劉群峰, 楊雅茗,2, 郭朝陽, 武星

(1. 西安科技大學建筑與土木工程學院, 西安 710054; 2.蘇交科集團股份有限公司, 南京 210019;3.中交第一公路勘察設計研究院有限公司, 西安 710068)

隧道洞內外亮度差影響隧道出入口段的行車安全。車輛在進出隧道時,光環(huán)境的劇烈變化容易引起駕駛員視覺不適、環(huán)境感知障礙和判斷失誤。因此,有必要設置減光構筑物調節(jié)隧道外自然光,使之與隧道內人工照明光環(huán)境合理過渡。

目前,國內外學者對隧道出入口的駕駛員生理心理反應進行研究,杜志剛等[1]分析了進出隧道時駕駛員瞳孔面積的變化,得到隧道長度與駕駛員視覺明暗適應時間的定量關系。喬建剛等[2]通過實車試驗,分析了駕駛員生理、心理反應與行車速度、隧道出入口長度以及光照強度的關系?；谒淼肋M出口的安全問題,許多學者從人眼適應角度對減光構筑物的設置形式及減光效果進行了大量研究。李英濤等[3]分析了駕駛員視覺恢復時間,推導出口減光構筑物的合理設置長度。遮陽棚作為減光構筑物的一種,具有良好的減光效果,許多學者對遮光棚的長度、透光率等設計參數(shù)進行了研究。王向等[4]基于遮陽棚實際工程案例進行數(shù)值模擬,建議設計時速為100 km/h的隧道入口段遮陽棚長度應不小于58 m。包逸帆等[5]基于視覺適應曲線提出一套針對不同設置長度和透光率的遮陽棚設計方案,并通過試驗研究了遮陽棚對駕駛人明暗適應的特性的影響規(guī)律。白婧榮等[6]通過實車試驗對駕駛員進出隧道時的瞳孔變化進行研究,指出隧道群全覆蓋遮光棚能減小駕駛員明暗適應的心理負荷。劉群峰等[7]通過實際太陽模型,引入頻閃效應可見度指標對格柵式遮光棚頻閃效應進行了研究。此外,夏鵬曦等[8]研究了遮陽棚的透光率和季節(jié)性照度變化對人眼適應曲線的影響,并據(jù)此進行了遮陽棚的經濟性分析。

上述研究表明,封閉式遮陽棚減光效果較好,可定量化設計,但通風效果差[9]。近年來,敞開式遮陽棚因通風方便、節(jié)能環(huán)保而受到關注。人們發(fā)現(xiàn)采用兩側鏤空的遮陽棚既能減少隧道內照明耗能,又能合理通風[10],根據(jù)典型模型計算發(fā)現(xiàn):側面鏤空式遮陽棚可有效降低隧道內外的照度差,還能明顯改善遮陽棚的通風效果。

雖然敞開式遮陽棚可改善隧道洞口二次污染[11],但其光環(huán)境過渡效果還未得到廣泛的研究,缺乏定量設計理論[12]。目前,敞開式減光構筑物的優(yōu)化設計取決于與設計參數(shù)相對應的減光曲線。理論減光曲線反映了駕駛員正對洞口方向的20°視場范圍內實測的平均亮度變化,其中平均亮度可根據(jù)國際照明委員會(Commission Internationale del’Eclairage,CIE)推薦方法計算[13]。然而,實際平均亮度受到周圍環(huán)境反射、交通狀況和太陽輻射的影響,定量獲得實際減光曲線非常困難。但是,考慮到遮陽棚下路面亮度主要依賴于太陽輻射,而且駕駛員視場中遮陽棚與路面的占比相當,因此可以利用路面亮度的變化來近似模擬平均亮度的變化,用路面亮度曲線代替減光曲線,為遮陽棚下光環(huán)境的定量設計提供參考。

現(xiàn)依托實際工程,建立項目所在地的太陽輻照理論模型,通過定量分析繪制出不同側向遮陽玻璃高度和擋墻高度的遮陽棚內路面亮度曲線,并基于亮度曲線進一步討論遮陽棚側向敞開高度、敞開位置和透光率等設計參數(shù)對路面亮度的影響。最后根據(jù)不同減光形式下的路面亮度曲線與人眼視覺適應曲線的相關程度,提出敞開式遮陽棚理論設計建議。

1 工程背景

以深圳市寶安機場-荷坳段高速公路(機荷高速)立體化改擴建項目為工程背景。原機荷高速多為地面層路段,擴建后擬采用高架橋上跨或隧道下穿增加通行車道。其中一處擬建隧道全長5 830 m,屬特長隧道,出入口共4個,路線走向為東偏北47°,北緯22°38′,設計車速為100 km/h。

該隧道出入口段有顯著的明暗光環(huán)境轉換,為降低人眼對明暗轉換的適應時間[14],避免駕駛員在進出隧道時出現(xiàn)明顯的“黑洞”和“白洞”效應,宜在隧道進出口段進行光環(huán)境過渡,降低不良視覺效應的影響。因此,針對荷坳隧道段的路線走向和截面特征,擬采用敞開式遮陽棚對隧道出入口進行減光處理,其典型外觀見圖1。

圖1 敞開式隧道遮陽棚

2 太陽輻射規(guī)律對遮陽棚的影響

2.1 遮陽棚模型

圖1所示為典型的矩形截面半敞開式遮陽棚。為簡化計算,太陽輻射按平行光考慮,且不計周圍環(huán)境的漫反射。初擬遮陽棚長度為90 m[3],遮陽棚頂、側向遮陽玻璃的透光率τ為0.3[8]。隧道內路面寬10 m,出口段截面高度6.5 m,則與之相接的遮陽棚寬度B為10.4 m,高度H為7.2 m。半敞開式遮陽棚的敞開高度為h,側向遮陽玻璃高度為h1,擋墻高度為h2。

陽光經遮陽棚遮擋后照到路面的情景如圖2所示。高度角(θ)越小,路面受到陽光直射的面積越大。敞開式遮陽棚路面總輻照度G0計算公式為

圖2 遮陽棚路面光照示意

(1)

由式(1)可知,若遮陽棚高度H和路面寬度L不變,影響遮陽棚下路面總輻照度的主要因素有:太陽高度角θ、太陽輻照度G、玻璃透光率τ、敞開高度h、敞開位置(h1和h2)。

2.2 太陽高度角的季節(jié)變化

不考慮天氣因素,太陽輻照度一般由太陽高度角θ、太陽輻射強度和地理位置3個因素共同決定。太陽高度角θ代表太陽光線與地平面之間的夾角,計算公式[16]為

θ=arccos(sinβsinδ+cosβcosδcosh)

(2)

式(2)中:β為隧道所在的緯度,其值為22°38′;δ為太陽赤緯角;h為太陽時角。圖3所示為荷坳隧道8:00—12:00太陽高度角隨季節(jié)變化曲線?？傮w來說,太陽高度角隨季節(jié)周期變化,夏至最大,冬至最小,相差48°。并且在一天中,中午12:00最大,早晚(6:00—18:00對稱)最小,相差55°。太陽高度角隨季節(jié)變化幅度與其隨時刻變化幅度相當。

圖3 荷坳隧道各時刻太陽高度角季節(jié)變化曲線

2.3 太陽輻照度的季節(jié)變化

太陽輻射由直接輻射和散射輻射兩部分組成,其中直接輻射通過大氣層直射在地面,而散射輻射則由4個部分組成。根據(jù)Chenni[17]提出的晴天太陽輻射簡化理論模型,可得到任意平面上受到的太陽總輻照度G為

G=Sncosθ+dd+di+dh+da

(3)

太陽散射輻照度Gd為

Gd=dd+di+dh+da

(4)

式中:Sn為太陽直接輻照度;dd為圍繞太陽的散射輻射;di為各向同性的散射輻射;dh為地平圈散射輻射;da為地面散射輻射。通過MATLAB對式(1)～式(4)進行編程模擬實際太陽輻射變化規(guī)律,得到荷坳隧道8:00—12:00的太陽輻照度(G、Gd)隨季節(jié)變化曲線,如圖4所示。

圖4 荷坳隧道各時刻太陽輻照度季節(jié)變化曲線

與太陽高度角的季節(jié)變化規(guī)律類似,太陽輻照度也表現(xiàn)為夏季高冬季低,冬夏輻照度差約為300 W/m2。在一天中,太陽輻照度中午12:00高,早晚低,相差約500 W/ m2。不同的是,太陽輻照度在夏至點沒有明顯峰值,只是在4—9月為高輻照度平臺期,且中午(11:00—13:00)的太陽平均輻照度接近,約為1 100 W/m2。

2.4 太陽高度角與輻照度的組合影響

在敞開式遮陽棚中,單位路面總輻照度受到太陽高度角與輻照度的組合影響。圖5所示為遮陽棚兩側完全敞開時(h1=0,h2=0),棚內路面輻照度的季節(jié)變化曲線。在太陽高度角和輻照度組合作用下,8:00與9:00—12:00的路面輻照度趨勢相反。8:00的路面輻照度夏季高冬季低,夏季最大路面輻照度為640～660 W/m2;而9:00—12:00的路面輻照度夏季低冬季高,冬季最大路面輻照度為700～730 W/m2。

圖5 荷坳隧道敞開式遮陽棚內路面總輻照度G0季節(jié)變化曲線

可見,太陽高度角和太陽輻照度對遮陽棚內路面總輻照度的影響作用不同。例如在夏至點12:00太陽輻照度比9:00高,且太陽高度角更大,但是其遮陽棚內太陽直射面積更小,導致對應的路面總輻照度反而是全年最小值。這說明在考察遮陽棚內路面總輻照度時,要綜合太陽高度角、太陽輻照度和敞開式遮光棚結構參數(shù)的影響。

3 遮陽棚敞開高度、敞開位置與透光率研究

3.1 遮陽棚內外路面亮度

路面反射特性和路面總輻照度共同決定了路面亮度。路面反射特性取決于路面材料、磨損程度、干燥程度和顏色等因素,黑色瀝青路面的平均照度與平均亮度的轉化系數(shù)通常根據(jù)《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)取值為15 lx/(cd/m2)[18]。以9:00轉折點(2月28日)的路面總輻照度(圖5)作為所在位置的典型太陽輻照度,G為704 W/m2,被擋墻遮擋后陰影下輻照度Gd=100 W/m2。通過太陽輻照度可計算出人眼可見的光通量φv[19],公式為

(5)

式(5)中:φev為來自太陽的輻射通量;G為單位面積上的太陽輻射通量,即太陽輻照度;V(λ)為視見函數(shù)。路面照度Ev=φv/A則是單位面積的可見光通量,路面面積A上的光通量越大,人眼感受到的亮度也越大。通過規(guī)范得到遮陽棚外和隧道內入口段的平均路面照度、路面平均亮度值見表1,其中隧道內入口段路面平均照度采用k值計算方法,k值取值0.045。

表1 隧道內外路面平均照度與亮度

3.2 敞開高度對路面亮度曲線的影響

隧道出入口段常設置擋墻護坡,擋墻高度由出入口地形決定。圖6所示為設置不同高度擋墻的遮陽棚下路面亮度變化曲線。圖中水平軸0 m為遮陽棚起點,90 m為終點,豎軸為平均路面亮度值。以2月28日(季節(jié)轉折點)9:00的兩側全敞開式遮陽棚路面輻照度為例,棚外路面亮度為3 635 cd/m2,隧道內路面亮度164 cd/m2,亮度差為3 472 cd/m2。若遮陽棚敞開高度和位置不變,棚內路面亮度保持不變,亮度過渡主要發(fā)生在棚內外和隧道口內外20 m范圍內。

圖6 不同擋墻高度的隧道接近段路面亮度曲線

由圖6(a)可知,改變敞開高度可顯著調節(jié)遮陽棚內路面亮度,敞開高度越大,隧道內外的亮度差越大,而遮陽棚內外的亮度差越小。比較圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)可知,側向遮陽玻璃高度h1和擋墻高度h2共同決定了側面敞開高度的調節(jié)空間。無側向遮陽板時(h1= 0),h可以從2.2 m變化到7.2 m,棚內路面亮度可調節(jié)范圍為1 250～3 250 cd/m2。當側向遮陽板高度h1增加到4 m時,遮陽棚敞開范圍減小,棚內路面亮度可調節(jié)范圍相應減小到1 150～2 000 cd/m2。

圖7所示為設置不同遮陽玻璃高度的遮陽棚內路面亮度變化曲線。比較圖7(a)、圖7(b)和圖7(c)可知,擋墻高度也可以起到調節(jié)側向敞開高度的作用,擋墻高度越大,棚內路面亮度的調節(jié)范圍越小。例如擋墻高度為4 m時,h只可從1.2 m變化到3.2 m,棚內路面亮度可調節(jié)范圍為950～1 600 cd/m2。

圖7 不同遮陽玻璃高度的隧道接近段路面亮度曲線

3.3 敞開位置對路面亮度曲線的影響

由前述可知,遮陽棚內路面亮度與其敞開高度成正比,敞開高度是路面亮度的主要影響因素。而在一定的敞開高度下,敞開位置也是影響棚內路面亮度的一個因素。圖8所示為不同敞開高度遮陽棚下路面亮度隨敞開位置變化曲線。側向遮陽玻璃高度越高,則擋墻高度越低,對應的棚內路面亮度和隧道口亮度差就越大。反之,擋墻高度越大,則側向遮陽玻璃高度越小,對應的棚內路面亮度和棚外亮度差就越大。

圖8 不同敞開高度和位置的遮陽棚內路面亮度變化曲線

值得注意的是,敞開高度越低,敞開位置可調節(jié)范圍越大。當敞開高度為2.2 m時,敞開位置變化引起的路面亮度變化范圍為1 200～1 700 cd/m2,調節(jié)幅值為500 cd/ m2;當敞開高度為3.2 m時,敞開位置可調節(jié)路面亮度的幅值為400 cd/ m2;當敞開高度為4.2 m時,敞開位置變化引起的調節(jié)幅值為300 cd/ m2。但另一方面,敞開位置對棚內路面亮度的影響不如敞開高度明顯,即使在敞開高度較小(2.2 m)的遮陽棚下,敞口位置對路面亮度調節(jié)范圍也僅為500 cd/m2。為了達到更好的亮度過渡效果,可以結合實際的擋墻高度h2調節(jié)遮陽玻璃高度h1,從而調節(jié)棚內的路面亮度。

3.4 透光率對路面亮度曲線的影響

前述研究中,頂、側部的遮陽玻璃透光率τ均設定為0.3。圖9所示敞開高度為3.2 m的遮陽棚內路面亮度隨透光率變化曲線。由圖9可知,隨著透光率的增加,路面亮度線性增加,且其增長斜率與側向遮陽玻璃高度成正比。這說明在敞開高度和位置不變時,改變遮陽玻璃高度和透光率是定量調節(jié)路面亮度的有效手段。

圖9 路面亮度與遮陽玻璃透光率關系(h = 3.2 m)

3.5 路面亮度曲線與人眼視覺適應曲線對比

3.5.1 遮陽棚人眼視覺適應曲線

參考國際照明委員會(CIE)的建議[13],可得到駕駛員視覺適應亮度L公式為

L=Lv(1+t)-1.4

(6)

式(6)中:Lv為遮陽棚外的路面亮度;t為駕駛員在遮陽棚內的行駛時間,遮陽棚起點處t=0。

由此可計算出人眼對遮陽棚下路面亮度適應曲線。為使遮陽棚外與隧道內光環(huán)境自然過渡,應盡可能使遮陽棚內路面亮度曲線與人眼視覺適應曲線一致。

3.5.2 不同參數(shù)組合的亮度變化曲線

國際照明委員會CIE建議采取三臺階減光方式過渡隧道內外亮度差[13]。圖10所示為遮陽棚在高、低擋墻情況下三臺階減光方式的路面亮度曲線。其中,紅色虛線和藍色虛線分別為擋墻高度為2 m和4 m時通過調整h1形成的三臺階路面亮度曲線,紅色實線和藍色實線分別為二者的擬合曲線。人眼視覺適應曲線(黑色實線)在起點段與紅色實線更接近,在終點段與藍色實線更接近。為比較路面亮度曲線與人眼視覺適應曲線的相關程度,計算了擋墻高度為2 m和4 m時兩條三臺階折線(圖10中的紅色虛線和藍色虛線)與人眼視覺適應曲線的平均絕對誤差,公式為

圖10 三臺階減光形式遮陽棚內路面亮度變化曲線

(7)

式(7)中:xi與yi分別為亮度曲線和人眼視覺適應曲線第i點的亮度值。相對于人眼適應曲線,擋墻高度為2 m與4 m時的三臺階亮度曲線平均絕對亮度差分別為610.12 cd/m2和317.44 cd/m2,整體小于單臺階亮度曲線的平均絕對亮度差671.33 cd/m2(h2=2 m,h1=2 m)和517.23 cd/m2(h2=4 m,h1=2 m)?？梢?增加減光臺階和擋墻高度可有效提升遮陽棚內路面亮度曲線與人眼視覺適應曲線的相關度。

為進一步使路面亮度變化曲線接近人眼視覺適應曲線,還可以綜合利用敞開位置(側向遮陽玻璃高度和擋墻高度組合)的變化,更加精細地調節(jié)路面亮度曲線。圖11給出了3種組合減光形式的路面亮度曲線:全長線性減光形式;分段線性減光形式(前60 m線性變化,后30 m不變);三臺階減光形式(擋墻高度不變,側向遮陽玻璃高度三臺階變化)。由圖11可知,全長線性減光形式布置的遮陽棚內路面亮度變化均勻,但路面亮度曲線與人眼視覺適應曲線相差較大。三臺階減光形式的遮陽棚內路面亮度變化不均勻,但其擬合曲線與人眼適應曲線的較為接近。而分段線性減光形式的遮陽棚內路面亮度曲線介于上述二者之間。

圖11 不同參數(shù)組合(h1、h2)下3種減光形式遮陽棚內路面亮度變化曲線

通過路面亮度曲線變化的趨勢可以看出,路面亮度按照三臺階減光形式進行設計,與人眼適應曲線存在一定程度上的差異。設計者可以采用多臺階減光形式,如側向遮陽玻璃高度連續(xù)遞減、擋墻高度多次遞增和多段玻璃透光率變化組合等精細措施進一步優(yōu)化路面亮度曲線。另外,當隧道內外亮度差過大時,還可提高隧道入口處照明水平,降低遮陽棚兩端亮度差,從而更易得到貼近人眼適應曲線的路面亮度曲線。

4 結論

結合太陽高度角與太陽輻照度在一年中的實際變化規(guī)律,研究了遮陽棚側向敞開高度、敞開位置以及透光率對行車路面亮度曲線的影響,總結出以下幾點設計建議。

(1)計算路面總輻照度時應綜合考慮太陽高度角與太陽輻照度的組合影響。太陽高度角與太陽輻照度都隨季節(jié)和時刻變化,但是二者的變化趨勢不同。

(2)敞開高度、敞開位置和透光率共同決定了遮陽棚內的平均路面亮度,其中敞開高度對棚內路面亮度影響最為顯著。

(3)在特定的敞開高度下,敞開位置和透光率也能在一定程度上調節(jié)棚內路面亮度?；谂飪嚷访媪炼扰c敞開高度、敞開位置及透光率的定量關系,可以合理設計遮陽棚減光形式,使路面亮度曲線更貼近人眼適應曲線。

具體計算數(shù)據(jù)受制于項目所在地理位置和隧道結構參數(shù),未考慮復雜天氣對路面亮度的影響,但研究所得的設計建議與隧道走向無關,考慮太陽輻射規(guī)律修正后可推廣到一般隧道的遮陽棚。該設計建議可以優(yōu)化棚內路面亮度曲線,提高駕乘人員進出隧道的行車舒適性。