謝文祥， 高　瓊， 董　城， 莫林輝

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙　410015)

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濕-熱綜合指數(shù)在瀝青路面氣候分區(qū)中的應(yīng)用研究

謝文祥1， 高瓊2， 董城2， 莫林輝1

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙410015)

[摘要]瀝青材料及其混合料的路用性能受溫度、濕度的影響顯著，在進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蛩挠绊?。湖南省地處長(zhǎng)江中游，夏季高溫多雨，冬季基本無冰凍期。同時(shí)，省內(nèi)由于所處海拔及地形影響，各地區(qū)在氣溫、降雨量方面存在差異，垂直小氣候明顯。為了更好地提高瀝青路面的使用性能及耐久性，需要在自然區(qū)劃的基礎(chǔ)上，對(duì)各地氣候影響分區(qū)進(jìn)一步細(xì)化，為我省瀝青路面設(shè)計(jì)提供參考。

[關(guān)鍵詞]瀝青路面； 氣溫指標(biāo)； 降雨量指標(biāo)； 濕-熱綜合指數(shù)； 氣候分區(qū)

0引言

瀝青路面結(jié)構(gòu)層裸露在大氣環(huán)境下，其面層材料的路用性能受氣溫、水分的影響比較顯著，其中外部環(huán)境主要與大氣降水、環(huán)境氣溫有關(guān)[1]?；跉夂蛴绊懙臑r青路面分區(qū)，有別于現(xiàn)有的公路氣候地帶自然區(qū)劃。公路自然區(qū)劃是以自然氣候因素為主導(dǎo)，服務(wù)對(duì)象為公路整個(gè)結(jié)構(gòu)層；而瀝青路面氣候影響分區(qū)僅適用于瀝青及瀝青混合料的面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。湖南省位于我國(guó)中部地區(qū)，盡管全省雨熱同期，但由于地理位置的影響，對(duì)屬于同一自然區(qū)劃的地區(qū)卻存在氣候上的明顯差異，特別是海拔較高的山區(qū)或是山體的不同迎風(fēng)與背風(fēng)面，由于地形與地勢(shì)的影響，存在著垂直立體小氣候。因此，為了盡可能地減少因地區(qū)氣候差異造成的瀝青路面使用性能衰變，就需在全國(guó)自然區(qū)劃的基礎(chǔ)上，針對(duì)湖南省典型氣候，考慮氣溫、水分對(duì)瀝青路面的綜合影響，對(duì)各地氣候分區(qū)進(jìn)一步細(xì)化，以指導(dǎo)瀝青路面設(shè)計(jì)。

1湖南省基本地理氣候特征

湖南省以山嶺、丘陵地帶為主，省內(nèi)丘陵、山地面積占到了總面積的66.6%。省內(nèi)河湖星羅棋布，水網(wǎng)密度大，湘、資、沅、澧貫穿全境。水系資源豐富?？傮w上來講，湖南省東、南、西三面山地環(huán)繞，中部丘陵、山崗交錯(cuò)，北部平原，地勢(shì)呈西高東低、南高北低，朝東北開口的敞口馬蹄形。雪峰山脈自西南向東北把全省分為了自然條件相差較大的山地、平原丘崗兩部分。復(fù)雜的地形地貌造就了湖南氣候的多樣性與地域的典型性，如雨、熱等氣候要素變化規(guī)律與地形等高線大致平行；特別是山區(qū)同一緯度處不同海撥高度下垂直小氣候非常明顯等。

《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ 003-86)“中國(guó)公路自然區(qū)劃圖”中[2]，湖南省境內(nèi)共分成4個(gè)公路二級(jí)區(qū)劃。根據(jù)現(xiàn)有公路二級(jí)自然區(qū)劃，湖南省實(shí)際上是以自然因素對(duì)路基的影響為主導(dǎo)因素，對(duì)溫度、水分的考慮不夠細(xì)致，區(qū)劃敏感度低。因此，對(duì)水、溫敏感性高的瀝青路面設(shè)計(jì)來講，應(yīng)該就氣溫及降雨量指標(biāo)對(duì)湖南省氣候分區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化。

2湖南省典型氣候影響因素分析

為了更好地解決因地區(qū)氣候差異形成的瀝青路面設(shè)計(jì)配比不同的問題，需要在已有公路自然區(qū)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化氣候影響分區(qū)。通過從湖南省氣象局氣候中心查找相關(guān)資料，對(duì)全省14個(gè)氣象站近10 a的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)影響瀝青路面路用性能顯著的二個(gè)氣候因素——?dú)鉁亍⒂炅恐笜?biāo)進(jìn)行研究。

2.1氣溫指標(biāo)

瀝青混合料對(duì)氣溫的敏感性，主要體現(xiàn)在高溫期的抗車轍能力與低溫及降溫循環(huán)期的抗裂性能。因此，瀝青路面設(shè)計(jì)典型氣候分區(qū)對(duì)氣溫的考慮主要是高溫和低溫兩個(gè)指標(biāo)。

2.1.1高溫指標(biāo)

① 月平均最高氣溫指標(biāo)。

采用7月平均最高氣溫，即月平均最高氣溫和極端日最高氣溫(每天14：00氣溫的平均值)作為指標(biāo)，對(duì)影響全省高速公路瀝青路面的高溫狀況進(jìn)行分析。

從圖1可以看出：總體上我省夏季炎熱，極端最高氣溫均超過了39 ℃，最高月平均氣溫值超過了29 ℃。從地理位置看，湘東南溫度高于湘西北，但相差不是很大。由此可以看出，全省各地區(qū)夏季高溫對(duì)瀝青路面的路用性能影響均很重要，在進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)考慮高溫抗車轍的要求。

② 連續(xù)高溫持續(xù)天數(shù)指標(biāo)(連續(xù)35 ℃及以上且超過7 d)。

瀝青混合料在高溫下的穩(wěn)定性能主要是體現(xiàn)在抗車轍方面的能力。在炎熱的夏季，當(dāng)高溫持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間后，一些高速公路在重載交通的作用，路面往往出現(xiàn)兩條很明的輪跡帶，導(dǎo)致路面行車不平整，帶來非常大的安全隱患。在夏季短時(shí)強(qiáng)降雨的情況下，路面溫度又迅速降低，瀝青材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)從膨脹到收縮的過程，豎向位移發(fā)生變化。而在抵抗高溫變形的能力中，瀝青含量及其性質(zhì)起到了主要作用。因此對(duì)于經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)夏季連續(xù)高溫的地區(qū)，在進(jìn)行瀝青路面選材設(shè)計(jì)時(shí)，更應(yīng)該考慮瀝青混合料在長(zhǎng)期高溫情況下的性能變化。筆者統(tǒng)計(jì)了湖南省近10 a來7月連續(xù)高溫35 ℃及其以上并且超過7 d的情況見表1。

圖1　湖南省14個(gè)地市近20年高溫指標(biāo)Figure 1　High-temperature indicators of 14 regions 　　　in Hunan Province nearly 10 years

表1 近10a連續(xù)高溫天數(shù)情況Table1 Thenumberofdaysofcontinuoushightempera-tureconditionsnearly10years地區(qū)次數(shù)/次最長(zhǎng)天數(shù)/d地區(qū)次數(shù)/次最長(zhǎng)天數(shù)/d岳陽817長(zhǎng)沙1424懷化114益陽1312吉首514張家界1114邵陽812婁底821常德912衡陽1534永州516湘潭1225株洲1230

從表1可以看出：湖南省各地區(qū)在夏季高溫季節(jié)均會(huì)出現(xiàn)高于35 ℃的連續(xù)高溫天氣。這對(duì)于重載交通較多的瀝青路面來講，車轍現(xiàn)象較為顯著，路面的不平整同時(shí)也給行車安全帶來了不利影響。

2.1.2低溫指標(biāo)

瀝青材料在冬季寒冷或是溫度驟降時(shí)，由于路面材料場(chǎng)內(nèi)溫度應(yīng)力變化而產(chǎn)生裂縫，這種由低溫引起的瀝青路面溫縮現(xiàn)象在我國(guó)北方很普遍。最低溫度、溫降速率是影響瀝青路面溫縮裂縫的主要要素[8]，且瀝青路面的低溫開裂現(xiàn)象與瀝青材料及其混合料的本身性質(zhì)有很大關(guān)系。在湖南省，冬季基本無氣候?qū)W意義上的冰凍期。因此，選用近10 a的極端最低氣溫和月平均最低氣溫值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來判斷我省各地區(qū)在進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)是否應(yīng)該考慮冬季低溫的影響。

表2 近10a低溫指標(biāo)值Table2 Nearly10yearsoflowindexvalue℃地區(qū)極端最低1月月平均最低地區(qū)極端最低1月月平均最低岳陽-4.002.86株洲-6.902.70懷化-4.202.60長(zhǎng)沙-4.702.70吉首-3.803.10益陽-5.102.50郴州-3.904.10張家界-3.702.95邵陽-5.203.00婁底-4.703.00常德-3.402.71衡陽-4.803.87永州-5.003.80湘潭-8.002.53

從表2可以看出：全省各地區(qū)冬季較溫和，極端最低氣溫出現(xiàn)在湘潭，為-8 ℃；各地1月月平均氣溫均在2 ℃以上。參考部分學(xué)者的劃分方法，將極端最低氣溫若以-4 ℃～-5 ℃為界[8]，在公路自然區(qū)劃的基礎(chǔ)上，湖南大致可分為2個(gè)區(qū)域： ①高于分界溫度的以湘西地區(qū)為主的Ⅴ3區(qū)和以湘南為主的Ⅳ6區(qū)； ②低于分界溫度的湘中和湘東北地區(qū)。

2.2降雨量指標(biāo)

瀝青路面的水損害，是指在有水或凍融循環(huán)的條件下，經(jīng)交通荷載和溫度應(yīng)力的反復(fù)作用，水經(jīng)路面空隙進(jìn)入材料內(nèi)部造成瀝青混合料整體性能下降而出現(xiàn)的路面破壞。就湖南省的氣候特點(diǎn)而言，對(duì)于瀝青面層的水損害、基層的凍融損傷主要是受降雨的影響。

① 年平均降雨量。

雨量指標(biāo)選用近10 a的年降雨量進(jìn)行分析(見圖2)。

圖2　湖南省14個(gè)地市近10 a年平均降雨量分布圖Figure 2　Nearly 10 years of average annual rainfall distribution 　　　of 14 regions in Hunan Province

對(duì)搜集到的近10 a來全省各地降雨量資料統(tǒng)計(jì)分析表明，省內(nèi)各地區(qū)降雨量豐富，年均降雨量基本在1 200～1 400 mm之間。在三面環(huán)山、朝北開口的馬蹄形地貌背景下，湖南的雨、熱等氣候要素等值線打破了與緯線平行的一般規(guī)律，而是與地形等高線大致平行[6]，這更加說明了我省因地勢(shì)原因造就的局地垂直小氣候冥想。從各地區(qū)所處的地形特點(diǎn)來看，多雨中心位于雪峰山、幕阜山、九嶺山和湘東南山地的迎風(fēng)面，并向東、西、南三面遞減。益陽、郴州地區(qū)年均降雨量在1 400 mm以上，郴州接近1 500 mm。

② 極端小時(shí)降雨量與連續(xù)陰雨天數(shù)。

在夏季高溫季節(jié)，短時(shí)的強(qiáng)降雨迫使瀝青路面溫度驟降，使得瀝青材料主要由粘塑性、勁度低轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏鼜椥泽w、勁度增大，路面結(jié)構(gòu)豎向位移由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值。此外，連續(xù)的陰雨天氣對(duì)瀝青路面影響也較為嚴(yán)重，在重載交通的長(zhǎng)期作用下，容易引起瀝青路面面層剝落，導(dǎo)致路面出現(xiàn)坑槽等水毀現(xiàn)象。

從收集到的近10 a氣候資料來看，湖南省各地區(qū)極端小時(shí)降雨量較大，單個(gè)極值永州達(dá)到了72.6 mm，其次為婁底67.0 mm，最低值為懷化45.9 mm。從4～6月出現(xiàn)的連續(xù)陰雨天數(shù)來看，郴州以17 d為最長(zhǎng)期限，其次為永州、婁底、湘潭均達(dá)到了15 d；懷化陰雨持續(xù)最長(zhǎng)天數(shù)值最小，為10 d。

3湖南省瀝青路面設(shè)計(jì)典型氣候分區(qū)指標(biāo)

選取

從收集到的氣候資料分析結(jié)果來看，我省瀝青路面病害主要是受到氣溫及降雨量的影響，如夏季持續(xù)高溫、4～6月連續(xù)陰雨天氣、夏季短時(shí)強(qiáng)降雨等。因此，在進(jìn)行瀝青路面氣候影響分區(qū)時(shí)，主要考慮氣溫與降雨量?jī)蓚€(gè)因素的影響。

3.1降雨-氣溫指數(shù)

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者[3-5]針對(duì)各地的實(shí)際情況，大多采用氣溫與降雨量指標(biāo)進(jìn)行瀝青路面氣候分區(qū)研究。苗英豪、王秉剛[4]等人在進(jìn)行中國(guó)氣候條件對(duì)瀝青路面水損害的影響情況研究時(shí)，認(rèn)為影響瀝青路面水損害的主要?dú)夂蛞蛩貫榻邓⒏邷匾约皟鋈谘h(huán)過程，構(gòu)建了降水-氣溫指數(shù)和降水-冰凍指數(shù)，用于評(píng)價(jià)氣候過程對(duì)瀝青路面水損害的影響。根據(jù)湖南省所處緯度及高溫多雨、冬季基本無嚴(yán)寒期的典型氣候特點(diǎn)，主要考慮高溫抗車轍能力、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性，采用降雨——?dú)鉁刂笖?shù)模型更適合湖南省的實(shí)際情況。

(1)

式中：IPATI為降雨—?dú)鉁刂笖?shù)，mm·℃；Ti為氣溫值(日平均氣溫大于0 ℃時(shí)為平均氣溫值，否則為0 ℃)；Ri為日降雨量，mm；n為1 a的天數(shù)。

根據(jù)公式(1)，對(duì)湖南省14個(gè)站點(diǎn)近10年的氣候資料進(jìn)行分析，具體情況如表3所示。

表3 湖南省14個(gè)氣候站點(diǎn)近10年平均IPATITable3 AverageIPATIofnearly10-yearof14climatesitesinhunanprovince地區(qū)IPATI/(mm·℃)地區(qū)IPATI/(mm·℃)邵陽36033岳陽40764永州38646湘潭41348吉首38895長(zhǎng)沙41439懷化39335常德41550婁底39791郴州42195張家界40316株洲42542衡陽40734益陽43551

針對(duì)降水-冰凍指數(shù)，湖南省基本不會(huì)出現(xiàn)氣候?qū)W上的嚴(yán)寒期(以連續(xù)5 d或以上的 日平均氣溫≤0 ℃作為嚴(yán)寒期的標(biāo)準(zhǔn))，僅2005年、2008年冬季雨凇(冰凍)日數(shù)偏多；連續(xù)5 d(或以上)日平均氣溫≤5 ℃的寒冷期時(shí)有出現(xiàn)。借鑒《中國(guó)公路瀝青路面水損害氣候影響分區(qū)方案》[3]中的相關(guān)結(jié)論，湖南省屬于沒有影響區(qū)域。因此在進(jìn)行氣候影響分區(qū)時(shí)，不考慮降雨-冰凍指數(shù)的影響。

3.2濕熱系數(shù)

表4 湖南省14個(gè)氣候站點(diǎn)近10a平均濕熱系數(shù)?值Table4 Averagewet-heatindexvaluesnearly10-yearof14ClimatesitesinHunanProvince地區(qū)?值地區(qū)?值邵陽42.3株洲46.2衡陽43.1張家界47.2婁底44.5吉首47.4長(zhǎng)沙44.7懷化47.4岳陽45.6益陽48.4湘潭45.9永州50.7常德46.1郴州52.7

表4中：φ越大，說明在進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)主要考慮水穩(wěn)定性；φ越小，則應(yīng)主要考慮高溫穩(wěn)定性。

4結(jié)語

采用降雨-氣溫指數(shù)和濕熱系數(shù)2個(gè)指標(biāo)，對(duì)湖南省各地區(qū)進(jìn)行氣候影響分區(qū)綜合區(qū)劃(見表5)。湖南省瀝青路面氣候分區(qū)將全省劃分為3個(gè)區(qū)域：邵陽、衡陽、婁底、長(zhǎng)沙為V1區(qū)；張家界、吉首、懷化、常德、益陽、岳陽、湘潭、株洲為V2區(qū)；永州、郴州為V3區(qū)。這樣區(qū)劃的目的，是能夠在全省各地區(qū)氣候條件相似的大局上，利用濕熱系數(shù)對(duì)個(gè)地區(qū)進(jìn)行細(xì)微區(qū)劃，從降雨和高溫兩方面，應(yīng)對(duì)材料的水穩(wěn)性和高溫抗車轍性能，在進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)能夠綜合考慮兩者的影響。

表5 湖南省瀝青路面氣候影響分區(qū)指標(biāo)及區(qū)劃圖Table5 Asphaltpavementclimateindexpartitionsandzon-ingmapofhunanprovince氣候分區(qū)?值等級(jí)地區(qū)V1<45邵陽、衡陽、婁底、長(zhǎng)沙V245～50張家界、吉首、懷化、常德、益陽、岳陽、湘潭、株洲V3>50永州、郴州

[參考文獻(xiàn)]

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[3]苗英豪，王秉綱，李超，等.中國(guó)公路瀝青路面水損害氣候影響分區(qū)方案[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008(1).

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Application in Asphalt Pavement Climate Partition with Damp-heat Composite Index

XIE Wenxiang1， GAO Qiong2， DONG Cheng2， MO Linhui1

(1.Hunan Expressway Construction and Development Co.， Ltd.Yonglong， Yongshun， Hunan 416700， China；2.Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

[Abstract]Asphalt materials and it’s mixture is significant influenced by temperature，and humidity，so we need to consider the local climate and hydrological effect at the designing stage.Hunan province belongs to the typical high temperature and rainy southern region，and there is no freeze in winter basically.At the same time，the differences are exist in temperature and rainfall at various areas in Hunan province，and vertical microclimate is obvious.In order to improve the performance and durability of asphalt pavement，we need to further refine the climate impact partition in different areas based on natural divisions.Then it can provide a reference for asphalt pavement design in our province.

[Key words]asphalt pavement； climatic index； rainfall index； damp-heat composite index； climatic division

[中圖分類號(hào)]U 416.217

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0201—04

[作者簡(jiǎn)介]謝文祥(1985—)，男，湖南長(zhǎng)沙人，工程師，從事高速公路建設(shè)與管理工作。

[基金項(xiàng)目]交通部交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2014318785090)；湖南省交通科技項(xiàng)目(201451)；湖南省交通科技項(xiàng)目(201412)

[收稿日期]2016—01—05