ПЕРЕБРАСЫВАЮЩИЙ ЭКРАН
TRANSFER SCREEN

Изобретение используется при строительстве автомобильных и железнодорожных магистралей в степных районах с большими площадями «разгона» метелевого потока. В зимних условиях - при переносе снежных масс метелевым потоком, в летних условиях - при переносе пыли или песка при ветре, имеющем относительно постоянную скорость и направление.
Известна полезная модель «Забор снегозадерживающий», патент № RU 60088, опубл. 10.01.2007 г., МПК E01F 7/02, содержащий наклонные дощатые подкосы продольной жесткости. Полезная модель служит для снегозадержания и увеличения надежности и долговечности защитного заграждения. Однако предложенная конструкция забора выполняет функцию защиты сооружения при большом весе наметенного снега, но не перебрасывает снег через дорожное полотно.
Известно изобретение «Снегозащитное заграждение», патент JP 2001-288715, опубл. 03.11.2004, МПК E01F 7/02; E01F 7/00, состоящий из двух частей: вертикальной и криволинейной. Заграждение служит для снегозадержания, улучшает видимость на дороге за счет отсутствия зоны завихрения после мертвой зоны. Кроме того, за счет продуваемости и упругости крыла лучше решает задачу снегозадержания при упрощенной конструкции экрана. Однако не обеспечивает гарантированного переброса метелевых масс через полотно дороги.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Снегозащитное заграждение», патент JP 3711470, опубл. 21.08.2002 г., МПК E01F 7/02; E01F 7/00, состоящее из трех частей: вертикальной ломаной части, состоящей из двух частей, одна наклонена в наветренную сторону под углом к вертикальной части, вторая наклонена в подветренную сторону под углом к вертикальной части. Данное изобретение позволяет осуществить гашение метелевого потока за счет шипов в ломаной части заграждения, составляющего 1/5 его часть. С помощью данного технического решения осуществляют гашение ветрового потока и решают задачу минимизации зоны задувания за края экрана. Однако на шипы налипает снег, что приводит к накапливанию на них снега.
Изобретение не решает задачи переброса снега через дорожное полотно, работает только за счет упругости материала экрана, не обеспечивая формирования функции формы границ потока для обеспечения надежного переноса метелевого потока через дорогу.
1
1
1
1
На автомобильной или железной дороге заданной ширины b со стандартными откосами, имеющими расчетное соотношение высоты насыпи h и ширину откоса a, могут устанавливать с одной из сторон шумопоглощающие экраны или ограждения высотой h, при этом в районе прохождения транспортной магистрали (далее «дорога»), в широтах с частыми и сильными заносами, требуется защитить полотно дороги от снежных (песчаных) заносов таким образом, чтобы полотно дороги оставалось чистым. Эта же задача сохраняется, когда с одной стороны дороги устанавливают шумозащитные экраны высотой h или вместо шумозащитного экрана на противоположной стороне дороги размещяют дорожные ограждения, какой-либо конфигурации, возвышающиеся над полотном дороги, например «отбойники». Высота h является заданной величиной переноса на противоположной стороне дорожного полотна.
Поскольку шумопоглощающий экран или иное ограждение сами по себе являются препятствием для снега (песка), то перед ними на полотне дороги неизбежно будет образовываться насыпь из снега (песка).
1
На относительно ровных, с большой протяженностью «разгона», поверхностях, например в степи при любой неровности, которую представляет собой дорожное полотно, и, в особенности, шумозащитный экран, установленный на дорожном полотне, воздушный поток, несущий частицы снега (песка), приводит к значительному усилению воздушного потока над полотном дороги, и особенно над ее скосами. По откосам дороги, с наветренной стороны при определенных условиях, образуется подстилающая поверхность из снега или песка, которая увеличивает ширину скоса a, при этом ширину скоса можно принять как расстояние от дорожного полотна до пересечения подстилающей поверхности с основанием дороги (F).
1
1
1
1
1
1
Если соотношение ширины дороги b к высоте насыпи h, равное коэффициенту К, который больше или равен 4, воздушный поток с частицами, сгущаясь над полотном дороги, остается ламинарным, перелетая через дорожное полотно, в то время, как при К меньше 4 воздушный поток, натыкаясь на преграду, преобразуется в турбулентный, при котором вихревые потоки хаотично распределяются над полотном дороги, что создает условия сбрасывания снега на дорогу. Данные коэффициенты рассчитывают исходя из зависимости от геофизических характеристик для конкретной местности. Однако следует учитывать и ширину скоса дороги, особенно при ее увеличении за счет подстилающей поверхности. При этом соотношение m=a/h или m=a/h, где h - заданная величина переноса на противоположной стороне дорожного полотна, а a - ширина скоса с учетом подстилающей поверхности. Данное соотношение уже рассчитать намного сложнее, при этом оно будет влиять на величину сдвига оси Y в поперечном к дороге направлении, обеспечивающую гарантированный перенос на заданной высоте h.
При организованном турбулентном потоке при увеличении интенсивности течения метелевого потока самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны. Если учитывать, что фрактальные волны - это геометрическая фигура, обладающая свойством самоподобия, то есть составленная из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком, то можно в рассматриваемом метелевом потоке выделить две фигуры: цилиндрический эллипс и цилиндрическая парабола. При этом, если учитывать только коэффициент К (без учета скосов дороги), то при К>4 эта фигура будет в виде цилиндрического эллипса, а в случае учета скорости ветра с наветренной стороны и скосов дороги, т.е. при учете коэффициента m, эта фигура будет в виде параболического цилиндра при определенных условиях.
При переходе от ламинарного к турбулентному потоку можно искусственно создать заданный фрактал путем создания сложных граничных и/или начальных условий, задав функцию формы границ. При этом возможно образование ненелинейных (линейных) волн, приводящих к образованию фракталов, так называемая управляемая турбулентность. Таким образом, при заданных условиях требуется создать такой перебрасывающий экран, который бы задал функцию формы границы, обеспечивающую переброс воздушного потока с мелкими частицами снега (песка) через дорожное полотно и через шумозащитный экран либо иное препятствие.
1
Конструкция снего(песок)перебрасывающего экрана должна обеспечить формирование функции формы границы, соответствующей, например, эллипсу. А если полуось Х эллипса будет достаточно велика (R>>h), то на начальном участке можно обеспечить формирование функции формы границы, соответствующей параболе. Радиус R зависит от момента импульса, т.е. от массы переносимых частиц и скорости (ветра). Эллипс берут исходя из существующей гравитационной силы, зависящей от массы частиц. В идеальном случае (при массе частиц =0) вращательное движение перебрасываемых частиц будет по окружности в плоскости Х-У, а ось вращения параллельна оси дорожного полотна (ось Z). Таким образом турбулентный ветровой поток с переносимыми частицами организовывают как, например, эллиптический цилиндр (трубу), в поперечном сечении которой эллипс. В случае учета скорости метелевого потока целесообразнее организовывать параболический цилиндр.
Продольная (большая) ось Х эллипса - это уровень местности в основании полотна дороги (ось X) в поперечном направлении, а поперечная (меньшая) ось У эллипса в перпендикулярном к дороге направлении (ось У).
Непременным условием является наличие достаточно длинного перебрасывающего экрана (ось Z) вдоль дорожного полотна.
При этом необходимо обеспечить управляемое турбулентное течение ветрового потока с частицами, в среде которого образуются, преимущественно, линейные волны заданных размеров, обеспечивающих переброс частиц через полотно дороги на заданной высоте и, например, шумопоглощающий экран. При этом следует учитывать виды метелевых потоков.
A) Низовая метель
Когда нижняя часть экрана свободна, метелевые массы, дойдя до преграды в виде откоса насыпи дороги и упершись в вертикальную часть экрана, разворачиваются по предлагаемой экраном траектории против основного потока и тормозят его, что приводит к изменению движения ветрового потока, закручиванию его в вихрь и отъему энергии потока, при этом скорость потока уменьшается до 26%, а также в нижних слоях идет насыщение масс снега (песка) для его переноса. Таким образом, процесс насыщения снеговых (песчаных) масс осуществляется за счет того, что массы, направленные против основного потока, тормозят его, сталкиваясь и смешиваясь с ним до дороги, вызывая процесс насыщения масс в образовавшемся турбулентном потоке. Далее массы за счет заданной функции границы потока приобретают характер линейной волны, за счет чего массы перебрасываются через дорогу по эллипсу, имеющему характеристики, зависящие от массы потока, его скорости, и функции границы потока, организованной перебрасывающим экраном.
B) Верховая метель
Процесс переброса через экран осуществляется без организации турбулентного вихря, образованного до дороги. Это происходит в следующих случаях:
- откос дороги и нижняя вертикальная часть экрана закрыты массами снега(песка), образуя единую поверхность, расположенную относительно горизонтального полотна дороги под углом β;
- тогда метелевые потоки разгоняются на участке F-A по заданной функции границы потока и перелетают через полотно дороги по параболе.
И в случае А), и в случае В) момент импульса метелевых масс может быть принят одинаковым, рассчитанным из условий конкретной геологической местности с присущей ей розой ветров.
При этом условия выполнения поставленной задачи:
- протяженный непрерывный экран,
- наличие ломаного участка кривой экрана А-В должен быть расположен под углом α - угол между касательной к эллипсу или параболе и осью абсцисс (У),
- - длина этого участка зависит от массы потока,
1
- угол разворота разгонной части экрана А-С - угол β - угол между касательной к эллипсу (параболе) и осью ординат (X) - рассчитывают исходя из требования сдвига в поперечном направлении к дороге высоты организованной фрактальной фигуры для h - заданной высоты переноса на противоположной стороне дорожного полотна;
- высота экрана до ломанного участка кривой D-B зависит от характеристик метелевого потока:
- - скорости
- - массы переносимых частиц
- - высоты нижнего слоя метелевого потока (низовая метель, верховая метель) от уровня основания дороги
- - угла между направлением метелевого потока и экраном по оси Z - вдоль полотна дороги.
Достигается местное управление метелевого потока за счет придания заданной функции формы границ метелевого потока и придания характеру переноса метелевых масс переноса по регулярной фигуре. В нашем случае - это эллипс или парабола.
В предложенной полезной модели достигается следующий технический результат:
- предоставление технического средства, обеспечивающего гарантированный переброс метелевых масс через полотно дороги, в частности с одной стороны которой установлен шумозащитный экран;
- достижение максимальной защиты дорожного полотна от заносов;
- упрощение конструкции за счет ее геометрических характеристик, обеспечивающих местное управление метелевым потоком путем обеспеченной заданной функции формы границ метелевого потока при его взаимодействии с экраном.
2
Данный технический результат реализуется за счет того, что перебрасывающий экран дорожного полотна состоит из трех частей: вертикальной части, ломаной части, состоящей из двух отрезков, один из которых - удерживающий отрезок ломаной части - наклонен в наветренную сторону под углом к вертикальной части и второй отрезок - разгонный отрезок ломаной части, который наклонен в подветренную сторону под углом к вертикальной части экрана. Экран отличается тем, что его устанавливают на краю дорожного полотна, при этом перебрасывающий экран размещен с наветренной стороны, минимальная высота h перебрасывающего экрана, обеспечивающая ламинарность метелевого потока, рассчитана по формуле
2
ha=b/4-h,
где h - высота насыпи (откоса) дороги;
b - ширина дорожного полотна, и соответствующая ему величина сдвига d перпендикулярной дороге оси (Y) цилиндрического эллипса рассчитана по формуле
1
2
1
2
1
1
1
1
2
1
1
1
max
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
d=[2(h -h +2h(h-h)]/b, с радиусом цилиндрического эллипса R, обеспечивающего переброс метелевого потока через дорожное полотно на высоте h, где h - заданная высота переноса на противоположной стороне дорожного полотна, при этом разгонный отрезок ломаной части (А-С) направлен по касательной к эллипсу, проходящему через верхнюю точку перебрасывающего экрана, минимальная длина 1 разгонного отрезка ломаной части (A-C) рассчитана с обеспечением заданной функции формы границы метелевого потока в виде цилиндрического эллипса, описываемого уравнением потока (a+d)+4у=R, где а - максимальная полуось эллипса, параллельная полотну дороги и рассчитанная от точки пересечения подстилающей поверхности основания откоса дороги, Y - полуось эллипса, перпендикулярная полотну дороги, а R - радиус эллипса. Минимальная длина разгонного отрезка, при условии минимальной высоты перебрасывающего экрана (D-C), равной (h - 0,3 метра), составляет не менее 1-0,3 sinβ, где β - угол между касательной к эллипсу и основанием дороги, при этом α - угол к вертикальной части экрана удерживающего отрезка ломаной части (А-В) составляет не более (мах) - 90° и не менее угла α - угла между вертикальной частью перебрасывающего экрана и перпендикуляром к касательной эллипса, проведенного в точку пересечения (A) удерживающего участка ломаной части с вертикальной частью перебрасывающего экрана (A-В), а длина удерживающего участка зависит от величины а, характеризующей массу потока, и высота вертикальной части экрана до ломаной части экрана (B-D) выбрана в зависимости от угла β, являющегося характеристикой метелевого потока. Перебрасывающий экран могут устанавливать совместно с шумозащитным экраном, при этом экраны расположены на противоположных сторонах дорожного полотна на расстоянии b, равном ширине дорожного полотна. Также, например, h - заданная высота переноса на противоположной стороне дорожного полотна выбрана с учетом высоты шумозащитного экрана или h - заданная высота переноса на противоположной стороне дорожного полотна выбрана с учетом высоты заградительного барьера. Ломаная часть перебрасывающего экрана выполнена, например, из материала с коэффициентом трения, обеспечивающего скольжение частиц снега или песка, характеристики которых взяты в зависимости от геофизических характеристик для конкретной местности. При этом длина 1 разгонного отрезка ломаной части (А-С) рассчитана с обеспечением заданной функции формы границы метелевого потока в виде цилиндрического эллипса, описываемого уравнением потока (x+d)+4у=R, где Х - полуось эллипса, параллельная полотну дороги и рассчитанная от точки (F) основания откоса дороги, Y - полуось эллипса, перпендикулярная полотну дороги, а R - радиус эллипса. Минимальная длина 1 (A-C) разгонного отрезка ломаной части с учетом подстилающей поверхности (F-A) массы снега рассчитана от точки пересечения перпендикуляра к касательной эллипса, проведенного в точку пересечения удерживающего участка ломаной части с вертикальной частью перебрасывающего экрана (В) до точки пересечения с удерживающим участком ломаной части перебрасывающего экрана. Максимальную длину 1 разгонного отрезка ломаной части рассчитывают исходя из условия устойчивости перебрасывающего экрана. Минимальный угол α=arcsin(h+h/R). Разгонный отрезок ломаной части перебрасывающего экрана расположен под максимальным углом
max
i
β, равным углу между касательной к эллипсу и осью, параллельной полотну дороги (оси ординат X), являющейся поверхностью основания откоса дороги с учетом его заноса до удерживающего отрезка ломаной части перебрасывающего экрана. Величина а и угол β выбраны в зависимости от геофизических характеристик для конкретной местности: скорости ветра, массы переносимых частиц, высоты нижнего слоя метелевого потока (низовая метель, верховая метель) от уровня основания дороги, угла между направлением метелевого потока и экраном по оси Z - вдоль полотна дороги.
На чертежах поясняется, но не исчерпывается, геометрия заявленного перебрасывающего экрана.
На Фиг.1 показаны общая схема построения эллипса и база для расчета сдвига оси Y эллипса без учета подстилающей снеговой поверхности.
На Фиг.2 - геометрия перебрасывающего экрана с учетом расчета, взятого с учетом подстилающей поверхности. А также показаны крайние возможные точки, по которым может быть рассчитана разгонная часть перебрасывающего экрана.
Конструкция перебрасывающего экрана имеет следующую геометрию.
1
1
1
2
1
1
1
Строят эллипс таким образом, чтобы при размещенной наибольшей оси эллипса, параллельной основанию дороги, эллипс проходил через точку Е на высоте h, что обеспечивается выбранным радиусом эллипса, далее рассчитывают сдвиг вертикальной оси эллипса на расстояние d, рассчитанное исходя из ширины дороги и соотношения высоты дорожного полотна h, заданной высоты переброса h и а - максимальной полуоси эллипса, параллельной полотну дороги и рассчитанной от точки пересечения основания откоса дороги с учетом подстилающей поверхности массы снега либо с учетом a - ширине скоса дороги. Далее определяют высоту h перебрасывающего экрана. Значение d зависит от отношения высоты откоса h к ширине основания дороги с учетом или без учета подстилающей поверхности. Угол наклона β разгонной части перебрасывающего экрана соответствует углу наклона касательной к эллипсу, проведенной к перпендикуляру, проходящему через точку излома В. Этот угол может быть максимальным при условии, что касательная проходит через точку F, которая определяется величиной «а» с учетом подстилающей поверхности или через точку, которая определяется величиной α без учета подстилающей поверхности. Точка F образовывается за счет заноса снегом - поверхность (F-A). Точку излома В размещают из условия соблюдения угла α не более (мах) - 90° и не менее угла α - угла между вертикальной частью перебрасывающего экрана и перпендикуляром к касательной эллипса, проведенного в точку пересечения удерживающего участка ломаной части с вертикальной частью перебрасывающего экрана (В). Длину разгонного участка определяет точка пересечения А удерживающего отрезка В-А и точка С, высота которой определяется высотой перебрасывающего экрана. Самое нижнее расположение точки С-C может составлять не ниже 1-0,3 м sinβ, где β - это βi - угол между касательной к эллипсу и основанием дороги как с учетом заноса или с учетом неполного заноса (см. фиг.2), так и без учета заноса, только до скоса дороги.
1
В случае соблюдения предложенной расчетной геометрии перебрасывающий экран обеспечивает заданную функцию формы границ метелевого потока при его взаимодействии с экраном по эллипсу, образуя эллиптический цилиндр. При этом обеспечивается гарантированный перенос метелевых масс через дорогу на высоте h.
Перебрасывающий экран работает следующим образом.
1
1
Метелевые массы дуют с наветренной стороны по откосу F-D, упираясь в вертикальную часть 1 (D-В) перебрасывающего экрана и осуществляя вихревое закручивание за счет удерживающего отрезка 2 (В-А). При закручивании метелевых масс они опускаются вниз до тех пор пока не образуется подстилающая поверхность F-A. Подстилающая поверхность может не достигать линии F-A, однако за счет скорости переноса частиц метелевого потока снег (песок) будет перелетать через удерживающий отрезок 2 в виде управляемого потока по огибающей и по разгонному отрезку 3 (А-С) направляться в соответствии с заданной функцией формы границы по эллипсу. При этом расчетная геометрия перебрасывающего экрана будет обеспечивать гарантированный переброс масс метелевого потока через дорожное полотно и за счет выбранного угла наклона разгонного отрезка 3 обеспечивать перенос метелевых масс на заданной высоте h.
В случае образования подстилающей поверхности, достигающей линии F-A, разгонный отрезок будет увеличиваться за счет подстилающей поверхности, что увеличит надежность переброса метелевых масс через дорожное полотно на заданной высоте за счет того, что метелевые массы будут перебрасываться по параболе.
Если работа перебрасывающего экрана осуществляется в условиях низовой метели, то будет реализована функция формы границы метелевого потока в виде эллипса, независимо от силы ветра и массы переносимых частиц.
В случае верховой метели массы метелевого потока будут упираться непосредственно в удерживающий отрезок 2 перебрасывающего экрана, менять свое направление и затем разгоняться на разгонном отрезке 3, при этом форма границы метелевого потока в зависимости от его скорости и подстилающей поверхности будет либо эллипс, либо парабола.
Таким образом, достигается заявленный технический результат за счет геометрических характеристик экрана, обеспечивающих местное управление метелевым потоком путем обеспеченной заданной функции формы границ метелевого потока при его взаимодействии с экраном, упрощение конструкции и предоставление технического средства, обеспечивающего гарантированный переброс метелевых масс через полотно дороги, в частности с одной стороны которой установлен шумозащитный экран. Это, в свою очередь, обеспечивает наибольшую защиту дорожного полотна.