超多車道高速公路超寬瀝青路面水膜厚度分析★

方 鵬，柯能信，連軍紅，蘇 芳

(1.廣西建設職業技術學院管理工程學院,廣西 南寧 530007;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

隨著經濟的快速發展,部分高速公路已經出現了明顯的擁堵現象。越來越多的高速公路改擴建工程建成投入使用或正在建設和規劃,為我國實現高質量發展和交通強國建設,全面建成社會主義現代化強國提供了有力的支撐。為解決道路通行能力的問題,改擴建工程通常采用擴寬通行段面的方法,例如“四改八”或“六改十”。超寬斷面雖然提高了交通能力,但也增大了路面徑流路徑,增加了路面積水風險[1-3]。現行我國公路排水設計主要參考《公路路線設計規范》《公路路基設計規范》《公路排水設計規范》《排水瀝青路面設計與施工技術規范》等,對高速公路路界內地表排水、地下排水以及路面結構內部排水、附屬設施構造物排水構造及水力計算均有具體要求,基本能滿足一般公路設計要求[4-6]。但在實際使用時,十車道及以上超多車道的超高漸變段以及多車道+輔助車道+變速車道形成的超寬斷面時常出現降雨時路面積水,而積水在路面形成水膜,降低路表與車胎的附著力,導致車輛發生水滑[7-9]。更進一步,超多車道如何選取項目所在地區降雨強度指標、如何建立路面排水計算模型,如何評價路面排水能力,以及如何提高路面排水能力等問題尚無規范標準可參考。

1 水膜厚度計算

國內外大量研究表明,高速公路降雨天行車安全與路面水膜厚度直接相關。自20世紀60年代,Ross等基于室內試驗或現場試驗成果建立模型,回歸分析得出水膜厚度的經驗公式,后續道路工作者對路面水膜計算展開了大量研究[10-12]。其中羅京等精度較高,可應用到已知道路平縱線形和路表構造特征的路段[13-14]。經回歸得到式(1):

d=0.068L0.32I0.41T1.17i-0.31

(1)

其中,d為水膜厚度,mm;L為排水長度,m;I為降雨強度,mm/h;i為路面坡度;T為構造深度,mm。

此外國內外經典水膜計算公式還有,Gallaway B.M.等于1979年,在無風環境下,開展室內路面水膜厚度觀測試驗,提出了水膜厚度預測公式(式(2)),該公式被美國交通部應用。

d=0.014 85(T0.11L0.43I0.59i-0.42)-T

(2)

其中,d為水膜厚度,mm;L為排水長度,m;I為降雨強度,mm/h;i為路面坡度;T為構造深度,mm(推薦采用0.5 mm)。值得一提的是,式(2)在使用時僅在車速范圍55 km/h～95 km/h時有效。

季天劍、黃曉明等在室內人工模擬降雨試驗,利用連通器原理實測了水膜厚度,并回歸得到式(3):

d=0.158L0.671 5I0.778 6T0.726 1i-0.314 7

(3)

其中,d為水膜厚度,mm;L為排水長度,m;I為降雨強度,mm/min;i為路面坡度;T為構造深度,mm。

為了研究高強度降雨條件下十車道及以上的超寬路面長距離排水路徑路面水膜厚度變化規律,本文以上述式(1)—式(3),分別簡稱方法A,B,C,依托南方某高速公路改擴建項目,分別計算半幅五車道以及上超寬斷面輪跡帶水膜厚度。

2 水膜厚度影響因素分析

2.1 降雨強度

降雨是路面徑流的主要水量來源,研究路面排水需要首先明晰降雨條件。該工程位于我國南部沿海,屬東亞季風區,降雨資源豐富,受地理條件和季風的影響,省域內降雨時空分布特征十分顯著,年平均降雨量在1 800 mm以上,屬于多雨地區。短時內強降雨現象多發,道路積水嚴重。

根據《公路排水設計規范》相關規定,當地氣象站有10年以上自記雨量計資料時,宜利用氣象站觀測資料,經統計分析,確定相關參數后按式(4)計算設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度。

(4)

其中,ap=c+dlgP;t為降雨歷時,min;P為重現期,a;b,n,c,d均為回歸系數。

但考慮到該地區的降雨強度計算公式為20世紀60年代—80年代氣象觀測站降雨數據統計分析得來,而近20年來由于全球變暖,極端降雨天氣明顯增多,年降雨量也顯著增大,該公式已不符合現狀。本文引入降雨強度可靠度,其定義為:降雨強度小于I時總降雨量占歷年總降雨量的比例,即降雨強度I的可靠度[15]:

可靠度=QW

(5)

其中,QW

表1 降雨強度與對應的累計降雨次數占比和降雨強度可靠度的關系

以半幅五車道,橫坡2.5%,縱坡0%,構造深度0.8 mm,降雨強度可靠度為85%,90%,95%時,分別用方法A,B,C計算路面水膜厚度,見表2。

總體上,降雨強度的可靠度越大,三種計算方法得到路面水膜厚度值也越大;方法C預測的路面水膜厚度大于A,B,不同降雨可靠度水膜厚度計算值均超過3 mm,且當降雨可靠度為95%時,值接近4 mm;A,B兩種方法計算得到值較為接近,二者相差約為0.2 mm。查閱相關資料和調研,本項目取95%降雨強度可靠度較為合理[16]。

2.2 路面寬度

以半幅五、六、七、八車道,橫坡2.5%,縱坡0%,構造深度0.8 mm,降雨強度可靠度為95%時,分別用方法A,B,C計算路面水膜厚度,其值如圖1所示。

由圖1可知,半幅五車道及以上,輪跡帶水膜計算厚度三種計算方法得到水膜厚度均大于2.5 mm,即如果以2.5 mm作為路面臨界水膜厚度值,那么五車道以及上超寬斷面存在系統性滑水風險。三種計算方法輪跡帶水膜計算值C>B>A。當半幅車道數為5時,B比C約小0.9 mm,B比A約大0.2 mm,隨著車道數增加,路面寬度變大,排水路徑變長,A,B,C三者之差進一步變大。其中方法A每增加一個車道數,水膜厚度約增加0.25 mm,方法B每增加一個車道數,水膜厚度約增加0.3 mm,方法C每增加一個車道數,水膜厚度約增加0.5 mm。

2.3 路面坡度

1)橫坡。雨水滴落至公路表面后,將在重力作用下沿著合成坡度方向排至路外。當合成坡度較小時,路面較為平緩,沿公路切線方向的重力分力較小,同時受到雨水內部黏滯力和路面摩擦力的作用,雨水往往不能及時排出路表,從而滯留在路表內造成路面積水。因此,合成坡度坡度的大小影響路表效率。在公路路面二維平面內,寬度遠遠小于長度,主要靠橫坡將水排出路界。

根據現行規范有關坡度規定,本文此部分以半幅六車道,縱坡0.3%,構造深度0.8 mm,降雨強度可靠度為95%時,橫坡由1.5%,1.7%,1.9%,2.0%,2.2%,2.4%,2.5%,2.8%,3.0%分別用方法A,B,C計算路面水膜厚度,其結果如圖2所示。

由圖2可知,半幅六車道橫坡在1.5%～3%范圍內路面輪跡帶水膜計算厚度方法C>B>A。其中,方法A橫坡由1.5%變至3%,路面輪跡帶水膜厚度約減少0.5 mm,方法B減少約1.2 mm,方法C減少1.1 mm。從三種方法的指數趨勢曲線可知,隨著橫坡變大,水膜厚度值變化率越趨于平緩,這表明當橫坡達到某一值后,再通過增加橫坡值來減小路面水膜厚度,收益越來越小,且通過調整橫坡來減小水膜厚度效果有限。

2)縱坡。為了滿足路面排水的需要,國內外對公路的縱坡坡度都進行了規定,最小縱坡要求:《日本道路構造法》中給出縱斷面排水坡度值在0.3%～0.5%間較為合適;美國綠皮書規定公路最小縱坡宜為0.5%,在路基強度較好的鋪裝路面上,最小縱坡可以采用0.3%;英國《路橋設計手冊》中規定,最小縱坡應采用0.5%。我國《公路路線設計規范》中:公路縱坡不宜小于0.3%,橫向排水不暢的路段,采用平坡(0%)或小于0.3%的縱坡時,其邊溝應作縱向排水設計。此部分以半幅六車道,橫坡2.5%,構造深度0.8 mm,降雨強度可靠度為95%時,縱坡為0.3%,0.5%,1.0%,1.5%,2%,2.5%,3%,3.5%,4%,分別采用方法A,B,C計算路面水膜厚度,結果如圖3所示。

從圖3中可知,計算路面水膜厚度總體方法C>B>A,C比B大1.3 mm～2.5 mm,B比A大約0.25 mm;隨著路面縱坡由0.3%變至4%,C計算得到路面水膜厚度并沒有變小反而變大,這是由于在縱坡變大的同時,合成縱坡變大,排水路徑也變大,反映在計算厚度也變大。

隨著路面縱坡由0.3%變至4%,A和B計算得到路面水膜厚度幾乎不變,這表明調整縱坡對于超寬斷面的水膜厚度幾乎沒有影響,在工程實踐中,高速公路改擴建工程通過調整縱坡來改善排水狀況,幾乎不起作用。另一方面如果以2.5 mm作為路面臨界水膜厚度,即使將路面坡度調整到規范規定限制(橫坡2.5%,縱坡4%),三種計算方法得到路面水膜厚度均大于該值,說明超寬斷面僅僅通過調整坡度無法規避行車滑水風險,需尋求其他措施。

2.4 超高漸變段

通過對半幅五車道超高漸變段水流情況進行數值模擬,其中R-1 685,縱坡分別為1.2%和0.5%,路拱橫坡2.5%,超高4%;附近路段的排水情況如圖4所示。

其計算結果如表3所示。

表3 不同計算方法水膜厚度值

從表3可知,當改超高漸變段的縱坡為1.2%,不增設路拱線時,其排水長度為120.9 m,路面最大水膜厚度達5.86 mm,遠大于正常路段的水膜厚度。在二、三車道之間增設一條路拱線,內側半幅排水長度為50.12 m,外側半幅排水長度為69.64 m,對應的水膜厚度分別為3.84 mm和4.50 mm,即內側半幅水膜厚度減小了約2 mm,外側半幅水膜厚度減小約1.3 mm,這表明在多車道斷面間人為增設一條路拱線能有效減小路面的水膜厚度。

3 結語

本文依托南方某高速公路“六改十”改擴建工程項目,采用不同經驗公式分別計算十車道及以上超多車道超寬斷面路面水膜厚度,并分析不同因素對其的影響,得出以下結論,為后續高速公路路面排水設計、研究提供參考:1)車道數增多,路面寬度變大,路面水流的排水路徑變長,路面水膜厚度會變大,其中方法A每增加一個車道數,水膜厚度約增加0.25 mm,方法B每增加一個車道數,水膜厚度約增加0.3 mm,方法C每增加一個車道數,水膜厚度約增加0.5 mm。路面水膜變厚帶來的行車安全風險也會變大。2)采用散排、適當增加路面綜合坡度、在改擴建新舊路面處增設路拱線等方式能有效減小路面水膜厚度,而高速公路改擴建工程僅通過調整縱坡來改善排水狀況,幾乎起不到作用。3)近20年來由于全球變暖,極端降雨天氣明顯增多,年降雨量也顯著增大,公路排水規范、手冊中的降雨強度計算公式已不符合現狀,建議結合降雨強度可靠度概念選用合理的數值。4)目前,高速公路排水措施何時設置、能起到什么樣的排水效果,大都以經驗為主,缺乏量化評價指標;而以“減小的路面水膜厚度值”作為評價指標值得進一步深入研究。