CC BY
7
УДК 625.7/8
Е.И. КИРЯКОВ, канд. техн. наук, доцент,
В. В. СИПКИН, директор ГУ «Дирекция транспорта и дорожного хозяйства ЯНАО»,
ТГАСУ, Томск
ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ПРОЦЕСС ОТТАИВАНИЯ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В статье содержатся предложения по совершенствованию методики расчета периода оттаивания дорожной конструкции на основании анализа данных натурных наблюдений и уравнения радиационного баланса.
Принято считать, что процесс оттаивания дорожной конструкции в весенний период начинается после установления устойчивых положительных температур и основным фактором, влияющим на динамику этого процесса, является температура приземного воздуха [1]. В связи с этим и существующие методы прогнозирования периодов весеннего ослабления дорожных конструкций зачастую строятся на определении зависимостей между суммой положительных температур воздуха (Е?«) после начала устойчивого оттаивания и глубиной оттаивания. При этом динамика этого процесса напрямую увязывается только с величиной суммированной температуры воздуха. Однако, как показали исследования теплового режима дорожных конструкций, проведенные на сети дорог Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) в 2006-2007 гг., подобный подход при определении дат начала и окончания оттаивания не нашел своего подтверждения. Так, например, алгебраическая сумма температур (ГТп) приземного воздуха за период оттаивания дорожной конструкции на глубину рабочего слоя для района г. Ноябрьска составила +5 °С, а на широте Нового Уренгоя минус 30 °С. Не смотря на незначительный положительный баланс суммы температур в первом случае и отрицательный во втором, процесс оттаивания дорожной конструкции происходит достаточно интенсивно. В качестве наглядного примера на рис. 1, а и 1, б приведены графики изменения температурного режима приземного воздуха и земляного полотна на глубине рабочего слоя в период весеннего оттаивания 2007 г.
Стрелками указаны даты начала и окончания периода оттаивания.
Пост № 3 относится к району Ноябрьска, пост № 10 расположен около Нового Уренгоя. На приведенных графиках видно, что даже значительное похолодание (Тср. суточная = -6 и -11 °С) в период продолжительных весенних заморозков не приводит к возврату процесса нагревания конструкции, а лишь несколько замедляет его ход.
Следовательно, сумма температур воздуха в весенний период не является основным показателем, влияющим на оттаивание дорожной конструкции. Она может использоваться в расчетах продолжительности данного периода лишь как дополнительный показатель, несколько ускоряющий или замедляющий процесс прогрева дорожной конструкции.
© Е.И. Киряков, В.В. Сипкин, 2007
а) Пост № 3
Период наблюдения
б) Пост № 10
Период наблюдения
Рис. 1. Графики температур наружного воздуха и дорожной конструкции на глубине рабочего слоя
Основным источником тепла, согласно анализу уравнения радиационного баланса, является солнечная радиация [2]
в = <2 - я - ЕЭф, (1)
где 2 - общий приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность, состоящий из прямой и рассеянной радиации; Я— отраженная коротковолновая радиация; Еэф — эффективное излучение, определяемое как разность собственного излучения земной поверхности и атмосферы.
Радиационный баланс деятельной поверхности является ведущим компонентом теплового баланса, он определяет величину и знак потоков тепла в воздух и почву [2]. Величина Еэф, направленная на нагрев приземного воздуха, в настоящее время на актинометрических станциях не определяется и в справочниках не приводится. Поэтому, чтобы определить ее величину, было видоизменено уравнение радиационного баланса, формула (1)
Еэф = 2 - Я - в . (2)
Чтобы определить, какая доля лучистой энергии в весенний период (май — июнь) расходуется на нагрев поверхности, а какая уходит на нагрев приземного воздуха, был проведен расчет Еэф с использованием данных, приведенных в справочнике по климату [2, табл. 3] для метеопунктов Салехард и Сытомино, время — полдень. Отраженная коротковолновая радиация (Я) вычислена в зависимости от альбедо поверхности дороги (для асфальтобетонных покрытий А = 17 %, для цементобетонных — 30 % и прилегающей местности [2, табл. 4]) по формуле
Я = 2-А . (3)
100
Необходимые исходные данные и результаты расчета эффективного излучения для выбранных пунктов сведены в таблицу.
Месяц Поверхность 2, ккал/см2 мин А , % я, ккал/см2 мин в, ккал/см2 мин Еэф , ккал/см2 мин
Салехард
Май А/бетонное покрытие 0,71 17 0,12 0,31 0,28
Ц/бетонное покрытие 0,71 30 0,21 0,31 0,19
Прилегающая местность 0,71 36 0,26 0,31 0,14
Июнь А/бетонное покрытие 0,68 17 0,12 0,45 0,11
Ц/бетонное покрытие 0,68 30 0,20 0,45 0,03
Прилегающая местность 0,68 18 0,12 0,45 0,11
Окончание таблицы
Месяц Поверхность Q, ккал/см2 мин А , % я, ккал/см2 мин В, ккал/см2 мин Еэф , ккал/см2 мин
Сытомино
Май А/бетонное покрытие 0,77 17 0,13 0,47 0,17
Ц/бетонное покрытие 0,77 30 0,23 0,47 0,07
прилегающая местность 0,77 25 0,19 0,47 0,11
Июнь А/бетонное покрытие 0,83 17 0,14 0,53 0,16
Ц/бетонное покрытие 0,83 30 0,25 0,53 0,05
Прилегающая местность 0,83 21 0,17 0,53 0,13
Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
1. Величина Еэф в значительной степени зависит от альбедо поверхности. Так, для асфальтобетонного покрытия величина поглощенной энергии в мае (В = 0,31 ккал/см2 мин) почти равна эффективному излучению (Еэф =0,28 ккал/см2 мин).
2. Нагрев воздуха над поверхностью покрытия носит локальный характер, поэтому температуру вокруг дороги определяет прилегающая к ней поверхность земли, имеющая альбедо 36 %. Тогда Еэф составит 0,14 ккал/см2
мин, что более чем в 2 раза меньше величины поглощенной энергии.
3. В остальных случаях, представленных в таблице, разница между рассмотренными значениями еще больше, а соотношение между В и Еэф возрастает до 4:1.
Таким образом, полученные на постах наблюдения данные, проведенный расчет и сравнительная оценка радиационного баланса с величиной эффективного излучения свидетельствуют, что:
- на процесс оттаивания основное влияние оказывает лучистая энергия солнца, эффективность влияния которой в 2-4 раза выше влияния температуры приземного воздуха;
- процесс оттаивания дорожной конструкции в большей степени зависит от поглощенного количества солнечной радиации и в значительно меньшей мере от суммы температур воздуха за этот период.
Учет влияния солнечной радиации на процесс оттаивания дорожных конструкций позволит повысить достоверность результатов расчета продолжительности этого периода как для сети дорог, так и для локальных участков,
отличающихся друг от друга по степени освещенности и отражательной способности поверхности покрытия.
Библиографический список
1. Прогноз весеннего состояния земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог Томской области. Отчет о НИР / ТИСИ; Руководитель В.Н. Ефименко. - Томск, 1983. - 115 с. Отчет депонирован № гос. рег. 01811011374.
2. Справочник по климату СССР. Вып. 17, Ч. 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. - Л., 1966. - 72 с.
E.I. KIRIAKOV, V.V. SIPKIN
INFLUENSE OF SOLAR RADIATION ON THE PROCESS OF THAWING OF ROAD STRUCTURES
The development of method of calculation of thawing period for road structures on the basis of the analysis of the given natural supervision and the equation of radiating balance is suggested in the paper.
