高速公路連續長大下坡路段線形優化理論與方法研究

宋楚君

摘要 隨著我國交通運輸和城市化進程的高速發展，高速公路所承擔交通任務量也越來越繁重。文章主要基于高速公路在連續長大下坡路情況下，研究公路線形優化的方法。通過結合實際案例分析，優化了連續長大下坡路段線形的設計。研究結果表明：文章的優化方案有效降低了交通事故發生率、提高了交通流暢度，證明該減速下坡車道的設計達到了預期效果。當坡度為1 °時，車輛速度提高了75%，距離減少了45%，所以設置減速下坡位置時，應隨著道路長大下坡的坡度增加，減小距坡頂的距離。

關鍵詞 高速公路；連續長大下坡；線性組合；減速下坡車道

中圖分類號 U412.366文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0052-03

0 引言

隨著社會的不斷發展和交通需求的不斷增長，我國的交通設施網絡也在不斷完善，同時交通安全的問題也日益突出，而高速公路作為現代交通網絡的重要組成部分，其線形設計對道路安全、交通效率和行車舒適度等方面起著至關重要的作用[1]。傳統的高速公路設計往往以平緩的坡度為主，但在實際運用中，面臨著如何在下坡路段實現連續、穩定的線形設計的挑戰[2]。下坡路段的線形設計直接關系到車輛行駛的安全性和舒適性，同時也對交通流的穩定性和高速公路的整體運行效果產生深遠影響。因此，深入研究高速公路連續長大下坡路段線形的優化理論與方法，不僅有助于提升道路的安全性和通行效率，還能夠推動高速公路設計的創新與發展。該文旨在探討在下坡路段的線形設計中，如何通過優化理論和方法，實現連續、平穩的道路線形，以滿足日益增長的交通需求和提高行車體驗。

1 公路連續長大下坡路段事故影響因素

在對高速公路長大下坡路段設計中，坡度設計過大將會增加車輛的制動難度，容易造成剎車制動難以控制，最終導致交通事故的發生，因此對于高速公路長大下坡路段需要考慮諸多影響因素，比如彎道設計時如果半徑過小則增加車輛的側滑以及翻車的風險。其次對于高速公路長大下坡路段而言，路面狀況的質量會嚴重影響行車安全，路面存在裂縫、坑洼或者積水時都會增加行車的安全性。最后是駕駛員的基本素養，需要根據不同的情況，及時準確做出最合理、最正確的選擇[3]。如表1所示給出了部分國家和地區交通事故相關因素的比例，從中可以看出，造成交通事故的主要因素是駕駛人員的過失以及道路設計的不合理。

通過查閱文獻，對于車輛失控的原因主要有兩個方面的觀點：一種觀點認為坡道過長，導致剎車片過熱引起車輛失控；另一種觀點認為下坡坡道與曲線組合，組合不當時引起車輛失控。如圖1所示，給出了計算統計法與統計法，以確定是否需要設置避險車道。基于計算的方法用于已運行或者新建的道路，而基于統計的方法只能用于已運行的道路[4]。

在連續長大下坡路段上，車輛的制動系統、轉向系統以及懸掛系統都需要處于良好的工作狀態。如果車輛存在制動器失靈、轉向不靈活或懸掛部件松脫等問題，都會增加交通事故的發生風險。而在連續長大下坡路段，車輛速度過快，導致車輛產生較大的慣性和速度。因此，車輛的制動系統需要具備足夠的制動力和耐久性，制動系統制動力不足或制動效果不佳，容易導致制動失靈，從而引發交通事故。

如圖2和圖3所示分別為汽車載重和超載率分析情況統計圖。根據調查研究，貨車車輛長期處在超載情況，嚴重威脅交通道路安全以及人身生命安全。因此，為了避免潛在的危險出現，在高速公路長大下坡路段應設置完善的基礎設施，并且加強道路管理。特別應注重大貨車，避免過多超載車輛或者車重超過55 t的車輛同時進入長大下坡路段。

在連續長大下坡路段，需要合理設計道路的坡度、曲線半徑以及超高限度等要素，以確保車輛能夠穩定行駛并減少制動壓力。標線的設置應明確指示車輛行駛方向和車道劃分，以幫助駕駛員正確判斷路況和采取相應的駕駛行動。

2 高速公路連續長大下坡路段線形

2.1 車輛運行動力學分析

在高速公路連續長大下坡路段，車輛運行動力學可以幫助分析在車輛運行過程中存在的各種安全問題。車輛在行駛過程中，需要不斷地消耗其動力勢能，克服空氣阻力與摩擦力的影響，以保持車輛的行駛穩定。而當車輛駛入下坡路段時，重心位置的偏移和質量分布的不均衡會影響車輛的穩定性和操控性。其次，當車輛過快時制動距離的增加，更加容易導致車輛失控，增加事故風險，因此只有對車輛運動行為有了足夠深入的理解后，才能對車輛設計和負載配置有更為合理的規劃[5]。

長大下坡路段的線形特點是路面坡度大、曲線多、視距短，這會使車輛在行駛過程中面臨著重力、慣性力和摩擦力等多種受力。當車輛失控時，其各種受力會更加復雜和危險，可能導致嚴重事故。車輛在下坡路段上沿著坡度方向前進，如果速度過快或制動不當，重力會增加車輛的加速度和滑行距離，導致車輛失控。此外，長大下坡路段的曲線較多，車輛在轉彎時會受到側向加速度的影響，這也會增加車輛失控的風險。車輛在高速行駛時，會受到慣性力的影響，即車輛在直線運動或轉彎時，由于質量的慣性作用而偏離原來的軌跡。在長大下坡路段上，如果車輛速度太快或者在曲線處轉向不當，慣性力會使車輛失控，并增加車輛滑行距離和碰撞風險。長大下坡路段的路面可能存在不同程度的坑洞、凸起和摩擦系數變化等問題，這些因素都會對車輛行駛產生影響。如果路面摩擦系數降低，車輛制動距離將會增加，容易導致制動失靈和失控。同時，坑洞和凸起也會影響車輛的平穩行駛，增加失控風險。

2.2 坡段組成對貨車制動器溫度的影響

根據相關規范與論文研究，連續長大下坡路段需要在保證車輛安全行駛的前提下，盡可能提高交通運輸的能力與效率，然而汽車在長大下坡路段，需要人為不斷頻繁地使用制動器進行制動，由于摩擦產生的熱量無法有效散出，制動器的溫度會迅速升高，進而致使制動器因溫度過高而失效，給行車安全造成不必要的麻煩與風險。因此在實際設計中，需要對線路進行更加合理的設計以規避帶來的危險。

2.3 坡段組成對貨車行駛狀態的影響

較陡的坡度會增加貨車制動器的使用頻率和時間，由于制動器摩擦產生的熱量無法有效散出，制動器溫度會迅速升高，給行車安全帶來潛在風險。較小的曲線半徑會導致貨車在轉彎時需要更加頻繁地使用制動器，增加了制動器的使用次數和持續時間，從而使制動器溫度升高。此外，連續長大下坡路段的長度也會對貨車行駛狀態產生影響，較長的下坡路段需要貨車駕駛人員持續使用制動器進行制動，這將使制動器溫度逐漸升高，貨車行駛狀態不穩定，容易出現制動失靈等安全問題。較低的路面摩擦系數會使貨車在制動時產生更大的摩擦力，進而增加制動器的磨損和溫度，給貨車行駛狀態帶來一定影響。因此，在連續長大下坡路段縱斷面指標優化研究中，需要充分考慮坡段的組成對貨車行駛狀態的影響，合理控制坡度的陡峭程度、選擇合適的曲線半徑、設置補償坡段或平坡段、提高路面的摩擦系數等，以確保貨車行駛安全、穩定和可靠。

3 減速下坡車道實地試驗及分析

3.1 工程概況

該文選擇以湖南省長沙市某國道一段長大下坡路段為研究對象，該國道為雙向四車道的高速公路，全長約25 km，設計速度為120 km/h，路基寬度為26 m。由于該地區地處湖南省中部，地貌主要由侵蝕堆積河谷沖洪平原地貌和低山丘陵組成，總體呈東高西低趨勢，該路段地區最高海拔為3 100 m，平均坡度為11 °。

3.2 路面材料選擇實驗分析

車輛長時間的連續下坡行駛會對路面造成較大的磨損，因此路面材料的耐磨性能也是實驗分析的重點之一。選取一段道路，在道路上鋪裝試驗用的集料；針對不同大小的集料，車輛運行時應至少三次不采用剎車制動，利用集料的減速效果進行減速；記錄其行車時的檔位情況、速度變化情況，并且丈量行車距離，通過計算得到集料的滾動阻力系數。通過模擬車輛在不同路面材料上的行駛情況，觀察路面磨損情況，評估路面材料的耐久性和使用壽命。通過實驗分析不同路面材料在濕潤條件下的摩擦系數和抗滑性能，評估其在陡坡路段的實際應用效果。通過對不同材料的采購成本、施工成本以及維護成本的比較，結合其在實際應用中的表現，綜合評估選擇最優的路面材料。

3.3 減速下坡車道設置原則研究

減速下坡車道設置原則是指在高速公路連續長大下坡路段中，車道應貼近正常車道，以便車輛能夠順利地從正常車道進入減速下坡車道。其長度應根據下坡路段的坡度和長度確定，以確保車輛在行駛過程中有足夠的距離進行減速和剎車。減速下坡車道的寬度應符合標準，以保證車輛在減速過程中的穩定性和安全性。

由圖4可以看出，隨著速度的增加，車輛距坡頂的距離下降得越緩慢。當坡度相同時，速度越快，距離坡頂的距離越近。當坡度為1 °時，速度提高了75%、距離減少了45%。當速度相同時，隨著坡度的增加，曲線的曲率在增加，達到制動器衰退溫度260 ℃時車輛距坡頂的距離越小。由圖可知，當考慮設置減速下坡位置時，應隨著長大下坡道路坡度的增加縮短距坡頂的距離。

3.4 減速下坡車道設計施工及實施效果

在減速下坡車道的設計階段可采用線形優化的理論和方法，確定減速下坡車道的長度、寬度和坡度等參數。設計時應考慮不同車輛類型的需求，確保車輛能夠順利地減速和剎車，并提供足夠的空間和距離；應采用合適的施工技術和材料，確保路面的平整度和抗滑性，以提高車輛的行駛安全性。在實施階段，通過對交通流量、車速、事故率等指標的監測和評估，該路段的事故發生率明顯降低，交通流暢度得以提高，并提升了駕駛員的行車體驗。

4 結論

該文針對高速公路連續長大下坡路段線形的優化理論與方法進行研究，對每一項技術改進方案進行了詳細的理論分析和數值模擬，驗證和評估了各項技術方案的可行性和效果。主要得出以下結論：

（1）在減速下坡車道的施工過程中，應合理確定減速下坡車道的長度、寬度和坡度，為車輛提供足夠的剎車空間和距離，降低事故風險，提高交通安全。通過對交通流量、車速、事故率等指標的監測和評估，該研究提出的方案明顯降低了事故發生率，提高了交通流暢度，證明該減速下坡車道的設計和施工達到預期效果。

（2）根據試驗結果分析，當坡度為1 °時，速度提高了75%、距離減少了45%。當速度相同時，隨著坡度的增加，曲線的曲率在增加，達到制動器衰退溫度260 ℃時車輛距坡頂的距離越小。所以，當考慮設置減速下坡位置時，應隨著長大下坡道路坡度的增加縮短距坡頂的距離。

參考文獻

[1]高建平，竇浩然，何云勇，等. 基于駕駛員人因的高速公路長大連續下坡路段線形組合設計方法[J]. 公路，2021（11）： 7-13.

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[3]蔡鵬，尹文鋒. 公路連續長大下坡路段交通安全性研究[J]. 工程建設與設計，2021（18）： 84-86+90.

[4]黃先剛. 長大連續下坡路段的安全設計要點與評價方法[J]. 中國公路，2020（14）： 118-119.

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