Учебное пособие 1039

На правах рукописи

АЛИМОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

МОНИТОРИНГ СНЕГОЗАНОСИМОСТИ ВЫЕМОК НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, аэродромов, мостов, метрополитенов и транспортных тоннелей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: Самодурова Татьяна Васильевна

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Бондарев Борис Александрович

доктор технических наук, профессор, Липецкий государственный технический университет / кафедра строительных материалов, профессор

Миронюк Дмитрий Александрович

кандидат технических наук, Военный учебно-научный центр Военно-

воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) / кафедра изыскания и проектирования аэродромов, старший преподаватель

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский дорожный научноисследовательский институт»

Защита диссертации состоится 19 июня 2013 г. в 1000 на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектур- но-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, аудитория 3220, тел./факс: +7(4732)271-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Минобрнауки РФ и на официальном сайте Воронежского ГАСУ

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В федеральной целевой программе «Развитие транспортной системы России (2010 - 2015 годы)» в качестве приоритетной сформулирована задача повышения комплексной безопасности и устойчивости работы транспортной системы. Проблема обеспечения бесперебойного и безопасного движения автотранспорта на снегозаносимых участках автомобильных дорог во время прохождения снегопадов и метелей приобретает особую актуальность в зимний период.

Действующие нормативные документы регламентируют параметры патрульной снегоочистки для всей трассы автомобильной дороги, не учитывая, что на снегозаносимых участках отложения снега на проезжей части и обочинах наблюдаются чаще и в больших объемах, чем на расположенных рядом незаносимых участках. Это приводит к снижению скорости и перерывам в движении транспортных потоков при длительных и интенсивных снегопадах и метелях.

Решение задачи обеспечения бесперебойного движения в сложных погодных условиях возможно на основе создания системы мониторинга снегозаносимых участков автомобильных дорог, к которым относятся, в первую очередь, нераскрытые выемки.

Развивающиеся в настоящее время погодные дорожные системы предоставляют технические возможности для организации наблюдений за погодными условиями и состоянием снегозаносимых участков. Требования к уровню содержания дорог составляют нормативную базу для развития мониторинга снегозаносимых участков, но отсутствие вычислительной и прогностической подсистем, а также системы поддержки принятия решений по снегоочистке не позволяют создать полноценную систему мониторинга.

Таким образом, разработка системы мониторинга снегозаносимых участков дорог является актуальной задачей, решение которой повысит эксплуатационную надежность автомобильных дорог в зимний период. В диссертационной работе проведены исследования по мониторингу выемок, которые относятся к категории сильнозаносимых участков автомобильных дорог.

Объект исследования – снегозаносимые участки автомобильных дорог в выемках.

Предмет исследования – закономерности формирования снежных отложений в выемках и динамика снегонакопления под воздействием различных факторов.

Целью диссертационной работы является разработка системы мониторинга снегозаносимости выемок автомобильных дорог для организации работ по зимнему содержанию.

Основные задачи исследования:

1.Разработать систему мониторинга снезаносимости выемок и определить перечень параметров, влияющих на динамику снегонакоплений в зимний период;

2.Разработать динамическую модель для расчета снежных накоплений в

3

выемках, учитывающую отложения снега от метелей, снегопадов, снегоочистки

ипотери снега от воздействия погодных факторов.

3.Провести опытно-экспериментальную проверку адекватности предложенной математической модели расчета снежных накоплений;

4.Провести серию вычислительных экспериментов для оценки снегозаносимости выемок различной глубины и исследования динамики накопления снега на откосах, в кюветах и на проезжей части выемки;

5.Разработать алгоритм обработки погодной и дорожной информации для оценки и прогноза снегозаносимости выемок;

6.Разработать практические рекомендации по выбору технологий работ по зимнему содержанию на основе прогноза снегозаносимости выемки.

Научная новизна заключается в следующем:

предложена система мониторинга снегозаносимых участков дорог, включающая математическую модель и алгоритм определения текущего и прогнозируемого эксплуатационного состояния участков дорог в выемках, блоки принятия решений по выбору технологии работ по снегоочистке и их реализации;

установлен перечень приоритетных природных факторов, погодных и дорожных параметров - геометрические параметры выемки, направление участка дороги, температурный и ветровой режим зимнего периода;

предложена математическая модель баланса для расчета накопления снега на откосах и в кюветах выемок от метелей, снегопадов, снегоочистки и его потери от воздействия погодных факторов (температуры воздуха и скорости ветра);

в результате статистической обработки данных метеостанций, получены показательные законы распределения основных погодных величин, определяющих процессы снегонакоплений в выемках – температуры воздуха при выпадении твердых осадков, объемов снегопереноса при метелях, интенсивности и количества выпавших осадков при снегопадах;

по результатам вычислительных экспериментов выявлена динамика снегонакопления в выемках различной глубины, на основании которых возможен прогноз даты достижения полной снегоемкости и объемов снега на дорожном покрытии, необходимых для принятия решений по выбору технологии работ по снегоочистке.

Научная значимость работы определяется разработкой системы мониторинга снегозаносимости опасных участков дорог, математической модели и алгоритма определения текущего и прогнозируемого эксплуатационного состояния участков дорог в выемках.

Практическая значимость работы диссертационной работы заключается в разработке рекомендаций по мониторингу снегозаносимости выемок, разработке алгоритма обработки погодной и дорожной информации для оценки и прогноза снегозаносимости выемок.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием результатов теоретических исследований и математических моделей, адекватность которых была доказана ранее, соблюдением основных

4

принципов математического моделирования и обеспечивается сопоставлением результатов моделирования с опытно-экспериментальными данными снегомерных съемок.

Реализация результатов научных исследований. Результаты исследова-

ний использовались при выполнении научно - исследовательских работ по теме «Исследование и разработка методов и средств упреждающего автоматизированного сбора и анализа информации об угрозах природного происхождения (оползни, лавины, камнепады, обледенения, подтопления и т.п.) на автомобильных дорогах общего пользования в целях своевременного реагирования на указанные угрозы и минимизации их последствий» в виде аналитических материалов и алгоритмов при разработке раздела «Модели системы упреждающего автоматизированного сбора и анализа информации об угрозах природного происхождения на федеральных автомобильных дорогах общего пользования»

Результаты исследований использованы при выполнении проекта «Реконструкция автомобильной дороги 1Р 228 Сызрань – Саратов – Волгоград на участке км 446+693 – км 465+000, Волгоградская область». В раздел проекта «Организация работ по содержанию автомобильной дороги 1Р 228 Сызрань – Саратов – Волгоград на участке км 446+693 – км 465+000, Волгоградская область» вошли результаты оценки снегоемкости выемок и варианты снегозащиты трех участков дороги, проходящих в нераскрытых выемках.

Результаты исследований использовались в учебном процессе Воронежского государственного архитектурно-строительного университета при выполнении дипломных научных работ и технических деталей дипломных проектов.

На защиту выносятся:

математические модели расчета остаточной снегоемкости и прогнозирования снегозаносимости выемок;

динамическая модель накопления снега в выемках, учитывающая отложения снега от метелей, снегопадов, снегоочистки и потери снега от воздействия погодных факторов;

параметры законов распределения основных физических величин, определяющих процессы снегонакопления - температуры воздуха при выпадении твердых осадков, объемов снегопереноса при метелях, интенсивности и количества выпавших осадков при снегопадах;

алгоритм обработки данных для расчета объемов отложений снега и прогноза объемов работ по снегоочистке для выемок различной глубины.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава Воронежского государственного архитектурностроительного университета (2004-2012гг.), на Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004г.), Международных конференциях «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 2004г., 2006г., Ростов-на-Дону, 2005г., 2006г.), Международных научно-технических конференциях «Современные технологии, машины и материалы для зимнего содержания автомобильных дорог» (г. Могилев, 2005г.,

5

2010г.), Научно-технической конференции «Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (МАДИ, Москва, 2007г.), на Международной конференции SIRWEC (Финляндия, Хельсинки, 2012г.), на Международной конференции «Snow engineering VII» (Япония, Фукуй, 2012г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ общим объемом 88 страницы, из которых лично автору принадлежит 38 страниц. Четыре работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ: «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура», «Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета», сборник «Дороги и мосты».

В статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] представлена динамическая математическая модель для определения объемов снегонакоплений на откосах и в кюветах выемок, в работе [2] представлена математическая модель, учитывающая воздействие погодных факторов на динамику снегонакопления в нераскрытой выемке; в работе [3] рассмотрена задача мониторинга снегозаносимых участков, представлены расчет остаточной снегоемкости выемки и пошаговый алгоритм оценки ее снегозаносимости; в работе [4] представлены результаты опытно-экспериментальной проверки адекватности математических моделей.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введе-

ния, четырех глав, изложенных на 160 страницах машинописного текста, основных выводов, списка литературы, содержащего 163 наименований, и двух приложений. Диссертация содержит 35 рисунков, 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследо-

вания, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна

ипрактическая значимость работы.

Впервой главе представлен анализ результатов исследований снегозаносимости нераскрытых выемок, существующих методов расчета снегоприноса, расчетных схем и формул для определения снегоемкости откосов и кюветов нераскрытых выемок и потерь снега.

Большой вклад в развитие теории снегоприноса внесли А.А.Комаров, А.К. Дюнин, А.А.Кунгурцев, Д.М. Мельник и другие ученые, вопросами снегозаносимости выемок занимались А.Х. Хргиан, Н.Е. Долгов, А.А. Кунгурцев, Г.В. Бялобжеский, А.П.Васильев. Процессы потерь снега при его таянии и уплотнении исследовали Д.М.Мельник, А.К. Дюнин, И.А. Гладышева, Н.Г. Дмитриева, Н.И. Паневин. Модели для количественной оценки снега на покрытиях автомобильных дорог получены Гладышевой О.В. Результаты этих исследований использовались при проектировании снегозащиты автомобильных дорог.

Анализ стандартов на зимнее содержание дорог сделать вывод о том, что жесткие требования к уровню содержания дорог приводят к необходимости развития системы мониторинга снегозаносимых участков.

6

Современные дорожные датчики и видеокамеры позволяют получить информацию для оценки состояния дорожного покрытия в режиме реального времени, а информационные системы - реализовать расчетные и прогностические модели для мониторинга опасных участков дорог. Отмечено, что в настоящее время, не имеется моделей для оценки и прогноза снегозаносимости участков автомобильных дорог, проходящих в выемках.

Проведенный обзор состояния вопроса позволил конкретизировать цель и задачи исследования, изложенные выше.

7

Согласно схеме снегоемкость нераскрытой выемки QНВ глубиной Н рассчитывалась по формуле:

Остаточная снегоемкость – свободная на любой момент времени t,

величина снегоемкости, которая может быть заполнена снегом определялась как разница между объемом полной снегоемкости и объемом накопленного снега

Объем снегонакоплений на откосах и в кюветах нераскрытой выемки в

любой момент времени зимнего периода t описан в общем виде динамической моделью:

где Qснп – объем снега, выпавший при снегопадах, м3/м; Qмет – объем снега, принесенный к выемке при метелях, м3/м; Qуб - объем снега, перемещенный с проезжей части и обочин на откосы и в кюветы выемки при патрульной снегоочистке, м3/м; Qпот – объем потерь снега под действием погодных факторов, м3/м; t – время, ч.

Исходя из физической постановки задачи, в любой момент времени t объ-

где J - интенсивность снегопада, мм/ч; B – ширина очищаемой проезжей части и обочин, м; L - длина участка снегоочистки, км; tсн - продолжительность снегопада, ч; уб - плот-

ность снега, после снегоочистки.

Объем потерь снега на откосе и в кювете нераскрытой выемки от воздействия погодных факторов рассчитан по формуле:

где Qсв – объем свежих снегоотложений от метели или снегопада, м3/м; ср – средняя

плотность снегоотложений , т/м3; пот – плотность отложений с учетом воздействия погодных факторов, т/м3.

Представлена методика проведения вычислительного эксперимента по оценке снегонакоплений в нераскрытой выемке.

В третьей главе приведена методика и результаты проведения опытноэкспериментальных работ по проверке адекватности математических моделей

8

оценки снегозаносимости нераскрытых выемок. Проверка адекватности проведена путем сопоставления рассчитанных объемов снегоотложений с фактическими объемами, определенными в ходе специальных снегомерных съемок.

При проверке адекватности модели использовались:

-данные тахеометрической съемки поперечных профилей земляного полотна на опытных участках,

-данные снегомерных съемок, проведенных на 6 опытных участках автомобильной дороги А-144 Курск – Воронеж – Борисоглебск в Воронежской области и федеральной автомагистрали М2 «Крым» на обходе г. Мценск в Орловской области,.

-данные метеостанций Государственной наблюдательной сети в местах расположения опытных участков.

На опытных участках проводились измерения высоты снежных отложений в характерных точках поперечного профиля земли и в точках изменения их формы и высоты, обмерялись валы снега на бровке земляного полотна. Пример съемки поперечного профиля снегоотложений на участке нераскрытой выемки приведен на рис. 3.

кюветах нераскрытых выемок с данными фактических измерений колеблется в пределах от 82 % до 98 %.Сходимость показателей плотности превышает 90 %. Сделан вывод о возможности применения разработанной математической модели для количественной оценки снежных отложений в нераскрытых выемках.

По результатам вычислительных экспериментов проведено исследование динамики снегонакопления в нераскрытых выемках на основе погодной информации метеостанции Мценск за 42 зимних сезона. Для численного моделирования разработана программа в СУБД Microsoft Visual Fox Pro.

Детальный анализ динамики снегонакопления проведен по 6 зимним сезонам с наиболее интенсивной метелевой деятельностью. Установлено, что основные параметры метелей и снегопадов являются случайными величинами, подчиняющимися показательному закону. Результаты статистической обработки результатов вычислительных экспериментов приведены в табл. 1.

Случайный характер параметров отдельных метелей и снегопадов позволил сделать вывод о необходимости мониторинга снегозаносимости нераскры-

9

тых выемок на основании обработки данных метеостанций об осадках, продолжительностью их выпадения, скоростью и направлением ветра. Такие расчеты должны вестись постоянно в течение зимнего сезона.

Результаты математического моделирования объемов снегонакоплений в нераскрытых выемках позволили оценить влияние объемов снега от метелей и снегопадов на количество снежных отложений. Накопление снега на откосах и

вкюветах выемки при учете объемов от метелей и снегопадов идет интенсивнее, чем при учете только метелей. В отдельные годы доля снега от снегопадов

вобщем объеме превышает 30 %. Результаты расчетов приведены в табл. 2. Динамика накопления снега от метелей и снегопадов на откосах и в кю-

ветах нераскрытых выемок представлена на рис. 4.

Таблица 2 Объем снега от метелей и снегопадов в течение зимнего периода

(по результатам моделирования)

Анализ графиков позволяет установить даты достижения полной снегоемкости нераскрытых выемок различной глубины как проекции на временную ось точек пересечения кривой объемов снежных накоплений с линиями, характеризующими полную снегоемкость выемки соответствующей глубины. Объем снега на откосах и в кюветах в этот момент соответствует ее полной снегоемкости:

10