冰雪條件下山區(qū)公路縱坡設(shè)計指標(biāo)及安全性評價

曹智偉

（國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計院，云南昆明 650216）

由于中國是一個地形復(fù)雜多山的國家，許多道路分布在山區(qū)。作為一種特殊的路況，冰雪路面的復(fù)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(shù)較小，削弱行進(jìn)車輛的爬坡能力、增加其制動、降低其穩(wěn)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(shù)減小，轉(zhuǎn)彎時更容易發(fā)生側(cè)滑；爬坡過程中可能會出現(xiàn)倒溜現(xiàn)象，在下坡路面，車輛之間的停車視距邊長，容易發(fā)生車輛追尾、失控的現(xiàn)象[1-2]。本文從保證交通安全的角度出發(fā)，主要研究了在冰雪條件下西南山區(qū)公路設(shè)計縱向坡長和坡度設(shè)計限制指標(biāo)參數(shù)，為西南地區(qū)公路設(shè)計人員提供一些設(shè)計依據(jù)。

1 坡長設(shè)計指標(biāo)

1.1 服務(wù)水平

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B0-2003中的要求，在進(jìn)行公路縱坡設(shè)計時，依照服務(wù)水平的要求，相接的平坡路段和縱坡路段的服務(wù)水平等級差距和公路坡長設(shè)計值不得大于兩個級別。按照我國目前的公路功能設(shè)施的配置情況，道路的服務(wù)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(wù)水評為基準(zhǔn)進(jìn)行冰雪條件下山區(qū)道路坡長設(shè)計時，假設(shè)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(dāng)V與C的比值是0.63時，該路段平坡處的服務(wù)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(shù)據(jù)分析，冰雪條件下山區(qū)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(nèi)時，該路段的服務(wù)水平不滿足坡長設(shè)計要求[4]；當(dāng)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(huán)境下，山區(qū)公路二級、三級服務(wù)水平時的縱坡設(shè)計指標(biāo)限制值如表1所示。

表1 縱坡設(shè)計指標(biāo)限制值

綜上所述，冰雪條件下山區(qū)公路采用二級、三級服務(wù)水平時，在進(jìn)行縱坡設(shè)計其坡度小于2%時，坡長不受限制；當(dāng)坡度為2%時，坡長應(yīng)小于1200m，坡度設(shè)計范圍在3%～6%時，坡長設(shè)計長度應(yīng)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(fù)荷、車輛自身的性能和道路通行條件以及駕駛員自身素質(zhì)相關(guān)，其中車輛的發(fā)動機輸出功率與道路坡度坡長有關(guān)[5-6]。

選用質(zhì)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(guān)系，設(shè)計該車以滿載且不換擋的條件下，產(chǎn)生不大于15km/h的速度差時，車輛爬坡長度統(tǒng)計情況如表2所示。

結(jié)合上表中數(shù)據(jù)以及設(shè)計指標(biāo)中對道路坡長限制值，得到冰雪條件下山區(qū)公路的縱坡坡長設(shè)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(tài)

通過對相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出駕駛員心率與駕駛速度、坡長的相關(guān)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(shù)，雪天路面取 0.28，結(jié)冰路面取 0.18。

1.4 確定坡長指標(biāo)

結(jié)合上述公路服務(wù)水平、行車速度以及駕駛員行駛狀態(tài)三個角度得到的坡長設(shè)計限制值，確定山區(qū)公路在冰雪條件下坡長設(shè)計推薦值，如表5所示。

表5 山區(qū)公路冰雪條件下縱坡坡長設(shè)計推薦值

2 坡度設(shè)計指標(biāo)的確定

按照設(shè)計規(guī)范中要求道路設(shè)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(qū)公路冰雪條件下車輛行駛狀況進(jìn)行分析，得到山區(qū)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(qū)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(xué)仿真軟件建立山區(qū)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(jié)冰路面下的不同行車速度時，得到車輛的側(cè)向位移以及側(cè)偏角，作為判斷車輛在不同摩擦系數(shù)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(shù)為0.25，結(jié)冰路面的摩擦系數(shù)為0.18，冰雪混合路面的摩擦系數(shù)為0.12，所對應(yīng)的安全行車最高限制速度如表7所示。

從上表數(shù)據(jù)可以看出，西南山區(qū)的公路在積雪路面、結(jié)冰路面、冰雪混合路面的狀態(tài)下，為保證行車安全，所對應(yīng)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(shù)路面的安全行車最高限制速度

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