Глава 15. Зимнее содержание дорог

15.1. Условия движения по автомобильным дорогам зимой и требования к их содержанию

Общие положения. Зимнее содержание представляет собой комплекс мероприятий, включающий: защиту дорог от снежных заносов; очистку дорог от снега; борьбу с зимней скользкостью; защиту дорог от лавин; борьбу с наледями. Эти мероприятия должны обеспечивать бесперебойное и безопасное движение автомобилей с высокими скоростями и нагрузками, соответствующими требованиям, установленным в Технических правилах ремонта и содержания автомобильных дорог.

Для выполнения указанных требований дорожная эксплуатационная служба должна обеспечить высокий уровень зимнего содержания дорог, основными показателями которого являются (рис. 15.1): ширина чистой от снега и льда поверхности дороги; толщина слоя рыхлого снега на поверхности дороги, накапливающегося с момента от начала снегопада или метели до начала снегоочистки и в перерывах между проходами снегоочистительных машин; толщина уплотненного слоя снега (снежного наката) на проезжей части и обочинах; сроки очистки дороги от снега и ликвидации гололёда и зимней скользкости.

Рис. 15.1. Основные показатели уровня зимнего содержания дорог: В₁ - очищенная от снега и льда поверхность дороги, м; В - ширина проезжей части, м; h_г - толщина слоя рыхлого или уплотнённого снега на поверхности дороги, мм; h_о - толщина слоя снега на обочине

Зимний период года является самым сложным для эксплуатации дорог и организации движения. Продолжительность этого периода колеблется от 20 суток в южных районах до 260 суток в северных районах России. Состояние поверхности дорог и условия движения зимой формируются под влиянием отрицательной температуры воздуха, ветра, снегопада, метели, гололёда и ограниченной метеорологической видимости, а также сочетания этих факторов. В горных районах самым опасным зимой является образование и сход снежных лавин.

Различают несколько видов снежно-метелевых явлений.

Спокойный снегопад (снегопад) - выпадение снега из облаков без сдувания и переноса его ветром. Спокойный снегопад наблюдается при скорости ветра до 2-3 м/с. Толщина слоя, выпадающего за один снегопад, составляет чаще всего 1-5 см. Иногда за один снегопад выпадает 6-15 см и в редких случаях 16-35 см. В горных районах иногда за один снегопад образуется слой толщиной до 1 м. Свежевыпавший сухой, рыхлый снег имеет плотность от 0,07 до 0,12 г/см³; если выпадает влажный или мокрый снег, его плотность может достигать 0,2-0,25 г/см³.

Верховая метель - снегопад при ветре, когда снег переносится в слое воздуха высотой до 100 м.

Низовая метель - перенос частиц ранее выпавшего снега без выпадения снега из облаков. Разделяется на позёмку - перенос частиц снега поднятием над уровнем снежного покрова до 30 см и на собственно низовую метель, когда переносимые частицы снега поднимаются на высоту до 10 м.

Общая или двойная метель - сочетание низовой и верховой метели, когда одновременно переносится выпадающий из облаков снег и частицы ранее выпавшего снега. Это самые неблагоприятные для зимнего содержания условия.

Метелевые отложения, называемые снежными заносами, имеют большую толщину и плотность. На участках с нулевыми отметками и малыми насыпями толщина метелевых отложений составляет 0,6-1 м. Мелкие выемки заносятся полностью, а в глубоких выемках толщина отложений может доходить до 5-6 м. Плотность снега в снежных заносах составляет 0,25-0,35 г/см³.

Зимняя скользкость образуется на дорогах в виде гололедицы, гололёда и снежного наката.

Наличие снежных отложений на дороге приводит к сокращению используемой для движения ширины проезжей части, увеличению коэффициента сопротивления качению и снижению коэффициента сцепления (рис. 15.2), в результате чего происходит снижение скорости и ухудшение условий безопасности движения.

Толщина слоя рыхлого снега, мм

Рис. 15.2. Зависимость коэффициента сопротивления качению и коэффициента сцепления от толщины слоя рыхлого снега: 1 - коэффициент сопротивления качению; 2 - коэффициент сцепления

Вся система мероприятий по зимнему содержанию дорог должна быть построена таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить наилучшие условия для движения автомобилей, с другой - максимально облегчить, ускорить и удешевить зимнее содержание. Чтобы обеспечить выполнение этой задачи, при зимнем содержании проводятся:

профилактические меры, цель которых - не допустить или максимально ослабить образование снежных и ледяных отложений на дороге; к числу таких мер относятся уменьшение снегозависимости дорог, профилактическая обработка покрытий химическими противогололедными веществами и др.;

защитные меры, с помощью которых преграждают доступ к дороге снега и льда, поступающего с прилегающей местности; к ним относится применение защит от метелевого переноса, от снежных лавин, от наледного льда. Главным критерием качества снегозащиты следует считать полное исключение отложений метелевого снега на дорогах с тем, чтобы для патрульной снегоочистки оставалось только удаление снега, выпадающего во время снегопадов;

меры по удалению уже возникших снежных и ледяных отложений (например, очистка дорог от снега и льда), а также по уменьшению их воздействия на автомобильное движение (обработка обледеневшей поверхности дороги материалами, повышающими коэффициент сцепления шин с дорогой).

Требования к состоянию дорог в зимний период. Состояние поверхности дорог зимой зависит от климатических характеристик района проложения дороги, её конструктивных особенностей, степени защищённости от снежных заносов, а также от организации работ по очистке дорог от снежных отложений и ликвидации зимней скользкости.

Требования к уровню зимнего содержания определяются исходя из оценки влияния состояния дорог в зимний период на различных участках на обеспеченность расчётной скорости, которая зависит как от динамических качеств автомобиля, так и от соотношения сил сцепления и сопротивления качению при различной толщине слоя рыхлого снега на покрытии.

Влияние снежных отложений и зимней скользкости на режим движения автомобилей можно установить из анализа основного условия движения, которое в упрощённом виде имеет вид:

m   f ± i, где

m - коэффициент сцепного веса, колеблется от 0,5 до 0,65;

 - коэффициент сцепления;

f - коэффициент сопротивления качению;

i - продольный уклон, в промилях.

Если принять величину коэффициента сцепного веса равной 0,5, то основное условие движения можно сформулировать в следующем виде: движение автомобиля по дороге будет возможно только тогда, когда величины коэффициента сцепления будет в два раза выше, чем сумма дорожных сопротивлений, состоящая из сопротивления качению и продольного уклона.

Следовательно, при определенных соотношениях сцепных качеств и сопротивления качению движение по дороге в тяговом режиме может оказаться невозможным независимо от динамических качеств, а максимальная скорость движения автомобиля (V_max) в тяговом режиме не может быть больше величины, определённой по формуле А.П. Васильева:

 где                                                                                    (15.1)

₆₀ - коэффициент сцепления при скорости измерения 60 км/ч;

f₆₀ - коэффициент сопротивления качению для скорости 60 км/ч.

Эти положения служат теоретической основой разработки требований к допускаемой толщине слоя снега на покрытии.

Если исходить из наиболее неблагоприятных сочетаний сопротивления качению и коэффициента сцепления заснеженного покрытия, то при толщине слоя снега на покрытии от 2 до 20 мм в зависимости от его температуры и влажности условия движения на дороге становятся трудными, а коэффициент обеспеченности расчётной скорости снижается до 0,75. Уже при толщине слоя снега более 30 мм могут наблюдаться остановки легковых автомобилей на горизонтальных участках дорог из-за буксования, а при толщине более 80 мм такие остановки приобретают массовый характер. Современные грузовые автомобили могут двигаться при толщине слоя рыхлого снега от 80 до 120 мм, но скорости движения при этом будут очень низкими (рис. 15.3). Особенно сильно влияют на скорость движения наличие снежных отложений при движении на подъёмах.

Рис. 15.3. Влияние толщины слоя рыхлого снега h_р.сн на скорость автомобилей: а - легковых; б - грузовых типа ЗИЛ-130: 1, 2, 3 - скорости, возможные по динамическим качествам автомобилей при f_min, f_cp, f_max; 4, 5, 6, 7- скорости, возможные по соотношению _max и f_min; _cp и f_cp; _min и f_max

При толщине слоя рыхлого снега 2-5 мм или при наличии уплотненного слоя снега на покрытии нормальные условия движения обеспечиваются только на подъемах с уклоном 1-3 %. На всех остальных участках расчётная скорость движения не обеспечивается. При минимальных значениях  или максимальных значениях f остановки движения легковых автомобилей на подъемах с уклонами в 3 % будут наблюдаться при толщине слоя рыхлого снега 40-50 мм, а с уклонами 5 % - при толщине слоя снега 20-30 мм.

При наличии снежного наката большое влияние на скорость и безопасность движения оказывает ровность уплотненного снега, которая зависит от толщины слоя снега, его физико-механических характеристик, интенсивности и состава движения и уровня содержания. Ровность заснеженной поверхности колеблется в широких пределах в зависимости от толщины снежного покрова и тщательности его выравнивания (рис. 15.4). Если снег не удалён полностью, но регулярно разравнивается автогрейдерами или другими плужными очистителями, нормальные условия движения наблюдаются при толщине слоя снега до 90 мм. При нерегулярном профилировании или при удалении снега с покрытия бульдозерами нормальные условия движения наблюдаются при толщине слоя снега не более 25 мм. Нормальные условия для средних параметров снежных отложений наблюдаются при толщине слоя до 40 мм.

Рис. 15.4. Изменение ровности проезжей части при наличии уплотнённого снега

В любом случае толщина слоя снежного наката не должна превышать 100-120 мм по условиям ровности (рис. 15.5). Важно отметить, что хотя при небольшой толщине слоя уплотнённого снега ровность меняется незначительно, на дорогах I-III категорий снег все равно должен быть удалён с покрытия, чтобы обеспечить требуемые сцепные качества. На дорогах IV-V категорий толщина плотного слоя снега не должна быть более 60 мм при условии постоянного профилирования и полной очистки снега на участках подъёмов и спусков, и только в исключительных случаях на отдельных участках может допускаться до 200 мм.

Рис. 15.5. Влияние толщины слоя снега на обеспеченность расчётных скоростей: 1 - возможная скорость при лучшей ровности; 2 - ограничение по _max; 3 - возможная скорость при средней ровности; 4 - ограничение по _cp; 5 - возможная скорость при плохой ровности; 6 - ограничение по _min

Особое значение имеет соблюдение указанных требований при организации патрульной снегоочистки.

Допустимая толщина слоя рыхлого снега, накапливающегося на дороге, зависит от интенсивности снегопада и времени между проходами снегоочистительных машин, называемого временем снегонакопления. Поэтому количество патрульных снегоочистительных машин прямо зависит от допустимой толщины слоя рыхлого снега, который накапливается в перерывах между проходами машин:

где                                                                                  (15.2)

h_доп - допустимая толщина слоя снега на покрытии, мм;

L - длина участка дороги, км;

В - ширина очищаемой поверхности, м;

V_раб - скорость снегоочистителя, км/ч;

К_b - коэффициент использования рабочего времени (может быть принят 0,7-0,9);

b - ширина захвата снегоочистителя, м.

Поэтому и затраты на патрульную снегоочистку в наибольшей степени зависят от допустимой толщины слоя рыхлого снега на покрытии во время снегопада и интенсивности снегопада (рис. 15.6). При допустимой толщине слоя снега менее 30-20 мм затраты на снегоочистку стремительно растут.

Рис. 15.6. Затраты на патрульную снегоочистку в зависимости от допускаемой толщины слоя рыхлого снега на дороге h_доп и интенсивности снегопада i

За высший уровень зимнего содержания можно принять обеспечение чистой сухой поверхности дороги, при котором толщина слоя снега на покрытии во время метелей и снегопадов не превышает 5 мм, а срок его удаления так же как удаления гололёда и зимней скользкости не превышает 1 ч после окончания снегопада, метели, гололёда.

Этот уровень может быть достигнут при полной оснащённости дорожной службы до нормативной потребности машинами, оборудованием и материально-техническими ресурсами на участках дорог, запроектированных с соблюдением всех требований по защите от снежных заносов и не всегда экономически целесообразен (табл. 15.1). Поэтому указанные технические требования могут быть скорректированы технико-экономическими расчетами с учетом фактической интенсивности движения и затрат на содержание дороги в соответствии с существующими требованиями в реальных климатических условиях.

Таблица 15.1

Наименование средств механизации	Основные параметры	Минимально необходимое количество (на 100 км)
		Категория дороги
		I	II	III	IV	V
Одноотвальные плужно-щёточные снегоочистители	Ширина отвала 3 м; рабочая скорость - 25-60 км/час	9	5	4	7	2
Шнекороторные или фрезеророторные снегоочистители	Ширина захвата 3 м; производительность - 1000-1200 т/час	2	1	1	0,5	0,5
Бульдозер с поворотным отвалом	Мощность 118 КВт	1	1	I	1	1
Автогрейдер лёгкий	Мощность 66 КВт	4	3	2	2	2
Распределитель твёрдых противогололёдных материалов	Ширина распределения - 10 м; вместимость бункера - 5 м3	12	8	6	4	4
Распределитель жидких противогололёдных материалов	Ширина распределения - 7 м; ёмкость бункера - 5 м3	10	6	4	2	2
Фронтальные погрузчики	Ёмкость бункера - 2 м3	3	2	1	1	1

Критерием технико-экономического обоснования требований к уровню содержания может быть принят минимум приведенных затрат, которые в общем виде будут слагаться из двух групп затрат:

а) затраты, сумма которых сокращается с ужесточением требований к уровню содержания дороги;

б) затраты, сумма которых увеличивается с ужесточением требований к уровню содержания дороги.

К первой группе относятся затраты автомобильного транспорта (капитальные вложения и текущие затраты), которые сокращаются при увеличении средней скорости движения за счёт более высокого уровня содержания дорог и от дорожно-транспортных происшествий. Ко второй группе относятся затраты на содержание дороги, которые увеличиваются с увеличением требований и в зависимости от длительности и вероятности действия метеорологических факторов.

На рис. 15.7 приведены результаты расчётов для снегопадов различной интенсивности продолжительностью 6 ч. Их анализ показывает, что на дорогах II категории даже при сильном снегопаде экономически нецелесообразно допускать накопления слоя рыхлого снега толщиной более 10-15 мм в то время, как на дорогах IV категории в этих условиях толщина слоя снега может быть допущена до 50-60 мм и более.

Рис. 15.7. Технико-экономическое обоснование требований к допустимой толщине слоя рыхлого снега: 1 - затраты на очистку дороги от снега при интенсивности снегопада 2 мм/ч; 2, 3 - транспортные затраты при интенсивности движения 1000 авт./сут и 4000 авт./сут; 4, 5 - суммарные затраты при интенсивности движения 1000 авт./сут и 4000 авт./сут

Важной задачей дорожной службы является соблюдение сроков ликвидации снежных отложений и зимней скользкости, которые должны быть дифференцированы для дорог с различной интенсивностью движения в различных климатических зонах. От установленных сроков ликвидации зависит требуемое количество машин для зимнего содержания.

Установлено, что независимо от района проложения дороги гололёд и снежный накат должны убираться практически в одинаковые сроки. С увеличением количества снегопадов экономически эффективные сроки ликвидации снежных отложений увеличиваются, а с увеличением количества гололёдов - уменьшаются (рис. 15.8). Экономически целесообразно выдерживать одинаковые сроки ликвидации зимней скользкости на всём протяжении дороги вне зависимости от величины итогового коэффициента безопасности (рис. 15.9). Это свидетельствует о том, что влияние зимней скользкости на аварийность значительно превышает влияние геометрических параметров дороги.

Рис. 15.8. Зависимость сроков ликвидации зимней скользкости от повторяемости гололёда и снегопада: а - снегопада; б - гололёда; 1 - интенсивность движения 200 авт./сут, длительность зимнего периода 30 дней; 2 - интенсивность движения 500 авт./сут, длительность зимнего периода 160 дней

Рис. 15.9. Зависимость сроков ликвидации зимней скользкости от итогового коэффициента аварийности: 1 - интенсивность движения 200 авт./сут, длительность зимнего периода 220 дней; 2 - интенсивность движения 500 авт./сут, длительность зимнего периода от 30 до 160 дней

Наибольшее влияние на экономически эффективные сроки ликвидации зимней скользкости и снежных отложений оказывает интенсивность движения (рис. 15.10), которая и должна быть положена в основу градации требований к директивным срокам ликвидации этих явлений, т.е. сроки должны быть дифференцированы именно по интенсивности движения.

Рис. 15.10. Зависимость сроков ликвидации зимней скользкости от методов борьбы и интенсивности движения: 1 - применение пескосоляных смесей; 2 - то же, твёрдых хлоридов; 3 - нормы ФРГ

При этом нормативным сроком ликвидации гололёда считается время с момента его обнаружения и начала работы до полного удаления, а сроком ликвидации снежных отложений - время с момента окончания снегопада или метели до полного удаления снега с проезжей части или доведения до допустимой ширины очистки и толщины снежных отложений.

В практической деятельности могут иметь место случаи, когда экономически целесообразные требования к допустимой толщине слоя снега на покрытии и сроком ликвидации зимней скользкости и гололёда не могут быть обеспечены из-за недостаточной оснащённости дорожной службы машинами и оборудованием для зимнего содержания. В этом случае должны быть обоснованы временные отступления от экономически эффективных требований.

Допустимые уровни и требования к зимнему содержанию дорог. По уровню зимнего содержания все дороги делятся на три группы:

Группа А - дороги с чистой на всю ширину проезжей частью;

Группа Б - дороги с чистой серединой проезжей части;

Группа В - дороги с уплотнённым снегом на проезжей части.

Директивные требования к показателям уровня зимнего содержания каждой дороги должны устанавливаться на основе технико-экономических расчетов с учётом оснащённости дорожно-эксплуатационной службы машинами и оборудованием для зимнего содержания дорог. Предельно допустимые значения указанных требований приведены в табл. 15.2.

Таблица 15.2

Характеристики дорог	Показатели состояния
	Интенсивность движения, авт./сут	Минимальная ширина очищенной поверхности проезжей части, м	Максимально допустимая толщина слоя рыхлого снега на проезжей части, мм	Допустимая толщина уплотнённого слоя снега на проезжей части, мм	Допустимая толщина уплотненного слоя снега на обочинах (у бровки земляного полотна), мм	Максимальный срок проведения работ по снегоочистке и ликвидации зимней скользкости, час
Федеральные автомобильные дороги	Более 3000	На всю ширину	20	-	50	4
	1000-3000	тоже	25	-	60	5
	Менее 1000	тоже	30	50*	70	6
Территориальные дороги с регулярным автобусным движением	Более 3000	тоже	30	-	60	4
	1000-3000	тоже	40	-	70	5
	Менее 1000	тоже	60	50*	80	6
Дороги местного значения с регулярным автобусным движением	Менее 1000	тоже	70	50*	120	6
Дороги местного значения с допускаемым перерывом движения	Движение не регулярное	-	-	50	200	24-48

* - На дорогах с переходными и низшими типами дорожных одежд.

Как правило, расчистку дорог от выпадающего и приносимого к дороге снега необходимо производить на полную ширину земляного полотна, а ликвидацию зимней скользкости - на ширину проезжей части и краевых укрепительных полос. Допускается оставлять слой уплотненного снега небольшой толщины на покрытиях переходного типа и на грунтовых дорогах. Оставляемый на проезжей части и обочинах снег необходимо регулярно профилировать, чтобы предотвратить образование неровностей.