冰雪條件下山區公路縱坡設計指標及安全性評價

曹智偉

（國家林業局昆明勘察設計院，云南昆明 650216）

由于中國是一個地形復雜多山的國家，許多道路分布在山區。作為一種特殊的路況，冰雪路面的復雜性使得行駛車輛的性能受到限制，在冰雪條件下，路面附著系數較小，削弱行進車輛的爬坡能力、增加其制動、降低其穩定性；在冰雪路面上行使的車輛，其安全制動距離相比于正常路面下行駛的車輛安全制動距離更長，同時由于摩擦系數減小，轉彎時更容易發生側滑；爬坡過程中可能會出現倒溜現象，在下坡路面，車輛之間的停車視距邊長，容易發生車輛追尾、失控的現象[1-2]。本文從保證交通安全的角度出發，主要研究了在冰雪條件下西南山區公路設計縱向坡長和坡度設計限制指標參數，為西南地區公路設計人員提供一些設計依據。

1 坡長設計指標

1.1 服務水平

根據《公路工程技術標準》JTG B0-2003中的要求，在進行公路縱坡設計時，依照服務水平的要求，相接的平坡路段和縱坡路段的服務水平等級差距和公路坡長設計值不得大于兩個級別。按照我國目前的公路功能設施的配置情況，道路的服務水平分為一級公路、二級公路、三級公路以及四級公路[3]。

以公路服務水評為基準進行冰雪條件下山區道路坡長設計時，假設交通量用字母V表示，基本通行能力用大寫字母C來表示，當V與C的比值是0.63時，該路段平坡處的服務水平處于二級；縱坡路段上由于載重車輛爬坡速度緩慢，降低了整個路段的通行能力，此時該路段的V/C是0.63。通過綜合數據分析，冰雪條件下山區公路道路縱坡交通量與基本通行能力比V/C處于0.8～1.0范圍內時，該路段的服務水平不滿足坡長設計要求[4]；當交通量與基本通行能力比V/C大于1.0時，說明該路段的道路交通運行水平極差。在冰雪環境下，山區公路二級、三級服務水平時的縱坡設計指標限制值如表1所示。

表1 縱坡設計指標限制值

綜上所述，冰雪條件下山區公路采用二級、三級服務水平時，在進行縱坡設計其坡度小于2%時，坡長不受限制；當坡度為2%時，坡長應小于1200m，坡度設計范圍在3%～6%時，坡長設計長度應小于400m。

表2 冰雪條件下，解放牌CA5310型汽車滿載不換擋爬坡最大坡長

1.2 行車速度

在正常情況下，車輛在縱向坡度上的行駛速度只受坡度和坡長影響。同一車型的速度與實際負荷、車輛自身的性能和道路通行條件以及駕駛員自身素質相關，其中車輛的發動機輸出功率與道路坡度坡長有關[5-6]。

選用質量功率比為160kg/kw的解放牌CA5310型汽車作為研究車輛，研究行駛速度與坡度坡長的關系，設計該車以滿載且不換擋的條件下，產生不大于15km/h的速度差時，車輛爬坡長度統計情況如表2所示。

結合上表中數據以及設計指標中對道路坡長限制值，得到冰雪條件下山區公路的縱坡坡長設計推薦值，如表3所示。

表3 基于行車速度冰雪條件下公路坡長推薦值

1.3 駕駛員駕駛狀態

通過對相關文獻的數據進行分析得出駕駛員心率與駕駛速度、坡長的相關性，

L——坡長取值，m

表4 冰雪條件下基于駕駛員心率的坡長限制

n——心率增長率，%

i——縱坡坡度值，%

v——車輛運行速度，km/h

φ為道路摩擦系數，雪天路面取 0.28，結冰路面取 0.18。

1.4 確定坡長指標

結合上述公路服務水平、行車速度以及駕駛員行駛狀態三個角度得到的坡長設計限制值，確定山區公路在冰雪條件下坡長設計推薦值，如表5所示。

表5 山區公路冰雪條件下縱坡坡長設計推薦值

2 坡度設計指標的確定

按照設計規范中要求道路設計行車速度在20km/h時，其最大縱坡坡值是8%，通過對西南地區公路冰雪條件下車輛行駛狀況進行分析，得到山區公路在冰雪條件下最大縱坡坡值推薦值6.5%。具體情況如表6所示。

表6 山區公路在冰雪條件下縱坡坡度推薦值

3 安全性評價

采用動力學仿真軟件建立山區公路行車安全性模型，模擬在干燥瀝青路面、下雪路面以及結冰路面下的不同行車速度時，得到車輛的側向位移以及側偏角，作為判斷車輛在不同摩擦系數路面下的行車安全最高速度。通過模擬計算出積雪路面的摩擦系數為0.25，結冰路面的摩擦系數為0.18，冰雪混合路面的摩擦系數為0.12，所對應的安全行車最高限制速度如表7所示。

從上表數據可以看出，西南山區的公路在積雪路面、結冰路面、冰雪混合路面的狀態下，為保證行車安全，所對應的車輛最高行駛速度分別為 21.9km/h、15.2km/h、12.4km/h。

表7 不同摩擦系數路面的安全行車最高限制速度

本文對山區公路在冰雪條件下的縱坡設計指標值的選取進行了研究分析。從公路服務水平、行車速度以及駕駛員駕駛狀態三個角度綜合考慮，確定了山區公路冰雪條件下縱坡坡長設計推薦值，結合規范要求以及山區特殊地形、氣候環境確定公路縱坡的坡度設計限制值，從行車安全性角度出發，通過建立模擬進行安全行車仿真模擬，得到積雪、結冰、冰雪混合路面狀態下的車輛安全行駛的最高速度。