формируется под воздействием всех составляющих погодных параметров, указанных в табл.2.1, на его величину влияют некоторые дорожные параметры: направление участка дороги и наличие и тип снегозадерживающих устройств. Объем снегоприноса может быть получен расчетным путем. Количество снега на дорожном покрытии необходимо определять расчетом. При этом, как было указано выше, целесообразно рассматривать два практических случая:- количество снега, откладывающегося после прохождения метели;- количество снега, отложившегося за весь зимний период.
Как показывают исследования многих авторов и данные наблюдений в дорожно-эксплуатационных организациях, в течение зимнего периода наблюдается несколько "всплесков" метелевой деятельности. При этом на фоне метелей с незначительными объемами снегоприноса выделяются несколько метелей, во много раз превышающих их по величине приносимого снега. Они могут характеризоваться высокой интенсивностью снегопереноса или значительной продолжительностью. Поэтому, при назначении снегозащитных мероприя тий и планировании отряда машин для проведения снегоуборочных работ необходимо учитывать вероятность появления таких метелей и их расчетные параметры: объем снегоприноса и продолжительность метели при межметелевом разрыве равном директивному времени на снегоуборку.Введем определения:
Отдельная метель - это метель, зафиксированная наблюдателем на метеорологической станции. Она характеризуется временем начала tn и временем окончания tk- При производстве наблюдений на метеостанции два атмосферных явления (к ним относятся все виды осадков и метели) считаются разными, если время от окончания предыдущего до начала последующего составляет более ОД часа.Объем снегоприноса к дороге в отдельную метель (Womd) зависит от скорости ветра (V), его направления (ав), продолжительности метели (t) и направления дороги (ад).
Межметелевый разрыв - время между окончанием предыдущей и началом последующей отдельной метели. В расчетах величина межметелевого разрыва td должна быть принята в соответствии с нормативным временем на снегоуборку, регламентируемым Государственными стандартами или нормативными документами /23,28/.
Единичная метель - отдельные следующие друг за другом метели, объединенные в одну в зависимости от принятого межметелевого разрыва.Объем снегоприноса к дороге в единичную метель (Wed) зависит от объемов снегоприноса объединенных отдельных метелей.Расчетная метель - это единичная метель, параметры которой приняты с расчетной вероятностью превышения по результатам статистической обработки.
Основными параметрами расчетной метели являются расчетный объем снегоприноса и расчетная продолжительность метели.Объем снегоприноса в расчетную метель (Wp) зависит от объема снегоприноса в единичную метель (Wed) и принятой вероятности превышения (р).
Математическая модель для определения количества метелевого снега, откладывающегося на земляном полотне насыпи
Из анализа схемы, приведенной на рис.2.9 следует, что для определения количества снега, которое может отложиться на земляном полотне насыпи, необходимо знать изменение скорости снеговетрового потока в характерных точках над насыпью по отношению к полевой скорости (V/Vn). Расчетная схема для оценки снегозаносимости насыпи приведена на рис.2.11. Характерными точками, которые предстоит исследовать, будут: I - перед насыпью, II - над наветренной бровкой насыпи, III - над осью дороги, IV - над подветренной бровкой насыпи. Для расчетов примем прямоугольную систему координат хОу, с осью Оу, совпадающей с осью дороги.
Рис.2.11. Расчетная схема для определения снегозаносимости насыпиДля определения изменения скорости снеговетрового потока (V) над поверхностью земляного полотна при различных значениях полевой скорости (Vn), ширины земляного полотна (В) и высоты насыпи (Н) воспользуемся формулой Дюнина А.К.(1.10):
В снеговетровом потоке будет меняться его насыщенность снегом при прохождении над насыпью и при изменении скорости движения.Предлагается следующая расчетная схема для определения количества снега, которое может отложиться на земляном полотне.
Координаты точек I, II, III, IV определяются по следующим формулам: обозначения приняты в соответствии с табл.2.2 и расчетной схемой (см. рис. 2.1).В расчетах будем предполагать, что к насыпи снеговетровой поток подходит насыщенным, следовательно, реализована его полная транспортирующая способность. Это условие можно записать в виде соотношений:
Доля снега (77), выпадающего из снеговетрового потока в зависимости от отношения (V/Vn) определяется по формуле (2.33).При известном объеме снегоприноса (Wnp\ количество снега, которое отложится в рассматриваемой точке, определяется по формуле (2.35):Тогда объем снега проносимого дальше (Wnp0H) определяется по формуле (2.36):
Аналогичные выражения могут быть получены для всех характерных точек насыпи. Формулы для определения количества откладывающегося снега по рассматриваемым сечениям I-IV приведены в табл.2.6.
Если в качестве Wnp принять объем снегоприноса за зимний период, то по формулам, приведенным в табл.2.6 можно рассчитать объем отложений снега за весь зимний период. Если Wnp - объем снегоприноса от расчетной метели, то указанные формулы дают возможность определить объем снега на земляном полотне за расчетную метель.
Несмотря на то, что расчетные формулы для определения количества снега совпадают с формулами, полученными для раскрытых выемок, расчетный объем отложений снега на земляном полотне, который можно ожидать за одну метель или за зиму, определяется по формуле:
Таким образом, приведенные в разделах 2.7-2.9 расчетные формулы представляют конкретную математическую реализацию общей математической модели (2.1). На основе метеорологических и дорожных данных количественную оценку снега, отложившегося на земляном полотне можно получить:для нераскрытых выемок по формулам (2.27)-(2.29);для раскрытых выемок по формулам (2.42) - (2.45); для снегозаносимых насыпей по формулам (2.54) - (2.57). Эти расчетные формулы могут составить основу проведения вычислительного эксперимента на ЭВМ с целью получения количественной оценки снега на любом участке дороги, проходящей в различных климатических зонах.
Для проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ необходимо реализовать предлагаемые в данном разделе математические модели с целью количественной оценки снегозаносимости различных участков дорог.
В соответствии с современными требованиями к программному обеспечению, алгоритмы расчета реализованы в программу, имеющую модульную структуру, что позволяет корректировать отдельные модули или дополнять ее новыми, а также использовать их как самостоятельные программы для расчета.
Исходные данные и результаты расчета хранятся в виде баз данных определенной структуры. Это позволяет использовать данные в любых других расчетах, получать по ним отчеты любой формы. Использование баз данных позволяет в дальнейшем обеспечить информационную совместимость полученных результатов с автоматизированным банком дорожных данных (АБДД Дорога). Современные технологии СУБД поддерживают базы данных любых форматов и при их развитии и совершенствовании автоматически конвертируют данные из одного формата в другой. При проектировании баз данных примем за основу принцип их многоуровневого представления.
Принятый поход к реализации математических моделей позволяет обеспечить достаточную гибкость, как программных средств, так и информационных баз данных.Для получения количественной оценки снегозаносимости дорог в зимний период предлагается проводить вычислительный эксперимент в пять этапов.Обобщенная схема проведения вычислительного эксперимента представлена на рис.2.12, а детальные схемы для каждого этапа с указанием всех информационных ресурсов на рис. 2.13, 2.14, 2.15, 2.16, 2.17.
Материалы, используемые для проверки адекватности моделей
Для проверки адекватности моделей использовались:1) результаты снегомерных съемок, которые проводились на дорогах Воронежской области в зимние периоды 1979-1980 гг. и 1983-1984 гг., с целью определения региональных норм объемов снегоприно-са к автомобильным дорогам /27/;2) данные снегомерных съемок, проведенных Управлением автомобильной дороги Москва-Харьков на территории Курской и Белгородской областей после прохождения снежной бури 17-21 января 1970 г./13,14,120,131,132/;3) снегомерные съемки, проведенные автором на участке автомагистрали "Крым" на обходе города Мценск в Орловской области в зимний период 1996-1997 гг.;4) снегомерные съемки, проведенные автором на автомобильной дороге Семилуки-Землянск в Воронежской области.
Для сопоставления результатов обрабатывались данные метеостанций Острогожск, Россошь, Мценск, Нижнедевицк, Обоянь и Богородицкое-Фенино, в зоне которых находятся экспериментальные участки, за те же зимние периоды, когда производились опытно-экспериментальные работы.
Вся метеорологическая информация была приобретена в различные годы у организаций Росгидромета. До 1990 года ее выборка осуществлялась на безвозмездной основе, а после 1990 года-за оплату.
При выборе участков дороги для проверки модели определения объемов снегоприноса в отдельную метель было учтено следующее условие: наличие снегозащиты, способной задержать свыше 100 м /м принесенного снега. Это условие позволяет определить объем снега, принесенного к одной стороне дороги, так как снегозащита его задерживает полностью.
При выборе участков для проверки моделей по определению объема снегоотложений на земляном полотне были учтены следующие условия:- отсутствие снегозащиты;- наличие всех элементов поперечного профиля, для которых разработана модель;- различное направление участков дороги.
Количество опытных участков - 26, их характеристика приведена в табл.3 Л.Определение фактических объемов снега, откладывающегося на земляном полотне автомобильной дороги, производилось по данным о высоте и длине снегоотложений /39,65/. Одновременно проводилось определение плотности снега в снегоотложениях. При проведении эксперимента использовались приборы, перечень которых приведен в табл.3.2. В летний период на выбранных для эксперимента участках автомобильной дороги проводилась тахеометрическая съемка поперечных профилей земляного полотна в относительных или абсолютных отметках. Определялись отметки: бровки земляного полотна, дна кюветов, отметки бровок откосов выемок и отметки земли в поле на расстоянии 15-20 м от бровки откоса выемки или от кювета насыпи. На основе полученных данных вычерчивались поперечные профили земляного полотна.
В зимний период измерение высоты снегоотложений проводилось в характерных точках поперечного профиля земли и в точках изменения формы и высоты снегоотложений, обмерялись валы снега на бровке земляного полотна.
Высота снегоотложений определялась с помощью нивелировочной рейки. Расстояние между точками измерения замерялось рулеткой со стальной лентой или нивелировочной рейкой.
Пример съемки профиля снегоотложений приведен на рис.3.1.Плотность снега в снегоотложениях определялась с помощью режущего кольца. Для этого на выровненную площадку снежных отложений с ровной вертикальной гранью ставят кольцо острым краем вниз и понемногу нажимают кольцо до полного заполнения его снегом. После заполнения кольца, снег подрезают острым ножом снизу и отделяют кольцо со снегом от монолита. Избыток снега, выступающий из кольца, срезают вровень с краями кольца. Наружную поверхность кольца тщательно очищают от приставшего снега. Снег из кольца аккуратно переносят в полиэтиленовый пакет. Далее в лабораторных условиях взвешивают снег в пакете (q) и отдельно пакет (д/).
Плотность снега в снегоотложениях (S) определяется по формуле: где V- объем режущего кольца, см3.Объем снегоотложений определялся по геометрическим фигурам. Для этого профиль снегоотложений разбивался на простые геометрические фигуры. Для треугольных фигур объем снега определялся по формуле:где h - высота снегоотложений, м; / - длина снегоотложений, м; // -ширина полосы снегоотложений (//=1 м).
Для прямоугольника объем снега составляет:Для трапеции объем снега определялся по формуле:где / и І2 - верхнее и нижнее основания трапеции, м. Объем снегоотложений у обследуемого участка дороги вычислялся суммированием:где Q\-объемы снегоотложений для ї-ой фигуры, м3/м.
Измерения снегоотложений производились после прохождения интенсивной метели или в конце зимнего периода.Если замеры снегоотложений производились после прохождения интенсивных метелей, то объем снега, отложившегося из снеговетрового потока, определялся по формуле:
Если измерения снегоотложении производились в конце зимнего периода, то при определении объема снегоотложении учитывались потери снега от испарения и таяния во время оттепелей в межметелевые периоды, введением коэффициента потерь КПу и изменение плотности снегоотложении, при этом объем отложившегося из снеговетрового потока снега составит/27/:
Объем метелевых снегоотложении определяется как разность между общим объемом снегоотложении iQomn) и объемом снегоотложении от снегопада (QCn) по формуле:Объем отложившегося снега от снегопада определяется по формуле:где В - ширина земляного полотна, м; hcn- высота снежного покрова на дату проведения замеров по данным метеостанции, м.
Средняя высота метелевых снегоотложении на земляном полотне составит:17-20 января 1970 г. на Курскую, Белгородскую и Харьковскую области обрушилась огромной силы снежная буря, которая остановила движение на автомобильной дороге Москва-Харьков /13,14,120,131,132/.
Вдоль всей дороги имелись молодые посадки (5-Ю лет) двухполосных снегозадерживающих насаждений, расположенных от дороги на расстоянии 10-17 м, которое не соответствует, как показала практика, расчет ным объемам снегоприноса. В связи с этим, при прохождении большой метели, какой оказалась метель 17-20 января 1970 г., лесополосы и дорога сработали, как одно снегозадерживающее устройство, расположенное посреди поля. Дорога оказалась в зоне метелевых отложений. Высота снежных отложений на проезжей части при этом достигала 3,0-4,0 м. Управление автомагистрали Москва - Харьков провело натурные измерения на характерных участках дороги. Это редкий случай замеренных снегоотложений большого объема в метель. Поэтому автор использовал данные этих натурных измерений для проверки адекватности математической модели определения объема снегоприноса и возможных от него объемов снегоотложений после прохождения метели.
Для сравнения рассчитанных данных с результатами натурных измерений были обработаны данные двух метеостанций - Обоянь и Богородиц-кое-Фенино, расположенных в районе прохождения автомобильной дороги Москва - Харьков. В результате обработки данных метеостанций определены:1) объем снегоприноса к дороге с 01.01.69 г. по 16.01.70 г.;2) средняя плотность снегоотложений на 16.01.70 г. и коэффициент потерь снега от испарения и таяния во время оттепелей;3) возможный от объема снегоприноса объем снегоотложений на 16.01.70 г.;4) объем снегоприноса к дороге за метель 17-20.01.70 г.Все полученные данные представлены в табл.3.3.Проведено определение объема снегоотложений от снегопада, прошедшего 17-20.01.70 г., которое приведено в табл.3.4.
