不同路面類型下公路隧道照明的效能分析

馬 非，陳開良，王 乾，彭 力

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司隧道分院，重慶 400067；2.三明福銀高速公路有限責(zé)任公司，福建三明 365000；3.重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶 400074；4.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400040)

引言

我國隧道不僅修建在山嶺地區(qū)，在江河、海峽和港灣等地區(qū)也越來越多地考慮修建隧道，這樣可不影響水路通航，提高舒適性，增加隱蔽性且不受氣候影響[1-3]。因此，在今后一段時間內(nèi)，我國公路隧道的數(shù)量和里程還將持續(xù)上升。隨著隧道數(shù)量的持續(xù)上升，安全與節(jié)能成為現(xiàn)今隧道照明面臨的兩個突出問題。傳統(tǒng)的隧道照明方式不僅會消耗大量的電能，給運營企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并且巨大的能源消耗也會引起霧霾等嚴(yán)重空氣污染問題。從節(jié)約資源、保護(hù)壞境角度出發(fā)，研究如何減小隧道照明消耗的電能越來越成為國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注的重點[4-7]。為了達(dá)到隧道照明節(jié)能的目的，研究者考慮了隧道分段照明、隧道輪廓標(biāo)、燈具類型、配光曲線、布燈形式等因素，使其照明效果能夠達(dá)到安全與節(jié)能的最優(yōu)組合[8-12]。不同的路面類型會影響到隧道內(nèi)的各照明指標(biāo)。公路隧道路面通常采用水泥混凝土路面或瀝青路面。水泥混凝土路面摩擦系數(shù)較小，反射率較大，為 0.24～0.31。瀝青路面摩擦系數(shù)大，反射率較小，為 0.18～0.21。因此，目前研究認(rèn)為，在滿足行車安全的基礎(chǔ)上，路面盡量選用水泥混凝土路面，并加入淺色石子改善路面亮度，可以提高照明效果[8]。但是，目前這方面的相關(guān)研究還較少，本文通過軟件模擬對不同路面類型下的照明指標(biāo)進(jìn)行分析，得出照明效果最好的路面類型，對未來隧道內(nèi)路面的設(shè)計工作具有重大意義。

1 不同路面類型模型的建立

1)路面類型。傳統(tǒng)的路面分類為剛性路面、柔性路面及半剛性路面，剛性路面就是水泥混凝土路面，柔性路面就是瀝青路面，半剛性路面介于兩者之間。我國隧道路面結(jié)構(gòu)的特點是：在中長及特長隧道中，水泥混凝土路面所占的比例較大，瀝青混凝土路面和復(fù)合式路面采用較少；短隧道中多采用瀝青混凝土路面。本文研究的不同路面類型有水泥路面，瀝青路面和濕潤路面，其中濕潤路面又有反射程度不同的類型，隧道內(nèi)各路面描述見表1。

2)照明指標(biāo)。通過對照明指標(biāo)的分析可以進(jìn)行照明效果的評價，本研究分析的照明指標(biāo)包括路面照度，路面亮度，目標(biāo)亮度，光幕亮度以及小目標(biāo)可見度，其表示的具體含義見表2。

表1 路面類型分類

表2 照明指標(biāo)

圖1 隧道橫斷面Fig.1 The cross-section of tunnel

3)隧道模型。該隧道模型屬于單向三車道，總寬13.85 m，單車道寬3.75 m，路面至拱頂距離為7.3 m，燈具布置位置距離路面高度為5.50 m，布燈形式為兩側(cè)交錯布燈，布燈間距10 m，燈具發(fā)光軸線與豎直面夾角為15°。隧道橫斷面圖如圖1所示。圖2是用極坐標(biāo)方法表示的配光曲線圖，此外還可以用直角坐標(biāo)法和等光強(qiáng)曲線法表示。從圖2可以看出配光曲線(kenall2)在55°附近，最大光強(qiáng)數(shù)值為404 cd/klm(8010/19.813)，橫向配光曲線不對稱。

圖2 配光曲線示意圖Fig.2 The light distribution curve diagram

2 模擬計算結(jié)果分析

1)路面照度。采用照明軟件AGI32進(jìn)行計算，得出不同路面類型的路面照度值，見表3。

表3 不同路面材料下路面照度值

路面照度總體上差異不大，那是由于照度只與燈源本身相關(guān)，與接收面的情況無關(guān)，模擬呈現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)波動，路面照度的變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同路面類型下路面照度值比較Fig.3 The comparison of illuminance of different pavement

2)路面亮度。計算得到不同路面類型的路面亮度值，見表4。從表4可以看出路面亮度總體上差異較大，濕潤路面的路面亮度值較高，最高亮度比最低亮度高出60.1%。濕潤路面亮度最大值隨著反光率的增加而增加，但是最小值有減小的趨勢，表明濕潤路面反射率的提高增大了路面亮度的不均勻，從駕駛員舒適性考慮，濕潤的路面對行車安全不利。所有路面亮度值變化趨勢如圖4所示。

表4 不同路面材料下路面亮度值

圖4 不同路面材料下路面亮度值比較Fig.4 The comparison of luminance of different pavement

3)目標(biāo)物亮度。計算得到不同路面類型情況下的目標(biāo)物亮度值，其數(shù)值關(guān)系到目標(biāo)是否能被發(fā)現(xiàn)，見表5。

目標(biāo)物亮度總體上差異不大，濕潤路面的路面照度值較高，且隨著路面反光率的增加而增加，目標(biāo)物亮度值變化趨勢如圖5所示。

4)光幕亮度。計算得到不同路面類型情況下的光幕亮度，其數(shù)值見表6。

表6和圖6可以看出光幕亮度總體上差異不大，尤其是最大值幾乎相同，平均值略微有些變化，其變化趨勢如圖6所示。

5)小目標(biāo)可見度。計算得到不同路面類型情況下的STV值，見表7。

表5 不同路面材料下路面目標(biāo)物亮度值

圖5 不同路面類型下路面目標(biāo)亮度比較Fig.5 The comparison of luminance of target object under the different pavement type

表6 不同路面材料下路面光幕亮度值

圖6 不同路面類型下路面光幕亮度比較Fig.6 The comparison of veiling luminance under the different pavement type

表7 不同路面材料下亮度STV值

不同路面的STV值差異較大，尤其是瀝青路面的STV值比水泥路面和濕潤路面較高，表明瀝青路面有益于洞內(nèi)小目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)。路面的STV值變化趨勢如圖7所示。

圖7 不同路面類型下STV比較Fig.7 The comparison of STV under the different pavement

3 綜合評價

根據(jù)前面得到的模擬分析結(jié)果，分析不同路面類型對平均亮度、小目標(biāo)物亮度、背景亮度、 小目標(biāo)物可見度的貢獻(xiàn)，從而在不同條件下為選擇路面類型提供參考。

根據(jù)表8中的數(shù)據(jù)可以得出綜合判斷：①對于干燥的水泥路面和瀝青路面來說，水泥路面在小目標(biāo)物亮度和背景亮度之間區(qū)別很小，雖然水泥路面的平均亮度比瀝青路面高，但是小目標(biāo)的可見度反而比瀝青路面低很多，所以在隧道路面類型的選擇中，在滿足規(guī)范里地面亮度要求的前提下，盡量選擇瀝青路面。②同一類型路面，路面濕潤程度越高，路面平均亮度、小目標(biāo)物可見亮度越高，除W1外，小目標(biāo)物可見度越高。但是，由于路面平均亮度的增加只是因為濕潤造成的路面部分鏡面反射的效果，而濕潤路面摩擦系數(shù)將減小，低溫狀態(tài)下將更小，更容易引發(fā)交通事故。因此在設(shè)計中，不能單單依靠指標(biāo)的滿足就判斷隧道照明設(shè)計符合規(guī)范要求，還要求在現(xiàn)場判斷路面情況。③解決進(jìn)入洞口處的濕潤問題將是未來進(jìn)一步工作的重點。

表8 不同路面材料下路面情況綜合評價

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