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        山區(qū)高速公路線形優(yōu)化設計研究

        2021-10-26 02:14:56
        工程技術研究 2021年13期
        關鍵詞:優(yōu)化設計

        李 燦

        貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550081

        路線方案是影響道路質(zhì)量和建設規(guī)劃的關鍵因素,方案的合理性關乎工程質(zhì)量、造價以及運營等[1],同時路線方案也對當?shù)氐慕?jīng)濟、環(huán)境、政治各方面有著重要的影響和帶動作用。一般情況下,路線方案的優(yōu)劣及合理性可通過經(jīng)濟增長量及增長速率來評定[2]。但隨著智慧公路、環(huán)境友好型基礎建設理念的提出,傳統(tǒng)的評價方法已經(jīng)不再適用于新時期的公路建設。

        1 路線設計的影響因素

        1.1 斷裂構(gòu)造

        斷裂構(gòu)造大致有三種基本的類型,分別為斷層、裂縫和節(jié)理。裂隙結(jié)構(gòu)可以在一定程度上降低巖石體的承載力、穩(wěn)定性、強度等,并有可能破壞巖石。

        節(jié)理裂隙的構(gòu)成可能會導致地下的水位不斷抬升,這樣地下含水量就會增加,斷層構(gòu)造將會對水下穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響,路基沉降不均勻,碾壓施工過程中施工機械振動也會造成斷層危害,可能會發(fā)生嚴重的地質(zhì)災害;從深路塹的角度來看,結(jié)構(gòu)因素可能導致風化下裂縫發(fā)育引起的邊坡滑動和邊坡坍塌。由于節(jié)理發(fā)育和裂隙發(fā)育地區(qū)巖體承載力低、穩(wěn)定性差,在鋪設橋梁時不能作為橋梁樁基的承重層。此外,由于地質(zhì)條件復雜,在斷層區(qū)不宜鋪設橋梁樁基[3]。

        1.2 喀斯特

        喀斯特是可溶巖在水的作用下發(fā)生化學溶解、水侵蝕和潛在侵蝕的過程??λ固匕雌湫螒B(tài)可分為兩種不同的類型,分別是裸露喀斯特及隱伏喀斯特。線路設計可選擇繞過裸露喀斯特,但隱伏喀斯特分布廣泛,危害性大,難以判斷。線路設計應充分考慮隱伏喀斯特的危害和分布,盡量避開喀斯特地段[4]。

        2 選線決策方案

        2.1 決策變量

        路線設計中,對線形能起到?jīng)Q定性的幾何要素稱為決策變量,這些變量可以將線形的基本信息表達出來,因此可以將這些變量作為優(yōu)化設計的變量。變量的確定方法主要是通過公路等級確定,其交通量和設計速度等都是已經(jīng)設定好的。變量的含義是路線設計時帶來的具體信息,主要內(nèi)容包括交點轉(zhuǎn)角大小、平曲線半徑和長度??v斷面設計基本要素主要包括坡長、豎曲線半徑、長度等。

        2.2 目標函數(shù)

        進行方案比選過程中,經(jīng)常將成本作為目標函數(shù)進行比選,對方案進行綜合比選,并轉(zhuǎn)化成目標函數(shù)進行成本分析。路線規(guī)劃設計完成后,路線方案涉及的主要費用如下。

        (1)公路建設費用。該費用主要指路線本身的費用,涉及的費用主要包括耕地和林地被占用的費用、構(gòu)造物的費用等。其費用表達式如下:

        式中:Cc為道路建設的總費用;Cr為耕地、林地被占用的費用;Ce為土方的費用;Cl為全線道路建設的費用;Cb為構(gòu)造物的建設費用。

        (2)環(huán)境影響費用。公路建設過程中,路線經(jīng)過生態(tài)區(qū)域主要分為兩類,一類是可以通過調(diào)整路線不被占用的,另一類是必須被穿越的地帶,該地帶要采取保護措施,同時會產(chǎn)生懲罰費用。其費用表達式如下:

        式中:Ce為對生態(tài)環(huán)境造成的總費用;Cei為必須穿越區(qū)域產(chǎn)生的懲罰費用。

        (3)養(yǎng)護管理費用。當公路開始投入使用時,要對公路進行養(yǎng)護和管理,同時會產(chǎn)生養(yǎng)護和管理的費用。養(yǎng)護費用主要用于道路的結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生破壞時,對其進行維修加固等。管理費用主要用于對車輛進行相關處理,包含違章和交通事故處理等。其費用表達式如下:

        式中:Cm為公路養(yǎng)護管理產(chǎn)生的總費用;Cmi為養(yǎng)護管理子項目產(chǎn)生的費用。

        (4)使用者相關費用。具體指行駛的油耗費用和用戶出行的時間費用。

        式中:Cu為總費用;Cf為運行中的油耗費用;Ct為時間費用。

        2.3 約束函數(shù)分析

        在對解目標函數(shù)進行求解時,應對路線的技術指標進行約束,具體約束指標如下。

        (1)平面約束指標:線形設計時的直線長度、曲線半徑及平曲線長度。

        (2)縱斷面約束指標:縱坡坡度和坡長、豎曲線半徑和長度。

        綜上,約束指標對線形的影響程度不同,根據(jù)程度進行劃分,可分為主要約束指標和次要約束指標。山區(qū)公路的線形設計主要影響指標包括平曲線半徑、縱坡的坡度和坡長等。次要約束指標包括曲線長度、豎曲線半徑等。以上約束條件在文章中無法通過計算機進行約束,因此應采用外部懲罰函數(shù)進行相關處理。

        3 總體優(yōu)化模型建立

        3.1 假設條件

        在進行優(yōu)化設計時可忽略橫斷面形式的影響,只考慮平面線形、縱斷面線形及組合線形的影響,建立模型時做出如下假設。

        (1)不產(chǎn)生回頭曲線。優(yōu)化模型建立的基礎是山區(qū)公路,為了保證技術指標滿足要求,簡化優(yōu)化模型的同時保證技術指標得到滿足,假設平面線形不產(chǎn)生回頭曲線,且交點和控制點的布設應符合規(guī)范要求(每個橫方向有且只有一個交點)。

        (2)關鍵控制點通過直線處理。線路平面線形設計的過程中,線的交點可以作為線平面設計中的交點。如果交點處的轉(zhuǎn)角變成0,則前后交點可直接連接成直線段進行處理。在縱斷面中,平面縱斷面交點的高程可以直接作為縱斷面變化點的高程。如前坡段與后坡段在變坡點的地方相差很小或相等時,可將變坡點直接與前坡段、后坡段連接進行直坡處理。

        3.2 平面優(yōu)化模型

        通過上文中的模型假設條件(1)可知,設計中無回頭曲線,文章通過縱向切割線將路線分成n+1個區(qū)域,在每個區(qū)域選取一個地形點為路線交點,可選出n個交點,通過不同的交點可以布設路線,連成整體圖形,得到道路的平面線形。線形優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為設定交點的問題,減少了設計變量的數(shù)目,簡化了路線優(yōu)化過程。

        3.3 縱斷面優(yōu)化模型

        上文中確定了平面線形的交點,縱斷面的優(yōu)化可以在n個交點的垂直方向上進行,在交點縱向設定的范圍內(nèi),在該范圍內(nèi)依據(jù)規(guī)律變換高程值,確定縱斷面的關鍵控制點。通過這種方式可以將縱斷面的優(yōu)化問題簡化為交點高程的問題??v斷面線形生成的依據(jù)是邊坡點高程和各個坡段的坡度和坡長,需通過指標設計使路線滿足設計要求,保證填挖的土方平衡。

        4 費用模型建立

        費用模型建立的目的是全面真實地反映公路線形的經(jīng)濟性。文章所涉及的費用指公路整個壽命周期內(nèi)的費用,其中主要包括建設費用、環(huán)境影響費用、養(yǎng)護管理費用、與使用者相關費用。費用種類如表1所示。

        表1 費用種類表

        5 懲罰函數(shù)確定

        為保證目標函數(shù)最優(yōu)、取值最合理,在算法設計時,應對函數(shù)變量進行約束限制,使其在優(yōu)化過程中的最優(yōu)解滿足條件約束,對于不符合約束情況的應進行懲罰計算,具體計算公式如下:

        式中:Cp(i)為第i個約束條件下對應的懲罰值;bi為對應的懲罰因子;Cci、Ccmin為對應的采用值和規(guī)范最小值。

        6 結(jié)論

        文章通過對高速公路線形優(yōu)化設計進行分析,得出了以下結(jié)論:(1)路線設計過程中影響因素眾多,會造成較大影響的是喀斯特和斷裂構(gòu)造。(2)進行路線優(yōu)化設計時,應對決策方案進行分析,主要分析內(nèi)容包括決策變量分析、目標函數(shù)分析、約束函數(shù)分析。(3)對總體優(yōu)化模型和費用模型建立,進行目標函數(shù)確定,通過懲罰函數(shù)對不符合約束條件的進行處理。

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