內蒙環境區劃與低溫開裂預估研究

鄭 健，高二利，邵先勝，孫耀寧，王選倉

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.內蒙古公路交通投資發展有限公司興安分公司，內蒙古 呼和浩特 137400)

0 前 言

內蒙古特別是內蒙古東部地區典型結構研究起步較晚，大量公路存在不同程度的病害，且其他地區的路面結構設計是否適合內蒙古東部地區還有待商榷，則有必要對影響內蒙古東部地區路面結構的主要因素開展深入研究。

本文全面分析了內蒙古東部地區瀝青路面的主要氣候環境，利用SPSS統計分析軟件，基于聚類分析方法，深入分析內蒙古東部地區氣候詳細數據，確定道路氣候合理分區，充分考慮內蒙古東部低溫特點，進一步確定低溫設防指標，最終基于實際情況進行交通量等級劃分，為后期確定低溫地區瀝青典型結構標準提供依據。

1 研究方法

1.1 研究對象

內蒙古所處地區位于緯度較高的內陸，春季氣溫驟升且日溫差較大，夏季炎熱短暫，秋季常伴隨霜凍，冬季寒冷漫長，降雨少且集中，季節更替顯著。對內蒙古東部地區氣候條件進行調查，是后期提出內蒙古東部地區瀝青路面典型結構的研究基礎，故本文主要調查內容為內蒙古東部各地區道路環境的極端低溫、極端高溫及降雨量三個方面。

1.2 聚類分析與低溫指標計算模型

由于道路產生病害是多因素、持續作用且緩慢形成的結果，在進行區劃時，除了考慮低溫、高溫、降雨的不良影響，還需考慮各因素的持續作用時間。根據內蒙古東部地區各氣候因素相對重要程度，以低溫指標作為主導因素，高溫指標作為次要因素，降雨量指標作為輔助因素對內蒙古東部地區進行分區研究。

在包含溫度、降雨量的研究中，引入低溫重現期，建立Gumbel極值溫度模型，提出基于重現期的瀝青路面低溫設防指標及計算方法，對不同路面結構低溫抗裂性進行評價。

1.3 低溫重現期

在道路行業，重現期通常是指要研究對象，如降雨、氣溫等的取值在某一周期內出現的平均概率。假設研究對象的重現期為T，其計算公式如式(1)所示：

T(x≥xp)=1/P(x≥xi)

(1)

假設研究對象為某一橋梁洪水再現頻率，計算時間取20年，則以20年為重現周期，T20代表每20年內出現可能性最大的洪水流量極值，該值并不是重現期內一定會出現，實際降水量可能比重現值大，也可能比重現值小。

本研究認為，在道路設計時，類似于需要對道路使用年限內交通量進行預測，道路低溫設計溫度同樣需要預測其在一定重現期內最可能出現的極值。

1.4 基于Gumbel曲線極值法的重現期低溫設防指標的計算方法

要想得到某一周期內可能出現的極限最低氣溫，一般選用的數學分析方法有適線法和極值分布理論，通過統計研究對象在過去某一周期內的變化規律，預測將來可能出現的概率及具體數值。

目前，應用較為廣泛的計算模型主要有兩類，一種是皮爾遜Ⅲ型曲線經驗模型，一種是Gumbel曲線極值理論模型。在氣溫、降雨等研究中，Gumbel曲線極值計算方法應用最為廣泛，且可以得到很好的模擬結果。根據調研分析，內蒙古東部地區氣溫變化符合正態分布，可用Gumbel曲線進行極值計算。

2 內蒙古東部道路氣候狀況分析

2.1 低溫狀況分析

內蒙古東部地區全年氣溫均處于較低狀態，各地區的極端最低氣溫均分布在1月，并且不同地區的全年最低氣溫變化規律幾乎一致。其中呼和浩特極端低溫達到-29.4℃，通遼的極端低溫達到-33.9℃，滿洲里的極端低溫達到-43.8℃，而溫度最低的額爾古納在1月份最低溫度甚至達到-45.4℃。大部分城市到6月后，月最低溫度才上升到0℃以上。不同地區的最低溫度均值為-36.8℃，說明內蒙古東部地區氣溫總體較低，且大部分城市一年中近8個月最低溫度處于0℃以下。確定了該地區溫度低且低溫時間長的特點，故對內蒙古東部地區道路設計研究時首先需考慮低溫環境對道路性能的影響。

2.2 高溫狀況分析

6、7、8月內蒙古東部溫度集中較高，各地區全年高溫變化規律幾乎相同，各地區極限最高溫度均值高達39.6℃，其中呼和浩特極端高溫達到38.4℃，額爾古納極端高溫達到39℃，而赤峰、扎魯特的極限高溫甚至高達40℃及以上。近年來這種極端高溫現象在內蒙古地區頻發，對道路造成了一定影響。所以研究內蒙古東部地區道路設計時需考慮高溫環境對道路的影響。

2.3 水分對路面的影響

道路水分主要來源于降雨，故針對內蒙古東部各代表地區月降雨量進行調查，各地區在全年中降雨量趨勢幾乎相同，其中降雨量高峰期僅為6、7、8三個月，占據全年降雨量的70%，而其余各月的月降水量不超過30 mm，不足全年降水量的20%。7月為內蒙古東部地區降雨量頂峰時期，但仍未超過150 mm，說明內蒙古東部地區整體降雨量偏少，氣候干旱。但是需要注意的是，由于冬夏降雨量差異很大，7月份的降雨量可達到1月份降雨量的60～100倍，故在極端低溫作用下路面產生開裂后，如未做及時處理，夏季降雨集中，雨水則通過滲透進入結構內部，從而引發道路整體性破壞。因此，在對內蒙古東部地區道路進行研究時，需重點考慮降水對道路性能的影響。

3 氣候區劃及低溫開裂預估

3.1 基于SPSS的內蒙古東部氣候區劃

通過SPSS軟件對低溫、高溫、降雨數值進行深入分析，運行得到內蒙古東部不同地區累年各月月均最低溫度分類系統圖，并導出聚類分析冰柱圖及分區結果。

綜合考慮低溫、降雨量、高溫對道路結構的影響，對內蒙古東部地區進行具體區劃，基于單因素區劃結果，得到內蒙古東部道路結構綜合氣候區劃。

3.2 基于重現期的低溫設防指標計算

根據研究，內蒙古東部地區氣溫變化符合正態分布，可用Gumbel曲線進行極值計算，本文采用矩法預估。

當要計算的極限最低氣溫重現期給定之后，再根據氣象站測得的數據，計算出均值和方差，就可計算出極限最低氣溫設防值。

根據上述計算模型，以內蒙古東部寒區為例，計算合理的路面低溫設計溫度。計算過程如下。

確定合理的重現期。瀝青路面低溫設防值重現期應該與道路設計使用年限相匹配。高速、一級公路瀝青路面設計使用年限為15年，基于設計壽命保守考慮，溫度極值重現期不應小于15年。因此，以15年為高等級公路計算周期。

阿爾山位于內蒙古東部地區中心，氣溫具有代表性，故以阿爾山為基準對近60年氣溫進行調查及統計分析，計算基于重現期的瀝青路面低溫設計設防指標。

表1 低溫重現期極值

按設計規范求得的高速公路低溫設計溫度為-39.48℃。與表1對比可得，基于重現期的低溫指標設防值更加安全。選取溫度極值重現期為對應等級公路的設計壽命，計算得基于重現期的低溫設防值見表2。

表2 內蒙古東部地區設計年限內設防值

3.3 基于重現期的典型路面結構低溫開裂預估

以基于依托工程所在地進行路面低溫抗裂預估，結果如表3所示。

表3 開裂預估計算表

4 結 論

1)基于內蒙古東部地區道路氣候區劃關鍵因素研究結論，提出了氣候分區關鍵指標，建立了氣候分區指標體系，并運用基于SPSS的系統聚類分析方法開展內蒙古東部道路氣候合理分區研究。

2)針對瀝青路面設計規范中對低溫設計溫度存在的不足，引入溫度重現期，建立了Gumbel極值溫度模型，提出了基于重現期的瀝青路面低溫設防計算公式，得到了內蒙古東部地區公路設計年限內低溫設防指標及計算方法。

3)基于改進的開裂預估模型預估了不同典型瀝青路面結構的裂縫指數。

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