摘要：為闡明不同排水方式下路面積水時(shí)空變化的影響機(jī)理，采用二維淺水方程構(gòu)建了瀝青路面降雨徑流水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際降雨條件下瀝青路面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水深變化進(jìn)行了模型驗(yàn)證，模擬值與實(shí)測(cè)值擬合較好。應(yīng)用該模型先后模擬了直線(xiàn)段瀝青路面集中排水與漫流排水條件下的路面積水分布。采用正交試驗(yàn)法，分析了集中排水與漫流排水條件下路面橫坡、縱坡、寬度及坡長(zhǎng)對(duì)路面積水的敏感性。結(jié)果表明，集中排水條件下，各個(gè)影響因素對(duì)指標(biāo)最大積水深度?max的敏感性由強(qiáng)至弱分別為：路面寬度 gt; 坡長(zhǎng) gt; 縱坡 gt; 橫坡；漫流排水條件下，各個(gè)影響因素對(duì)指標(biāo)最大積水深度?max的敏感性由強(qiáng)至弱分別為：橫坡 gt; 路面寬度 gt; 縱坡 gt; 坡長(zhǎng)。兩種排水方式條件下斷面水深變化曲線(xiàn)呈“V”形或“U”形，變化趨勢(shì)基本相同，均沿道路橫坡方向，離路面中線(xiàn)越遠(yuǎn)，水深越大，尤其是集中排水條件，在道路兩側(cè)形成了明顯的壅水區(qū)，積水深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漫流排水條件。因此，為保證行車(chē)安全，集中排水條件下路段可適當(dāng)增加縱坡來(lái)加快路面排水，漫流排水路段可適當(dāng)增加橫坡來(lái)加快路面排水。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；積水；集中排水；漫流排水；路面幾何參數(shù)；敏感性分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673-6478（2023）05-0197-06

Analysis of Influencing Factors of Asphalt Pavement Surface Water under Different Drainage Methods

WANG Zhenlong WANG Xiao NI Dong SHAO Shegang

（1. Guangdong Huiqing Expressway Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510900， China; 2. Research Institute of Highway Ministry of Transport， Beijing 100088， China）

Abstract： In order to clarify the influence mechanism of the temporal and spatial variation of pavement water under different drainage methods， a hydrodynamic model of rainfall runoff on asphalt pavement was developed by using two-dimensional shallow water equations. The model was verified with water depth variation ofasphalt pavement monitoring points under the actual rainfall condition. The simulated results agree well withthe measured. Then this model is applied to simulate water depth distribution on asphalt pavement under the condition of concentrated drainage and overflow drainage. The orthogonal test method was used to analyze the sensitivity of pavement cross slope， longitudinal slope， width and slope length to pavement water under the condition of centralized drainage and overflow drainage. The results shows that the sensitivity of each influencing factor to the maximum water depth ?max from strong to weak is： pavement width gt; slope length gt;longitudinal slope gt; transverse slope under concentrated drainage condition. Under overflow drainagecondition， the sensitivity of each influencing factor to the maximum water depth ?max from strong to weak is：transverse slope gt; pavement width gt; longitudinal slope gt; slope length. Under both drainage patterns， the section water depth curve appears \"V\" shape or \"U\" shape， and the variation trend is basically the same. Along the cross slope direction， the farther away from median line of the pavement， the greater the water depth，especially under concentrated drainage condition， the obvious backwater area is formed on both sides of the pavement， and the water depth is far greater than that under overflow drainage condition. Therefore， in order to ensure driving safety， longitudinal slope can be appropriately increased to speed up water drainage under concentrated drainage condition， while cross slope can be appropriately increased to speed up water drainage under overflow drainage condition.

Key words： asphalt pavement; gathered water; concentrated drainage; overflow drainage; pavement geometric parameters; sensitivity analysis

0 引言

公路路面積水致使輪胎打滑是誘發(fā)雨天公路交通事故的主要原因[1?3]，現(xiàn)有研究表明，路面積水與路面結(jié)構(gòu)、路面線(xiàn)形、排水設(shè)施以及降雨條件等多個(gè)因素密切相關(guān)[4?5]。為解決路面積水問(wèn)題，提高路面排水能力，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)圍繞路面積水影響因素開(kāi)展了廣泛的研究。周瓊[6]認(rèn)為排水長(zhǎng)度是影響降雨條件下路面水膜厚度的最主要因素；張卓等[7]建立了超高漸變段水流路徑計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)橫坡對(duì)水流路徑的影響大于縱坡；張理、孫振海等[8?9]利用謝才公式和曼寧公式進(jìn)行水膜厚度公式的理論推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)橫坡坡度對(duì)水膜厚度的影響大于縱坡坡度?？梢?jiàn)，路面徑流具有二維特性，路面徑流特性分析應(yīng)充分考慮道路本身屬性。因此，管朝鵬[10]、王海亮等[11]采用流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent的DPM模型及EWF模型模擬了漫流排水條件下路面積水分布，分析了路面幾何參數(shù)對(duì)路面最大積水深度的影響，但未考慮集中排水條件下路面水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。馬耀魯?shù)萚12]采用二維淺水方程建立了路面徑流水動(dòng)力學(xué)模型，分析了路面寬度和坡度對(duì)集中排水的影響，未考慮漫流排水條件。耿艷芬等[13]同樣采用二維淺水方程模擬研究了集中排水與漫流排水條件下直線(xiàn)段瀝青路面徑流變化規(guī)律，但是未量化不同路面幾何參數(shù)對(duì)路面徑流的影響程度。

為進(jìn)一步研究路面幾何參數(shù)和排水方式對(duì)路面積水的影響，闡明路面積水時(shí)空變化的影響機(jī)理，本文采用二維淺水方程，構(gòu)建了瀝青路面降雨徑流水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瀝青路面復(fù)雜水流時(shí)空變化規(guī)律的模擬。采用正交試驗(yàn)法，分析了集中排水與漫流排水條件下直線(xiàn)段瀝青路面積水影響因素，量化了不同的路面幾何參數(shù)下路面積水分布規(guī)律，為路面快速排水設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 控制方程

2 模型驗(yàn)證

3 不同排水方式下路面降雨徑流特性分析

由于自然降雨是不可控因素，本文重點(diǎn)關(guān)注路面幾何參數(shù)和排水方式對(duì)路面積水的影響。因此，本次計(jì)算過(guò)程中，參考相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合中國(guó)氣象局頒布的降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，選取暴雨?大暴雨級(jí)別，降雨強(qiáng)度采取固定值100mm/h，瀝青路面糙率的取值參考相關(guān)文獻(xiàn)并經(jīng)過(guò)模型率定為0.013[17]。

3.1 路面幾何參數(shù)敏感性分析

直線(xiàn)段作為道路幾何線(xiàn)形中最簡(jiǎn)單的元素，其降雨徑流變化與其本身屬性的關(guān)系能夠?yàn)槠渌麖?fù)雜線(xiàn)形路段提供研究基礎(chǔ)。選取縱坡、橫坡、路面寬度及坡長(zhǎng)4個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，結(jié)合現(xiàn)行《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2017）中對(duì)整體式路基斷面的路基寬度、路拱坡度、縱坡及坡長(zhǎng)的規(guī)定[18]，如表1所示，確定了3個(gè)試驗(yàn)水平，如表2所示。圖3示意了集中排水與漫流排水條件下計(jì)算區(qū)域的邊界條件，集中排水條件下路側(cè)相鄰排水口間距為20m，排水口長(zhǎng)度為1m。

表3統(tǒng)計(jì)了9種工況下兩種排水方式敏感性分析指標(biāo)路面最大積水深度 的結(jié)果，從表3可以看出，集中排水條件下所有工況的 均明顯大于漫流排水條件下的 。集中排水條件下，指標(biāo) 在工況1條件下最小，為35.1mm，在工況3條件下最大，為52.2mm；漫流排水條件下，指標(biāo) 在工況8條件下最小，為3.9mm，在工況3條件下最大，為11.1mm。為了進(jìn)一步明確各因素對(duì)路面徑流的影響程度，對(duì)指標(biāo) 的影響因素做極差分析，如表4所示。結(jié)果表明，集中排水條件下，各個(gè)影響因素對(duì)指標(biāo) 的敏感性順序?yàn)椋郝访鎸挾?坡長(zhǎng) 縱坡 橫坡；漫流排水條件下，各個(gè)影響因素對(duì)指標(biāo) 的敏感性為：橫坡 路面寬度 縱坡 坡長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，排水方式對(duì)路面徑流特性的影響是非常顯著的，集中排水條件下，路面寬度和坡長(zhǎng)對(duì)指標(biāo) 較縱、橫坡度的影響顯著，這是由于排水口的匯流面積是決定匯流量的主要條件；漫流排水條件下，橫坡和路面寬度對(duì)指標(biāo) 的影響顯著。此外，無(wú)論哪種排水方式，路面寬度對(duì)指標(biāo) 的影響均較為顯著。

3.2 路面徑流深度對(duì)比

圖4（a）對(duì)比了工況1下集中排水和漫流排水條件下的路面積水分布；圖4（b）對(duì)比了工況1下靠近下游的排水口附近區(qū)域集中排水和漫流排水條件下的積水分布，從圖中可以看出，兩種排水方式下路面的積水深度有明顯差異，集中排水條件下在排水口附近產(chǎn)生了較大的積水深度，高達(dá)0.035m，而漫流排水條件下路面最大積水深度僅0.006m。

3.3 橫斷面徑流深度對(duì)比

圖5（a～b）繪制了工況2和工況4下游出流斷面的水深變化曲線(xiàn)，可以看出，集中排水與漫流排水條件下斷面水深曲線(xiàn)呈“V”形或“U”形，變化趨勢(shì)基本相同，均沿道路橫坡方向，離路面中線(xiàn)越遠(yuǎn)，水深越大。距離路面中線(xiàn)約10m內(nèi)區(qū)域，集中排水與漫流排水條件下的路面積水深度基本一致；10m之外區(qū)域，由于路緣石的阻擋作用，集中排水條件下的積水深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漫流排水條件下的積水深度，形成了明顯的壅水區(qū)，對(duì)相應(yīng)車(chē)道行車(chē)安全造成潛在的威脅。

圖5（c）對(duì)比了工況2和工況4在漫流排水條件下的斷面積水深度，相比于工況2，工況4縱坡較小、坡長(zhǎng)大、縱向流速小、匯流面積大，然而其積水深度明顯小于工況2，這恰恰表明了工況4較大的橫坡促使路面積水快速排出。圖5（d）對(duì)比了工況5和工況6在集中排水條件下的斷面積水深度，從圖中可以看出，工況5的最大積水深度遠(yuǎn)大于工況6的最大積水深度，從一定程度上表明了集中排水條件下路面寬度對(duì)路面積水的影響顯著。

4 結(jié)論

（１）運(yùn)用二維淺水方程建立的瀝青路面降雨徑流水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，可以較好地描述路面徑流在道路幾何參數(shù)、路面坡度、路側(cè)排水方式等因素影響下的運(yùn)動(dòng)特性。

（２）集中排水條件下，路面寬度對(duì)路面積水深度的影響最為顯著，相比于橫坡，適當(dāng)增加縱坡更有利于路面排水；漫流排水條件下，橫坡對(duì)路面積水深度的影響最為顯著，適當(dāng)增加橫坡更有利于路面排水。

（３）集中排水與漫流排水條件下斷面水深曲線(xiàn)呈“V”形或“U”形，變化趨勢(shì)基本相同，均沿道路橫坡方向，離路面中線(xiàn)越遠(yuǎn)，水深越大。不同的是，集中排水條件下，路側(cè)水深發(fā)生了陡增，形成了明顯的壅水區(qū)；而漫流排水條件下，水深則沿著路面橫坡方向緩慢增加。

（４）為降低集中排水條件下路側(cè)壅水，后期應(yīng)進(jìn)一步研究不同的路緣石間隔、排水口尺寸對(duì)路面積水的影響。

參考文獻(xiàn)：

1. Staufer P， Siekmann M， Loos S， et al. Numerical modeling of water levels on pavements under extreme rainfall[J]. Journal of Transportation Engineering， 2012， 138（6）： 732?740.
2. 周昂. 雨天行車(chē)輪胎打滑機(jī)理及行車(chē)安全研究[D]. 重慶： 重慶交通大學(xué)， 2015.
3. 楊軍， 王昊鵬， 吳琦. 潮濕瀝青路面抗滑性能數(shù)值模擬[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版） ， 2016， 36（3）： 25?31.
4. 劉源泉， 姚遠(yuǎn). 高速公路改建后的路面積水問(wèn)題研究[J]. 西部交通科技， 2017（4）： 66?68.
5. Jeong J， Charbeneau R.J. Diffusion wave model for simulating storm?water runoff on highway pavement surfaces at superelevation transition[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2010， 136（10）： 770?778.
6. 周瓊. 路表水膜厚度計(jì)算及其對(duì)路面抗滑性能影響研究[D]. 南京： 南京林業(yè)大學(xué)， 2013.
7. 張卓， 高建平. 考慮水流路徑長(zhǎng)度的S型曲線(xiàn)超高段縱坡研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版） ， 2013， 32（4）： 594?596+591.
8. 張理， 張卓. 路面坡度對(duì)水膜厚度的影響分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版） ， 2013， 32（3）： 404?406+423.
9. 孫振海， 曹帆， 楊森順， 等. 平縱組合設(shè)計(jì)對(duì)高速公路寬幅路面排水效率的影響研究[J]. 西部交通科技， 2020， 153（4）： 37?39.
10. 管朝鵬. 基于DPM及EWF模型的積水分布研究[D]. 重慶： 重慶交通大學(xué)， 2015.
11. 王海亮， 郭子會(huì)， 李月光， 等. 雨天道路表面薄層水流特性的影響因素分析[J]. 交通科技， 2018， （2）： 1?4.
12. 馬耀魯， 陳先華， 耿艷芬， 等. 瀝青路面集中排水影響分析與響應(yīng)識(shí)別[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2019， 32 （4）： 122?129.
13. 耿艷芬， 陳先華， 陳悅， 等. 基于二維淺水方程的直線(xiàn)段瀝青路面徑流特性[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)， 2019， 19 （1）： 9?16.
14. Costabile P， Costanzo C， Macchione F. Comparative analysis of overland flow models using finite volume schemes[J]. Journal of Hydroinformatics， 2012， 14（1）： 122.
15. Li Daming， Wang Xiao， Xie Yiyang， et al. A multi?level and modular model for simulating the urban flooding and its application to Tianjin City[J]. Natural Hazards， 2016， 82（3）： 1947?1965.
16. 祁穎智. 基于道路線(xiàn)形組合的路面徑流行為研究[D]. 南京： 東南大學(xué)， 2019.
17. 劉飛， 董占地. 不同降雨條件下城市下墊面表面薄層水流的典型參數(shù)試驗(yàn)研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展， 2020， 31（4）： 565?574.
18. JTG D20—2017. 公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].