автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Мониторинг снегозаносимости выемок на автомобильных дорогах

На правах рукописи

005060633

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

3 О МАЙ 2013

Воронеж-2013

Г\

005060633

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 научно-исследовательский институт»

Защита диссертации состоится 19 июня 2013 г. в Ю00 на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-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

Автореферат разослан 15 мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /_— А. И. Колосов

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 снегоочистхи 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 незано-симых 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

выемках, учитывающую отложения снега от метелей, снегопадов, снегоочистки и потери снега от воздействия погодных факторов,

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

4. Провести серию вычислительных экспериментов для оценки снегоза-носнмости 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 снегозаносимостн выемок;

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

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

_ Реализация результатов научных исследований. Результаты исследований 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 обпасть» 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 профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного архитектурно-строительного 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.

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, Фукуи, 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 снегозаноси-мых 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 введения, 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 исследования, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

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

Большой вклад в развитие теории снегоприиоса 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, A.A. 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.

Задачи оперативного управления зкмнкм содержанием дорог

Обгашок требуемого

Оргишжшя р*6«т

оожлкму

<од<р>

X

Подсистема наблюдений

Ияформаоаов о&мххе уприаолп

И^оршдп об ожруашощей среде

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.

Во второй главе представлены математические модели для мониторинга снегозаносимости нераскрытых выемок. Мониторинг снего-заносимых участков дорог представлен в виде схемы, приведенной на рис. 1.

Выявлены все параметры (погодные и дорожные факторы, природные условия и геометрические параметры нераскрытых выемок), определяющие объем снежных накоплений при снегопадах и метелях. Для расчета снегоемкости откоса и кювета нераскрытой выемки принята схема, приведенная на рис. 2.

Бшаалшх жеюугтшвоеаого

состоят яорог

Подсистема вычвелеяиб и прогнозирования

Оосша текущего шиушцпшмо сосгашушподор»

ПрОПОПфО] хепгтше Состоит у ЧЛ.ШЛ дорога

X.

Коррскпфош нвфоруащтя об объехте мопторшп

Подсястеиа прннжтта решений

Выбор тешазопв работ по звакиу содержим»

Обрабопа арсрипа

Проведение гатруямов Упиея

саегоочястхж I "расиста свегопжхзд

X

| Реализация прняим аемых решений |

Гепмилесш окрщп по хжияму еодгрхыпо дороги Копроппчестп

Рис.1. Схема мониторинга снегозаносимых участков дорог с=4>- информационные потоки

Рис.2. Схема формирования снежных отложений в нераскрытой выемке при метелях

Принято, что сне-гоемкость нераскрытой выемки равна объему снега, который может разместиться в пределах заштрихованной зоны на участке дороги длинной в 1 м.

Согласно схеме снегоемкость нераскрытой выемки £>яв глубиной Я рассчитывалась по формуле:

=0,4329я2 + 0,86587/ + 0,2129, (1)

Остаточная снегоемкость — свободная на любой момент времени /, величина снегоемкости, которая может быть заполнена снегом определялась как разница между объемом полной снегоемкости и объемом накопленного снега

<2«аМ) = <2нВ-йоЛ)- (2)

Объем снегонакоплений на откосах и в кюветах нераскрытой выемки в любой момент времени зимнего периода / описан в общем виде динамической моделью:

=/[а. (О; (О; (0; &„(0;'], (3)

где ()с„„ — объем снега, выпавший при снегопадах, м3/м; — объем снега, принесенный к выемке при метелях, м3/м; О,« - объем снега, перемещенный с проезжей части и обочин на откосы и з кюеегы выемки при патрульной снегоочистке, м3/м; Q|Юm — объем потерь снега под действием погодных факторов, м7м; / - время, ч.

Исходя из физической постановки задачи, в любой момент времени I объем снежных отложений может быть рассчитан по уравнению баланса:

=(0+а«. (0+0)- а.„(О- (4)

Составляющие уравнения (4) рассчитывались по формулам:

Ош=К-М„ (5)

где - объем воды, соответствующий объему растаявших осадков, зафиксированных на метеостанции, м3; 8 - плотность свежевыпавшего снега, кг/м3; <5, - плотность воды, кг/м3.

<2-,» = ^ = ■ 5т(ог„ -«,), (6)

где 1УГ„ - объем снегоприноса к дороге, м3/м; И'„е/1 - объем снегопереноса, м3/м; (%> -направление дороги, град; а, - направление ветра, град.

(7)

где ,/ - интенсивность снегопада, мм/ч; В - ширина очищаемой проезжей части и обочин, м; Ь- длина участка снегоочистки, км; 1С1: - продолжительность снегопада, ч; - плотность снега, после снегоочистки.

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

= -^'¿„оп,, (8)

где Осе — объем свежих снегоотложений от метели или снегопада, и3/м; ёср — средняя ПЛОТНОСТЬ снегоотложений , т/м3; ¿¡к», — 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 опытно-экспериментальных работ по проверке адекватности математических моделей

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 негодной 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-

Фактические значе-

ния плотности снежных отложений определялись с помощью режущего кольца. Снегомерные съемки проводились после интенсивных метелей и снегопадов. Сходимость результатов расчета объемов снежных отложений на откосах и в

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.

Таблица 1

Результаты статистической обработки данных _о параметрах метелей и снегопадов_

Параметр статистической обработки Закон распределения Параметры закона Среднее значение Доверительный интервал разброса среднего значения для доверительной вероятности

0,85 0.90 0,95

Температура воздуха при выпадении осадков, °С Показательный -3,88 -2,27 +-5,49 -2,04 +-5,72 -1,68 +-6,07

Объем снегопе-реноса, м3/м Показательный 11=0,053 18,85 9,25-5-28,44 7,92+29,78 5,79+31,91

Интенсивность снегопада, мм воды/ч Показательный ц=8,47 0,12 0,05-Ю, 18 0,04+0,19 0,03+0,20

Количество осадков от снегопада, мм воды Показательный //=0,38 2,62 1,42+3,82 1,26+3,98 0,99+4,25

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 в кюветах выемки при учете объемов от метелей и снегопадов идет интенсивнее, чем при учете только метелей. В отдельные годы доля снега от снегопадов в общем объеме превышает 30 %. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Динамика накопления снега от метелей и снегопадов на откосах и в кюветах нераскрытых выемок представлена на рис. 4.

Таблица 2

Объем снега от метелей и снегопадов в течение зимнего периода (по результатам моделирования)

Параметр Значение параметра

Объем снежных отложений за зимний период, м'/м от метелей и снегопадов 25,43 76,44 35,59 49,36 41,34 47,52

от метелей 20,35 50,83 28,07 46,10 27,92 36,39

Доля снега от снегопадов в общем объеме, % 20,0 33,5 21,1 6,6 32,5 23,4

Анализ графиков позволяет установить даты достижения полной снегоем-кости 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:

а)

б)

о

9,0 ! 8,0 ¡,0 Р 6,0

I 5,0 1 4,0 1 3,0

Г"

о 1,0 0,0

1

1

1

и J 3 . - «_______У1 1 1 ......Х-.«*

1.8 1.6 1,4 1,2 1.0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

I I I I I I 11 11 1 I 14111 г

дата

Рис. 4. Динамика накопления снега на подветренных откосах и в кюветах нераскрытых выемок в течение зимнего периода: а) динамика снегнаконления

...........полная снегоемхость нераскрытой выемки, определенной глубины, м3/м;

---суммарный объем снега от метелей и снегопадов, м'Ум;

•——- - объем снега от метелей, м3/м; б) объемы снега от снегопадов и метелей ■■"—- объем снега при снегопаде, м7м; а - объем снега, принесенного во время метели м3/м

Исследовано влияние термического и ветрового воздействия на объемы снежных отложений в зимний период. Потери снега определялись с учетом изменения плотности и объема отложений в периоды между метелями и снегопадами.

Результаты расчетов для одного из зимних периодов представлены на рис. 5, объемы снегонакоплений совмещены с данными но скорости ветра и температуре воздуха. Разница между объемами снега, рассчитанными с учетом и без учета потерь от термического и ветрового воздействия с течением времени возрастает и достигает максимума к концу зимнего сезона.

В табл. 3 приведены результаты расчетов объемов снега на подветренных откосах и в кюветах нераскрытой выемки в конце каждого из шести зимних периодов наблюдения. В отдельные годы потери снега, рассчитанные на конец зимнего периода, превышают 60% от общего объема снегонакоплений.

Рис. 5. Динамика снегонакоплений с учетом влияния погодных факторов: — • • — - количество дней с порывами ветра более 5 м/с;

— . — • - среднесуточная и----максимальная температура воздуха днем, °С;

•••• - полная снегоемкость нераскрытой выемки, соответствующей глубины, м3/м,

—---объем снегонакоплений с учетом воздействия погодных факторов, м3/м;

------ - объем накоплений без учета воздействия погодных факторов, м3/м

Таблица 3

Влияние погодных факторов на объем снежных отложений__

Параметр Значение параметра

Объем снежных отложений, м3/м без учета влияния погодных факторов 25,43 76,44 35,59 49,36 41,34 47,53

с учетов влияния погодных факторов 13,72 33,78 14,04 34,73 15,70 19,66

Потери снега, % 46,0 55,8 60,5 42,1 62,0 58,6

Рассчитано уравнение регрессии, описывающее зависимость потерь снега на откосах и в кюветах нераскрытых выемок от превышения температуры воздуха над климатической нормой ( Д7",):

Рг<м = 0,6ДГ,2+3,267ДГ.+3,974 (Ю)

Влияние факториального признака на результативный ц >0,95, что говорит о тесной корреляционной зависимости. Коэффициент детерминации составляет: д = г]2 =0,906, следовательно превышение температуры воздуха над климатической нормой является доминирующим фактором (90,6 % потерь снега обусловливается температурным фактором, остальные 9,4 % - влиянием ветра). Проверка адекватности регрессионной модели проведена по критерию Фишера.

Проведено исследование влияния объемов снегоуборочных работ на процессы накопления снега на откосах и в кюветах нераскрытых выемок.

При расчетах учтен объем снега, выпавший на покрытие во время снегопадов при условии его размещения на откосах и в кювете выемки. К концу зимнего периода объем снега от снегоуборки не превышает 3,3 % от общего объема. Однако, при интенсивных и продолжительных снегопадах их доля в общем объеме отложений может иметь значительную величину. Это может привести к тому, что снегоемкость откосов и кюветов выемок с учетом и без учета объемов снега от патрульной снегоочистки будут исчерпаны в разные сроки.

Результатов численных экспериментов по расчету даты достижения полной снегоемкости с учетом всех факторов приведены в табл. 4.

Таблица 4

Даты достижения полной снегоемкости нераскрытых выемок,

Глубина выемки, м Дата достижения полной снегоемкости в различные годы

1,0 15/11 12/11 23/11 20/12 23/11 19/11

2,0 19/11 05/12 30/11 24/12 29/11 19/11

3,0 23/11 16/12 18/01 24/12 29/11 19/11

4,0 24/11 18/12 18/01 30/12 11/12. 07/12

5,0 24/11 09/01 18/01 21/0 П 28/12 07/12

6,0 нд* 09/01 20/01 26/01 20/02 16/02

7,0 нд 09/01 нд 29/01 нд 16/02

8,0 нд 12/01 нд 22/03 нд нд

9,0 нд 13/02 нд нд нд нд

10,0 нд 23/02 нд нд нд нд

11,0 нд нд нд нд нд нд

Примечание: * нд - полная снегоемкость не достигнута

Разработанная динамическая модель для оценки объемов снегоотложений в нераскрытых выемках и обработка данных метеостанции позволили рассчитать количество снега, откладывающегося на дорожном покрытии для двух случаев:

- для снегонезаносимого участка,

- для участка дорога, проходящего в нераскрытой выемке. Результаты расчетов для нераскрытой выемки глубиной 5 м представлены на рис. 6.

Анализ результатов расчета показывает, что объемы снега и частота его отложений на проезжей части снегозаносимого участка в выемке значительно превышают те же показатели для снегонезаносимого участка дороги.

а)

0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

!

1 1

Л- /Л..........,%••«•;••—;...........;.....,......А-...,-......

б)

Рис. 6. Динамика отложения снеге на проезжей части и обочинах дороги а - на снегонезаносимом участке, б - на участке, проходящем в нераскрытой выемке

глубиной 5 м ; —-—- - объем снега на дорожном покрытии, м3/м; ...........максимально допустимая толщнна снега, согласно требованиям к уровню содержания, м

До момента достижения полной снегоемкости нераскрытой выемки объемы сопоставимы для двух участков. После достижения полной снегоемкости откосов и кюветов выемок количество случаев отложения снега на проезжей части выемки и объемы снега значительно превышают эти же параметры по сравнению со снегонезаносимым участком. При этом объемы от снегопадов на участках совпадают, а во время метелей в нераскрытой выемке принесенный к дороге снег выходит на покрытие. Таким образом, цикличность работ по снегоочистке на участках нераскрытых выемок значительно превышает цикличность работ на снегонезаносимых участках.

В четвертой главе приведены практические рекомендации по мониторингу снегозаносимости нераскрытых выемок.

Представлены информационные ресурсы, необходимые для мониторинга, даны рекомендации по пополнению существующих баз данных дня решения задач мониторинга и выбора технологии работ по снегоочистке. Разработана

схема информационного обмена при мониторинге снегозаносимости нераскрытых выемок.

Разработан алгоритм обработки погодной и дорожной информации для расчета остаточной снегоемкостк нераскрытой выемки в течение зимнего сезона, прогнозирования объема снега на дорожном покрытии и выбора технологии работ по снегоочистке.

Рассчитана экономическая эффективность от внедрения презлагаемых решений в практику зимнего содержания дорог. Экономический эффект достигается за счет:

- повышения скорости движения при правильном выборе технологии работ по снегоочистке,

- исключения перерывов в движении при снежных заносах за счет своевременного прогноза снегозаноимости при мониторинге нераскрытых выемок.

Экономический эффект зависит от интенсивности движения и временного фактора и может быть определен по номограммам, приведенным на рис. 8.

а б

Рис. 8. Экономический эффект предлагаемых решений а - за счет повышения скорости движения при своевременной снегоочистке, б - за счет предотвращения перерывов движения.

— -- - 50 авт/ч; —— - - 150 авт/ч; .— — - 300 авт/ч;■■ 650 авт/ч

ВЫВОДЫ

1. Впервые 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. Предложенная система позволяет организовать работы по зимнему содержанию участков дорог, проходящих в выемках.

2. Установлен перечень приоритетных природных факторов, погодных и дорожных параметров - геометрические параметры выемки, направление участка дороги, температурный и ветровой режим зимнего периода, для мониторинга снегозаносимости участков автомобильных дорог в выемках.

3. Впервые 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 воз-

духа и скорости ветра), позволяющая оценивать остаточную снегоемкость выемки в течение зимнего периода и прогнозировать объемы работ по снегоочистке. Экспериментально подтверждена адекватность предложенной модели, сходимость результатов расчета и фактически измеренных объемов снега составляет от 82 до 90 %.

4. 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, подтверждающие случайный характер указанных параметров и необходимость мониторинга участков дорог в выемках;

5. По результатам вычислительных экспериментов выявлена динамика снегонакопления в выемках различной глубины, на основании которой возможен прогноз даты достижения полной снегоемкости и объемов снега на дорожном покрытии, что позволяет принимать решения по выбору технологии работ по снегоочистке.

6. Результаты исследований могут быть внедрены в практику зимнего содержания дорог в виде информационной подсистемы мониторинга, которая включает в себя погодные и дорожные информационные ресурсы, алгоритмы расчета и прогноза снегозаносимости выемок. Внедрение результатов исследований позволит получить эффект в экономике государства за счет повышения скорости движения и исключении перерывов в движении при снежных заносах. Количественное значение экономического эффекта зависит от интенсивности движения и может быть определено по номограммам.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, входящих в Перечень ВАК

1. Алимова, Н. Ю. Динамика накопления снега на откосах и в кюветах нераскрытых выемок [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, Н. Ю. Алимова // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2011. - № 3 (23). - С. 109-116. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 3)

2. Алимова, Н. Ю. Учет воздействия погодных факторов на динамику снегонакоплений в нераскрытых выемках [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, Н.Ю.Алимова//Вестник ТГАСУ- 2011. № 4 (33). - С. 198-208. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 5.)

3. Алимова, Н. Ю. Мониторинг накопления снега на снегозаносимых участках автомобильных дорог [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, Н. Ю. Алимова // Сборник «Дорога и мосты». - 2012. - Вып. 27. - С. 87-101. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 7)

4. Алимова, Н. Ю. Проверка адекватности моделей для оценки снегозаносимости автомобильных дорог [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, Н. Ю. Алимова, С.М. Ширяева // Научный вестник Воронежского ГАСУ.

Строительство и архитектура. - 2013. - № 1 (29). - С. 66-74. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 3.)

Статьи в других изданиях

1. Козлова, Н. Ю. Базы данных метеорологической информации при оценке безопасности движения в зимний период [Текст] / Т. В. Самодурова, П. А. Наумов, Козлова Н. Ю. // Математика. Компьютер. Образование: тезисы 11-й междунар. конф. - Дубна, 2004, - С. 65. .(Количество страниц, выполненных лично соискателем - 0,5 стр.)

2. Козлова, Н. Ю. Использование программного комплекса КРЕДО для построения дорожных климатических моделей [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, П. А. Наумов, Козлова Н. Ю. // Автоматизированные технологии изысканий и проектирования. - 2004. - № 15. - С. 41-43. (Количество страниц, выполненных лично соискателем -1 стр.)

3. Козлова, Н. Ю. Климатические модели для решения задач зимнего содержания автомобильных дорог [Текст] / Т. В. Самодурова, Н. Ю. Козлова // Актуальные проблемы современной науки: труды 5-й междунар. конф. молодых ученых и студентов, Самара, 7-9 сентября 2004 г. - Самара, 2004. - С. 34-37. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 стр.)

4. Козлова, Н. Ю. Картографирование климатической информации о параметрах метелевой деятельности [Текст] / О. В. Гладышева, Н. Ю. Козлова // Современные технологии, машины и материалы для зимнего содержания автомобильных дорог: материалы междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 17-18 февраля 2005 г. - Могилев, 2005. - С. 32-33. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 стр.)

5. Алимова, Н. Ю. Модели распределения параметров метелевой деятельности по территории [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, Н. Ю. Алимова// Математика. Экономика. Образование: тезисы 12-й междунар. конф. - Ростов-на-Дону, 2005, - С. 184-185. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 стр.)

6. Алимова, Н. Ю. Динамика снегоотложений на дорожных покрытиях [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, Н. Ю. Алимова // Математика. Компьютер. Образование: тезисы 13-й междунар. конф. - Дубна, 2006, - С. 111112 (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 стр.)

7. Алимова, Н. Ю. Модели для оценки адаптивности технологий снегоочистки к погодным воздействиям [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, Н. Ю. Алимова // Математика. Экономика. Образование: тезисы XIV междунар. конф. - Ростов-на-Дону, 2006, - С. 178-179. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 стр.)

8. Алимова, Н. Ю. Моделирование динамики снегоотложений на дорожном покрытии [Текст] / Т. В. Самодурова, О. В. Гладышева, Н. Ю. Алимова //: тезисы науч.-техн. конф. 3-й Луканинские чтения «Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе», Москва, 30-31 января 2007г. /

МАДИ. - Москва, 2007. - С. 104-107. (Количество страниц, выполненных лично соискателем — 1 стр.)

9. Алимова, Н. Ю. Снегозаносимость участков автомобильных дорог с различным типом поперечного профиля [Текст] / О. В. Гладышева, Н. Ю. Алимова // Современные технологии, машины и материалы для зимнего содержания автомобильных дорог: материалы междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 18-19 февраля 2010 г. - Могилев, 2010. - С. 23-24. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 1 стр.)

10. Алимова, Н. Ю. Инженерный мониторинг в системе управления работами по зимнему содержанию автомагистралей [Электронный ресурс] / Т.В. Самодурова, Н.Ю. Алимова, И.В. Черней // Электронный сборник тезисов научно-образовательного форума "Инновации в сфере науки, образования и высоких технологий. Малое инновационное предпринимательство (INNOV-2012)" -Электрон, дан, - Воронеж, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM); 12 см. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 1,5 стр.)

11. Aliniova, N. Y. 2D and 3D road climatic models [Текст] / Т. V. Samodurova, О. V. Gladisheva, N. Y. Alimova, S. M. Shiryaeva //16th International road weather conference SIRWEC, Proceedings, 23-25 May 2012. - Helsinki, Finland, 2012. - 7 pp. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 стр.)

12. Alimova, N. Y. Snowdrifts formation on road embankments [Текст] / Т. V. Samodurova, О. V. Gladisheva, N. Y. Alimova, S. M. Shiryaeva// Proceedings of the 7th International conference «Snow engineering VII», 6-8 June 2012. - Fukui, Japan, 2012. - P. 442-449. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 2 стр.)

13. Alimova, N. Y. Snow accumulation dynamics on slopes and ditches for unsolved groove [Текст] / Т. V. Samodurova, О. V. Gladisheva, N. Y. Alimova // Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. - 2012. - № 4(16). - P. 58-68. (Количество страниц, выполненных лично соискателем - 5 стр.)

АЛИМОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

МОНИТОРИНГ СНЕГОЗАНОСИМОСТИ ВЫЕМОК НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14.05.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 234.

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201358163

АЛИМОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА

МОНИТОРИНГ СНЕГОЗАНОСИМОСТИ ВЫЕМОК НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог,

аэродромов, мостов, метрополитенов и транспортных тоннелей

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Самодурова Татьяна Васильевна

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ............................... 11

1.1 Исследование снегозаносимости выемок............................... 11

1.2 Существующие методы расчета объемов снегоприноса и потерь снега............................................................................. 14

1.3 Анализ нормативных требований к зимнему содержанию автомобильных дорог............................................................. 21

1.4 Оперативное управление работами по зимнему содержанию автомобильных дорог........................................................ 25

1.4.1 Технические средства сбора данных............................ 25

1.4.2 Специальные прогнозы............................................. 31

1.4.3 Система поддержки принятия решений (СППР).............. 33

-1-г5—Сиб-темы-ин-женерного-мони-торинга..................................... 4-11.6 Цели и задачи исследования................................................ 43

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ СНЕЖНЫХ НАКОПЛЕНИЙ НА ЗЕМЛЯНОМ ПОЛОТНЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В ВЫЕМКАХ.............................................................. 44

2.1 Основные подходы к построению математической модели для определения количества снежных накоплений........................ 44

2.2 Обоснование параметров, определяющих снегозаносимость выемки........................................................................... 51

2.3 Снегоемкость нераскрытой выемки....................................... 56

2.4 Математическая модель для определения количества снежных отложений в выемке.......................................................... 59

2.4.1 Динамика снежных накоплений в нераскрытой выемке.... 59

2.4.2 Модели для определения количества снежных отложений 60

2.4.3 Потери снежных отложений под воздействием погодных факторов............................................................... 61

2.4.4 Отложения снега на дорожном покрытии..................... 63

2.5 Методика проведение вычислительного эксперимента............ 64

2.6 Выводы по главе.............................................................. 68

3. ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ

МОНИТОНГА СНЕЖНЫХ НАКОПЛЕНИЙ НА ОТКОСАХ И В КЮВЕТАХ ВЫЕМОК............................................................. 69

3.1 Опытно-экспериментальная проверка адекватности математических моделей оценки снегозаносимости выемки....... 69

3.1.1 Данные, используемые для проведения опытно-экспериментальных работ.......................................... 69

3.1.2 Методика проведения снегомерных съемок................... 70

3.1.3 Методика проведения вычислительных экспериментов.... 73

3.1.4 Результаты проверки адекватности моделей для расчета __снежных отложений в нераскрытых выемках................. 75

3.2 Исследование динамики снегонакоплений в нераскрытых выемках................................................................................ 79

3.2.1 Исходные данные для количественной оценки снежных накоплений в нераскрытых выемках............................ 79

3.2.2 Исследование температурного режима выпадения твердых осадков...................................................... 82

3.2.3 Исследование динамики прохождения метелей............... 83

3.2.4 Исследование параметров снегопадов.......................... 86

3.3 Результаты численного моделирования объемов снегонакоплений на откосах и в кюветах нераскрытых выемок 90

3.3.1 Влияние метелевой деятельности и снегопадов на количество снежных накоплений................................ 90

3.3.2 Воздействие погодных факторов на объемы снежных отложений............................................................. 95

3.3.3 Влияние снегоуборочных работ на снегозаносимость нераскрытых выемок................................................ 103

3.4 Выводы по главе.............................................................. 114

4. ОРГАНИЗАЦИЯ ЗИМНЕГО СОДЕРЖАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА ОСНОВЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ СНЕЖНЫХ НАКОПЛЕНИЙ В НЕРАСКРЫТЫХ ВЫЕМКАХ........................... 116

4.1 Информационные ресурсы для мониторинга снегозаносимости выемок.......................................................................... 116

4.2 Рекомендации по разработке баз данных для организации оперативного управления работами по снегоочистке........................ 118

4.3 Информационный обмен при мониторинге снегозаносимости выемок.......................................................................... 121

4.4 Алгоритм прогнозирования снегозаносимости выемки и выбора технологии проведения снегоуборочных работ.................. 124

4.5 Оценка экономической эффективности................................. 126

4.6 Выводы по главе.............................................................. 128

ВЫВОДЫ............................................................................. 129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................... 131

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Примеры поперечных профилей земляного полотна, схемы снегоотложений на опытных участках и результаты

снегомерных съемок.......................................................... 150

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты внедрения........................................ 157

ВВЕДЕНИЕ

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 [93]. 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 [69, 70, 79, 82, 85]. 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 [42, 88, 93, 113, 114]. 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 нераскрытых 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 выемках, учитывающую отложения снега от метелей, снегопадов, снегоочистки и потери 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 математи-

ческих моделей, адекватность которых была доказана ранее, соблюдением основных принципов математического моделирования и обеспечивается сопоставлением результатов моделирования с опытно-экспериментальными данными снегомерных съемок.

Реализация результатов научных исследований. Результаты исследований 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 профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного архитектурно-строительного 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., 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: представлена динамическая математическая модель для определения объемов снегонакоплений на откосах и в кюветах выемок, представлена математическая модель, учитывающая воздействие погодных факторов на динамику снегонакопления в нераскрытой выемке; рассмотрена задача мониторинга снегозаносимых участков, представлены расчет остаточной снегоемкости выемки и пошаговый алгоритм оценки ее снегозаносимости; представлены результаты опытно-экспериментальной проверки адекватности математических моделей.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 160 страницах машинописного текста, основных выводов, списка литературы, содержащего 163 наименования, и двух приложений. Диссертация содержит 35 рисунков, 20 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Исследование снегозаносимости выемок

Теорией переноса снега на протяжении более ста лет занимались известные советские и российские ученые, такие как Жуковский Н.Е., Чаплыгин С.А., Хргиан А.Х. [129], Аккуратов В.Н. [4], Комаров A.A. [47, 49], Бялобжеский Г.В. [8, 9], Иванов Б.В. [40], Котляков В.М. [53], Дюнин А.К. [34, 35, 36], Кунгурцев A.A. [56, 60], Мельник Д.М. [62] и др. Наряду с теоретическими исследованиями проводились экспериментальные работы и систематические наблюдения за накоплением снега в естественных условиях.

Было установлено, что при спокойных снегопадах (скорость ветра меньше 5 м/с) снег равномерно откладывается на всех элементах поперечного профиля земляного полотна автомобильной дороги. А при метелях снег переносится с места на место огромными массами. При этом, по мнению ученых, единственным фактором, способным вызвать перенос снега, является ветровой поток. Количество и интенсивность переносимого снега возрастает с увеличением скорости ветра. Эмпирические формулы для вычисления интенсивности снегопереноса были получены Аккуратовым В.Н. [4], Мельником Д.М. [62], Ивановым Б.В. [40], Кунгурцевым A.A. [56, 60], Дюниным А.К. [34, 35, 36, 39], , Бялобжеским Г.В. [8, 9], Котляковым В.М. [53], Комаровым A.A. [47, 49].

Наибольшее практическое применение в подразделениях Гидромет-службы [45, 62] и в дорожных организациях нашла формула Мельника Д.М. для определения интенсивности снегопереноса (Г):

I = C-V3 (1.1)

где V — скорость ветра на высоте флюгера, м/с; С - коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от плотности снега ме-телевых отложений.

При снижении скорости ветра уменьшается транспортирующая способ�