方 鵬，柯能信，連軍紅，蘇 芳

(1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程學(xué)院,廣西 南寧 530007;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,部分高速公路已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的擁堵現(xiàn)象。越來越多的高速公路改擴(kuò)建工程建成投入使用或正在建設(shè)和規(guī)劃,為我國(guó)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展和交通強(qiáng)國(guó)建設(shè),全面建成社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)提供了有力的支撐。為解決道路通行能力的問題,改擴(kuò)建工程通常采用擴(kuò)寬通行段面的方法,例如“四改八”或“六改十”。超寬斷面雖然提高了交通能力,但也增大了路面徑流路徑,增加了路面積水風(fēng)險(xiǎn)[1-3]?，F(xiàn)行我國(guó)公路排水設(shè)計(jì)主要參考《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》等,對(duì)高速公路路界內(nèi)地表排水、地下排水以及路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水、附屬設(shè)施構(gòu)造物排水構(gòu)造及水力計(jì)算均有具體要求,基本能滿足一般公路設(shè)計(jì)要求[4-6]。但在實(shí)際使用時(shí),十車道及以上超多車道的超高漸變段以及多車道+輔助車道+變速車道形成的超寬斷面時(shí)常出現(xiàn)降雨時(shí)路面積水,而積水在路面形成水膜,降低路表與車胎的附著力,導(dǎo)致車輛發(fā)生水滑[7-9]。更進(jìn)一步,超多車道如何選取項(xiàng)目所在地區(qū)降雨強(qiáng)度指標(biāo)、如何建立路面排水計(jì)算模型,如何評(píng)價(jià)路面排水能力,以及如何提高路面排水能力等問題尚無規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可參考。

1 水膜厚度計(jì)算

國(guó)內(nèi)外大量研究表明,高速公路降雨天行車安全與路面水膜厚度直接相關(guān)。自20世紀(jì)60年代,Ross等基于室內(nèi)試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果建立模型,回歸分析得出水膜厚度的經(jīng)驗(yàn)公式,后續(xù)道路工作者對(duì)路面水膜計(jì)算展開了大量研究[10-12]。其中羅京等精度較高,可應(yīng)用到已知道路平縱線形和路表構(gòu)造特征的路段[13-14]。經(jīng)回歸得到式(1):

d=0.068L0.32I0.41T1.17i-0.31

(1)

其中,d為水膜厚度,mm;L為排水長(zhǎng)度,m;I為降雨強(qiáng)度,mm/h;i為路面坡度;T為構(gòu)造深度,mm。

此外國(guó)內(nèi)外經(jīng)典水膜計(jì)算公式還有,Gallaway B.M.等于1979年,在無風(fēng)環(huán)境下,開展室內(nèi)路面水膜厚度觀測(cè)試驗(yàn),提出了水膜厚度預(yù)測(cè)公式(式(2)),該公式被美國(guó)交通部應(yīng)用。

d=0.014 85(T0.11L0.43I0.59i-0.42)-T

(2)

其中,d為水膜厚度,mm;L為排水長(zhǎng)度,m;I為降雨強(qiáng)度,mm/h;i為路面坡度;T為構(gòu)造深度,mm(推薦采用0.5 mm)。值得一提的是,式(2)在使用時(shí)僅在車速范圍55 km/h～95 km/h時(shí)有效。

季天劍、黃曉明等在室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn),利用連通器原理實(shí)測(cè)了水膜厚度,并回歸得到式(3):

d=0.158L0.671 5I0.778 6T0.726 1i-0.314 7

(3)

其中,d為水膜厚度,mm;L為排水長(zhǎng)度,m;I為降雨強(qiáng)度,mm/min;i為路面坡度;T為構(gòu)造深度,mm。

為了研究高強(qiáng)度降雨條件下十車道及以上的超寬路面長(zhǎng)距離排水路徑路面水膜厚度變化規(guī)律,本文以上述式(1)—式(3),分別簡(jiǎn)稱方法A,B,C,依托南方某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目,分別計(jì)算半幅五車道以及上超寬斷面輪跡帶水膜厚度。

2 水膜厚度影響因素分析

2.1 降雨強(qiáng)度

降雨是路面徑流的主要水量來源,研究路面排水需要首先明晰降雨條件。該工程位于我國(guó)南部沿海,屬東亞季風(fēng)區(qū),降雨資源豐富,受地理?xiàng)l件和季風(fēng)的影響,省域內(nèi)降雨時(shí)空分布特征十分顯著,年平均降雨量在1 800 mm以上,屬于多雨地區(qū)。短時(shí)內(nèi)強(qiáng)降雨現(xiàn)象多發(fā),道路積水嚴(yán)重。

根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,當(dāng)?shù)貧庀笳居?0年以上自記雨量計(jì)資料時(shí),宜利用氣象站觀測(cè)資料,經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,確定相關(guān)參數(shù)后按式(4)計(jì)算設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度。

(4)

其中,ap=c+dlgP;t為降雨歷時(shí),min;P為重現(xiàn)期,a;b,n,c,d均為回歸系數(shù)。

但考慮到該地區(qū)的降雨強(qiáng)度計(jì)算公式為20世紀(jì)60年代—80年代氣象觀測(cè)站降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得來,而近20年來由于全球變暖,極端降雨天氣明顯增多,年降雨量也顯著增大,該公式已不符合現(xiàn)狀。本文引入降雨強(qiáng)度可靠度,其定義為:降雨強(qiáng)度小于I時(shí)總降雨量占?xì)v年總降雨量的比例,即降雨強(qiáng)度I的可靠度[15]:

可靠度=QW

(5)

其中,QW

表1 降雨強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的累計(jì)降雨次數(shù)占比和降雨強(qiáng)度可靠度的關(guān)系

以半幅五車道,橫坡2.5%,縱坡0%,構(gòu)造深度0.8 mm,降雨強(qiáng)度可靠度為85%,90%,95%時(shí),分別用方法A,B,C計(jì)算路面水膜厚度,見表2。

總體上,降雨強(qiáng)度的可靠度越大,三種計(jì)算方法得到路面水膜厚度值也越大;方法C預(yù)測(cè)的路面水膜厚度大于A,B,不同降雨可靠度水膜厚度計(jì)算值均超過3 mm,且當(dāng)降雨可靠度為95%時(shí),值接近4 mm;A,B兩種方法計(jì)算得到值較為接近,二者相差約為0.2 mm。查閱相關(guān)資料和調(diào)研,本項(xiàng)目取95%降雨強(qiáng)度可靠度較為合理[16]。

2.2 路面寬度

以半幅五、六、七、八車道,橫坡2.5%,縱坡0%,構(gòu)造深度0.8 mm,降雨強(qiáng)度可靠度為95%時(shí),分別用方法A,B,C計(jì)算路面水膜厚度,其值如圖1所示。

由圖1可知,半幅五車道及以上,輪跡帶水膜計(jì)算厚度三種計(jì)算方法得到水膜厚度均大于2.5 mm,即如果以2.5 mm作為路面臨界水膜厚度值,那么五車道以及上超寬斷面存在系統(tǒng)性滑水風(fēng)險(xiǎn)。三種計(jì)算方法輪跡帶水膜計(jì)算值C>B>A。當(dāng)半幅車道數(shù)為5時(shí),B比C約小0.9 mm,B比A約大0.2 mm,隨著車道數(shù)增加,路面寬度變大,排水路徑變長(zhǎng),A,B,C三者之差進(jìn)一步變大。其中方法A每增加一個(gè)車道數(shù),水膜厚度約增加0.25 mm,方法B每增加一個(gè)車道數(shù),水膜厚度約增加0.3 mm,方法C每增加一個(gè)車道數(shù),水膜厚度約增加0.5 mm。

2.3 路面坡度

1)橫坡。雨水滴落至公路表面后,將在重力作用下沿著合成坡度方向排至路外。當(dāng)合成坡度較小時(shí),路面較為平緩,沿公路切線方向的重力分力較小,同時(shí)受到雨水內(nèi)部黏滯力和路面摩擦力的作用,雨水往往不能及時(shí)排出路表,從而滯留在路表內(nèi)造成路面積水。因此,合成坡度坡度的大小影響路表效率。在公路路面二維平面內(nèi),寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度,主要靠橫坡將水排出路界。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范有關(guān)坡度規(guī)定,本文此部分以半幅六車道,縱坡0.3%,構(gòu)造深度0.8 mm,降雨強(qiáng)度可靠度為95%時(shí),橫坡由1.5%,1.7%,1.9%,2.0%,2.2%,2.4%,2.5%,2.8%,3.0%分別用方法A,B,C計(jì)算路面水膜厚度,其結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,半幅六車道橫坡在1.5%～3%范圍內(nèi)路面輪跡帶水膜計(jì)算厚度方法C>B>A。其中,方法A橫坡由1.5%變至3%,路面輪跡帶水膜厚度約減少0.5 mm,方法B減少約1.2 mm,方法C減少1.1 mm。從三種方法的指數(shù)趨勢(shì)曲線可知,隨著橫坡變大,水膜厚度值變化率越趨于平緩,這表明當(dāng)橫坡達(dá)到某一值后,再通過增加橫坡值來減小路面水膜厚度,收益越來越小,且通過調(diào)整橫坡來減小水膜厚度效果有限。

2)縱坡。為了滿足路面排水的需要,國(guó)內(nèi)外對(duì)公路的縱坡坡度都進(jìn)行了規(guī)定,最小縱坡要求:《日本道路構(gòu)造法》中給出縱斷面排水坡度值在0.3%～0.5%間較為合適;美國(guó)綠皮書規(guī)定公路最小縱坡宜為0.5%,在路基強(qiáng)度較好的鋪裝路面上,最小縱坡可以采用0.3%;英國(guó)《路橋設(shè)計(jì)手冊(cè)》中規(guī)定,最小縱坡應(yīng)采用0.5%。我國(guó)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中:公路縱坡不宜小于0.3%,橫向排水不暢的路段,采用平坡(0%)或小于0.3%的縱坡時(shí),其邊溝應(yīng)作縱向排水設(shè)計(jì)。此部分以半幅六車道,橫坡2.5%,構(gòu)造深度0.8 mm,降雨強(qiáng)度可靠度為95%時(shí),縱坡為0.3%,0.5%,1.0%,1.5%,2%,2.5%,3%,3.5%,4%,分別采用方法A,B,C計(jì)算路面水膜厚度,結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可知,計(jì)算路面水膜厚度總體方法C>B>A,C比B大1.3 mm～2.5 mm,B比A大約0.25 mm;隨著路面縱坡由0.3%變至4%,C計(jì)算得到路面水膜厚度并沒有變小反而變大,這是由于在縱坡變大的同時(shí),合成縱坡變大,排水路徑也變大,反映在計(jì)算厚度也變大。

隨著路面縱坡由0.3%變至4%,A和B計(jì)算得到路面水膜厚度幾乎不變,這表明調(diào)整縱坡對(duì)于超寬斷面的水膜厚度幾乎沒有影響,在工程實(shí)踐中,高速公路改擴(kuò)建工程通過調(diào)整縱坡來改善排水狀況,幾乎不起作用。另一方面如果以2.5 mm作為路面臨界水膜厚度,即使將路面坡度調(diào)整到規(guī)范規(guī)定限制(橫坡2.5%,縱坡4%),三種計(jì)算方法得到路面水膜厚度均大于該值,說明超寬斷面僅僅通過調(diào)整坡度無法規(guī)避行車滑水風(fēng)險(xiǎn),需尋求其他措施。

2.4 超高漸變段

通過對(duì)半幅五車道超高漸變段水流情況進(jìn)行數(shù)值模擬,其中R-1 685,縱坡分別為1.2%和0.5%,路拱橫坡2.5%,超高4%;附近路段的排水情況如圖4所示。

其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同計(jì)算方法水膜厚度值

從表3可知,當(dāng)改超高漸變段的縱坡為1.2%,不增設(shè)路拱線時(shí),其排水長(zhǎng)度為120.9 m,路面最大水膜厚度達(dá)5.86 mm,遠(yuǎn)大于正常路段的水膜厚度。在二、三車道之間增設(shè)一條路拱線,內(nèi)側(cè)半幅排水長(zhǎng)度為50.12 m,外側(cè)半幅排水長(zhǎng)度為69.64 m,對(duì)應(yīng)的水膜厚度分別為3.84 mm和4.50 mm,即內(nèi)側(cè)半幅水膜厚度減小了約2 mm,外側(cè)半幅水膜厚度減小約1.3 mm,這表明在多車道斷面間人為增設(shè)一條路拱線能有效減小路面的水膜厚度。

3 結(jié)語

本文依托南方某高速公路“六改十”改擴(kuò)建工程項(xiàng)目,采用不同經(jīng)驗(yàn)公式分別計(jì)算十車道及以上超多車道超寬斷面路面水膜厚度,并分析不同因素對(duì)其的影響,得出以下結(jié)論,為后續(xù)高速公路路面排水設(shè)計(jì)、研究提供參考:1)車道數(shù)增多,路面寬度變大,路面水流的排水路徑變長(zhǎng),路面水膜厚度會(huì)變大,其中方法A每增加一個(gè)車道數(shù),水膜厚度約增加0.25 mm,方法B每增加一個(gè)車道數(shù),水膜厚度約增加0.3 mm,方法C每增加一個(gè)車道數(shù),水膜厚度約增加0.5 mm。路面水膜變厚帶來的行車安全風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)變大。2)采用散排、適當(dāng)增加路面綜合坡度、在改擴(kuò)建新舊路面處增設(shè)路拱線等方式能有效減小路面水膜厚度,而高速公路改擴(kuò)建工程僅通過調(diào)整縱坡來改善排水狀況,幾乎起不到作用。3)近20年來由于全球變暖,極端降雨天氣明顯增多,年降雨量也顯著增大,公路排水規(guī)范、手冊(cè)中的降雨強(qiáng)度計(jì)算公式已不符合現(xiàn)狀,建議結(jié)合降雨強(qiáng)度可靠度概念選用合理的數(shù)值。4)目前,高速公路排水措施何時(shí)設(shè)置、能起到什么樣的排水效果,大都以經(jīng)驗(yàn)為主,缺乏量化評(píng)價(jià)指標(biāo);而以“減小的路面水膜厚度值”作為評(píng)價(jià)指標(biāo)值得進(jìn)一步深入研究。