公路主体设计对节能减排的考虑

卢晓红 陈小妮 裴月玲

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100083）

公路主体设计对节能减排的考虑

卢晓红 陈小妮 裴月玲

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100083）

为了尽量减少汽车的排放，降低汽车的油耗，从合理确定车道数、路面结构、道路纵坡及均衡合理的运行速度四个方面，论述了从公路主体设计的角度实现公路运输节能减排的方法，从而提高道路的服务水平。

节能减排，公路设计，交通条件

随着我国国民经济的持续发展，汽车走进了千家万户，给人们的出行带来了极大的方便，甚至改变了人们的生活方式。但同时，其带来的能源消耗也不可小觑，道路条件和交通条件成为影响汽车能耗的重要因素，道路条件主要包括路面平整度和道路平均纵坡，交通条件主要包括行车速度和道路的通行状况。我们可以用汽车运输经济成本直观的反映汽车的能耗情况，以小客/小货为例，如表1“公路条件及交通条件对汽车运输成本的影响”所示。为了尽量减少汽车的排放，降低汽车的油耗，公路主体设计方面主要考虑了以下几点:

1）根据交通量预测结果，确定合理车道数，以保证道路设计年限内的服务水平;2）确定合理路面结构，路基路面排水方式，保证路面抗滑性;3）确定合理的道路纵坡，降低油耗;4）保证设计路段内均衡合理的运行速度。

1 合理确定车道数，保证道路服务水平

高质量的服务水平使交通流能以平稳速度畅通运行，减少了汽车运行中因停车、加减速引起的能源消耗及尾气排放。因此，在公路设计中，根据交通量预测结果，合理确定车道数，有效提高道路通行能力，保证道路设计年限内服务水平，是实现公路交通运输中节能减排的重要前提与保障，《公路工程技术标准》中做出了明确地规定。

表1 公路条件及交通条件对汽车运输成本的影响

可根据现行的《公路工程技术标准》的有关规定及项目需要、设计速度、项目相应需采用的服务水平等因素进行车道数的计算。

1.1 有关系数的确定

1）设计小时交通量系数（K）。

设计小时交通系数（K）是指设计小时交通量与年平均日交通量的比值，对于多车道公路，可运用设计小时交通量确定车道数与路幅宽度。

2）方向不均匀系数（D）。

通行能力和服务水平随交通流方向性分布变化而变化，对于多车道公路不同方向交通流分布相对均衡，但对于双车道公路、城市出入口道路、旅游公路等，由于不同方向上流量的相互影响性、交通流受时间性、季节性干扰明显，使交通流分布具有强烈的方向性。方向不均匀系数（D）可根据已有道路的断面观测资料，综合考虑未来项目影响区路网状况确定。

3）高峰小时修正系数（PHF）。

由于阻塞流量的动态特性，几分钟的交通阻塞就需要很多时间才能消散延误的交通流，这期间将产生额外的能源消耗，及增加环境污染程度，因此，合理运用高峰小时系数有效确定道路通行能力，避免拥堵显得尤为重要。PHF值越低表示在高峰小时中流量的可变性越大。

4）车道宽度及侧向净空修正系数（fW）。

该系数是根据车道数、车道宽度，至障碍物的最近距离，以及单侧障碍物还是两侧都有障碍物而确定的。

5）大型车修正系数（fHV）。

式中:PHV——大型车交通量占总交通量的百分比;

EHV——大型车换算成小客车的车辆换算系数，取值可在《公路工程技术标准》中查得。

6）驾驶员总体特征修正系数（fP）。

不同特征的交通流使用高速公路的效益存在一定的差别，常规通勤车驾驶员或者其他常规驾驶员对最大服务流率没有影响。选值时，应结合有关道路及其周围环境的综合知识来分析，以保证其准确度。

1.2 基本关系式

其中，SFi为实际道路和交通条件下，i级服务水平单向N车道的服务交通量，辆/h;MSFi为理想条件下，i级服务水平提供的每车道最大通行能力，pcu/ln/h;DDHV为单向设计小时交通量，pcu/h;PHFi为i级服务水平时高峰小时修正系数;AADT为预测年平均日交通量，pcu/d;K为设计小时交通量系数;D为方向不均匀系数;N为单向车道数;Cj为理想条件下设计车速为j时，单车道基本通行能力，pcu/ln/h;（V/C）为理想条件下，最大服务交通量与基本通行能力之比;fW为车道宽度和（或）侧向净空受限制的修正系数;fHV为交通流中重型车辆（大货车、特大货车、拖挂车、集装箱车和大客车）影响的修正系数;fP为驾驶员总体特征影响的修正系数。根据以上论证及表1，以小客为例，可看到汽车运输成本与拥挤度的关系如图1所示。因此，在公路设计中，应根据《公路工程技术标准》的要求，合理确定车道数，以保证高质量的道路服务水平，从而可以降低车辆运行中的能耗，并在此基础上进一步优化设计。

图1 汽车运输成本与拥挤度关系图

2 确定合理路面结构，路基路面排水方式，保证路面设计使用年限内的平整度

路面应具有平整、密实、抗滑、耐久的品质，并具有高温抗车辙、低温抗开裂，以及良好的抗水损害能力，以保证道路使用年限内的平整度。道路的平整度与燃料、润滑油、轮胎、修理的人工费、修理的材料费以及车辆的折旧等的消耗都有关系，以小客、小货车为例，具体的影响关系见表2。

表2 路面平整度影响因素

为了保证道路路面的平整度，设计阶段应该考虑以下方面:

1）保证路基填土压实度，做好排水设计，防止地面水和地下水侵入路面、路基，保证路基的强度和稳定性，使路基处于干燥或中湿状态，土基回弹模量值应大于30 MPa，重交通、特重交通公路土基回弹模量值应大于40 MPa。2）根据预测交通量、车型比例、沥青路面设计年限、路基顶面回弹模量、基层底基层的抗压模量、路面类型等参数，做好路面结构设计，保证路面表面层具有平整密实、抗滑耐磨、抗裂耐久的性能;中下面层应具有高温抗车辙、抗剪切、密实、基本不透水的性能;下面层具有耐疲劳开裂的性能。基层作为主要承重层，应具有稳定、耐久、较高的承载力，与底基层一起承受车轮荷载的反复作用。

3 确定合理的道路纵坡，降低油耗

坡度对油耗的影响在于，一方面随坡度的增加，发动机输出功率会增加，另一方面，在同样的速度下，坡度增加可能会使汽车降低挡位，从而使发动机的转速提高。公路纵坡设计合理与否，直接影响着公路工程造价，同时，对运行车辆的速度和油耗也会产生很大的影响。汽车油耗随纵坡坡长的变化按幂函数形式y= ax±b的规律变化，而根据研究，将各种纵坡坡度与所对应的稳定油耗进行回归分析，结果发现，二者呈直线相关关系。随着道路纵坡坡度的不断增大，在相应路段提高行车速度所产生的油耗也会快速增加，因此，公路纵坡设计中应在考虑项目经济性的同时，也要注重运输经济效益，使两者和谐统一，以避免造成能源及资金的浪费。

4 保证设计路段内均衡合理的运行速度

运行车速主要受驾驶人行为、交通特征（车辆状况）和公路状况三方面因素影响，这里我们仅探讨在驾驶人行为及交通特征（车辆状况）处于理想状态时，公路设计对运行速度的影响。为保证运行速度的主要因素包括平曲线半径、纵坡与路基宽度，下面我们将分别从这三个方面进行论证。

1）圆曲线。通过以下公式确定一定运行速度下圆曲线半径:

汽车在曲线上行驶与在直线上行驶的能源消耗不同，设计时在执行标准规范指标基础上，就特殊的设计事项而言，应从行车安全角度考虑，采取合理指标，尽量避免采用极限值。

2）纵坡。为保证公路基本通行能力，货车在不同坡度时的运行速度及对应的设计速度如表3所示。

表3 纵坡与速度对照表

3）路基宽度。路基宽度由中央分隔带、左侧路缘带、行车道、右侧路缘带及路肩构成。其中行车道的宽度由标准车辆宽度（2.5 m）和动态净空确定，速度与动态净空的关系见表4。路基宽度的选择，应首先论证确定各构成部分尺寸，然后叠加确定。应结合自然条件灵活掌握，根据不同地形存在的显著差异，设计速度的取值可以不同，以便利于速度以连续、均衡的方式变化，保证行车安全的同时，降低因速度变化带来的汽车运行能耗。

表4 设计速度与动态净空的关系

5 结语

从公路主体设计的角度实现公路运输节能减排的目标，应当综合考虑道路服务水平、路线的平纵优化设计和路基路面结构及排水设计，结合景观绿化、环保的设计理念，着眼于全局，多方位、多角度地从细微处入手，开展设计工作。

Considering energy conservation and em ission reduction in the design ofm ain highway structure

LU Xiao-hong CHEN Xiao-ni PEI Yue-ling

（China Highway Engineering Consulting Group Co.，Ltd，Beijing 100083，China）

In order to reduce car emission asmuch as possible and to lower down car petroleum consumption，starting from four aspects of rationally determining toll lane，pavement structure，longitude road slope and balanced operation speed，the essay discussesmethods of realizing highway transportation energy conservation and emission reduction from the angle ofmain highway design，so as to improve the highway service level.

energy conservation and emission reduction，highway design，transportation condition

U412.3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.18.047

1009-6825（2012）18-0147-02

2012-04-21

卢晓红（1981-），女，工程师