新疆冬季灾害天气高速公路限速研究

朱兴琳

(新疆农业大学 机械交通学院, 新疆 乌鲁木齐　830052)



新疆冬季灾害天气高速公路限速研究

朱兴琳

(新疆农业大学 机械交通学院, 新疆 乌鲁木齐830052)

[摘要]受特殊地形和气候条件制约，新疆冬季大雾、路面结冰、强降雪及风吹雪等灾害天气影响高速公路通行效率。为保证高速公路冬季行车安全，分析了冬季主要灾害天气对行车安全影响特征，并采用路面汽车行驶制动原理，构建了基于安全距离的高速公路最高车速模型，以及风雪耦合作用下汽车安全距离数学模型，在此基础上给出了雾天、冰雪路面、风吹雪天气下，对应不同能见距离、风力、路面附着系数、纵坡的高速公路最高车速限制标准建议值。研究结果为我区高速公路灾害天气的安全管理与控制策略提供一定的理论依据。

[关键词]高速公路； 最高车速限制； 冬季灾害天气； 安全车速； 新疆

0前言

新疆气候冬季寒冷，地质条件受到温度变化、干湿交替、冻融循环等因素的影响，公路沿线地形陡峻、岩体结构复杂、基岩裸露，高海拔地区寒冻风化作用强烈，具有典型内陆大温差气候特点，且公路大部分路段穿越海拔2000 m以上的高寒山区，紫外线辐射强烈，冬夏季气温差异悬殊，而且春融季节昼夜温差波动也很大，尤其冬季寒冷，最冷季节低温在-30 ℃以下，昼夜温差较大，降雪湿度小且发干，在过往车辆的作用下往往使风吹雪、自然降雪形成压实积雪，又由于昼夜温差，积雪融化后再度结成冰，这就降低了路面的抗滑性能，影响交通安全通行。在道路结冰积雪的情况下，路面承载力和路面结构均会受到不同程度的影响。在光滑的冰雪路面上，轮胎与地面之间的附着系数很低，地面能提供给汽车的附着力相应变小。在冰雪天气条件下，驱动轮与冰雪路面易发生滑转，汽车动力性能变差，起动、加速、变速等难度加大，极易引发各类交通事故。数辆乃至数十辆车因道路结冰积雪而首尾相撞的案例屡有报道，道路结冰积雪已经成为高速公路的“白色杀手”。

目前国内外保障灾害天气下高速公路运营安全的有效措施之一是采取车速控制。车速控制标准的合理确定直接影响到高速公路通行效率。2011年我国颁布实施的《道路安全法》第81条条例规定了机动车在高速公路上行驶，在遇到低能见度不良气候条件时，驾驶员应当遵守的若干规定。《道路安全法》中虽然规定了不良天气的限速值，但没有考虑到路面的附着系数、道路的坡度以及一些受特殊天气和地形影响的地区，因此车速限制标准的制定存在一定差异性。

综合以上阐述，本文针对新疆特殊地形和气候特征，在分析新疆冬季高速公路主要灾害天气影响特征基础上，结合路面附着系数、道路坡度和风力影响，研究冬季大雾、路面结冰、强降雪及风吹雪等灾害天气的车速限制值。

1新疆冬季高速公路主要灾害性天气影响特征分析

新疆冬季影响高速公路行车安全的主要气象灾害因素有浓雾、风吹雪、强降雪、路面结冰等[1]。

① 雾。

高速公路上因浓雾而发生的重大交通事故屡见不鲜，新疆冬季沿天山高速公路导致行车安全隐患的首要气象灾害是浓雾，所占比例高达54.8%[1]。由此可见，雾对高速公路的行车安全威胁很大。雾对驾驶员行车安全的最大妨碍：一方面造成视距大大缩短，能见度有时降到30～40 m甚至更低[2]。通常用来帮助行车驾驶员进行视距判断的沿线景物、交通标志、标线等这时都难以看清，导致驾驶员速度感减弱。除此之外，驾驶员在浓雾包围的道路上行驶时，往往抱有尽快冲出浓雾的急切心理，可能会无意中加快行车速度，增大了雾中行车的危险性。另一方面，由于雾天与空气中灰尘混合，使得路面与轮胎之间的附着系数降低，从而造成轮胎在路面打滑、制动距离增加、制动跑偏等不良现象发生[2]。

② 风吹雪。

风吹雪形成的物质来源主要是降雪和积雪，其形成的动力因素是风[1,3]。当风速达到一定强度时，吹扬雪粒，随风运动，形成风雪流，短时间内造成视距障碍，易使驾驶人员判断失误，发生交通事故的概率增大[1,4]。根据新疆气象局2002～2006年调查数据统计结果可知： 风吹雪对新疆冬季沿天山高速公路行车安全隐患出现频率为11.9%[1]。另据对文献查阅可知，受特殊地形、地质、气候等自然条件影响，新疆公路风吹雪主要集中出现在乌鲁木齐至达坂城沿线，导致风吹雪出现的气象因子主要有降雪、一定的风速、持续无降雪日数和较低气温[1]。

风吹雪多发生在降雪之后，视线障碍和背风积雪障碍是造成高速公路驾驶员行车危害的主要因素。风吹雪发生时不仅使驾驶员能见度变差，而且在较短时间内使视距发生急剧下降，易造成驾驶员判断失误，对车辆运行非常危险[5]。日本的研究结果认为：风吹雪地区的视距小于50 m时将发生塞车现象，在30 m以下时就会中断交通[5]。另外，背风积雪障碍的出现不但会中断道路交通，而且严重时容易使驾驶员一氧化碳中毒。

③ 路面结冰。

路面结冰是指湿滑路面表面温度低于0℃，开始有结冰现象，或道路表面温度低于0 ℃，当降雨出现时形成薄冰，此时路面摩擦系数急剧降低[1]，车辆由于车轮上用力的突然变化很容易破坏车轮的附着状态，使轮胎失去抵抗侧滑的能力，极易在结冰路面上侧滑、横滑、甚至翻出道路[6]。汽车以 70 km 时速行驶时，在干沥青路上的制动距离为58 m，在雪路上的制动距离为117 m，在冰路上的制动距离则为216 m[7]。受特殊的地形和气候条件影响，新疆乌鲁木齐机场高速公路、乌奎高速公路和吐-乌-大高等级公路冬季路面结冰发生概率较大。路面结冰是导致冬季新疆沿天山高速公路行车安全的第二大隐患，其发生频率为14.3%[1]。

④ 强降雪。

强降雪是指在风力较弱或无风的情况下，持续较大的降雪在路面形成较厚积雪，降雪量一般大于6.0 mm/24 h，影响高速公路的正常通行[1]。强降雪的出现主要受地形、气候等自然因素的影响。新疆公路沿线各站≥6 mm的最多年降雪日数乌鲁木齐最多，除了吐乌大高速达坂城到吐鲁番段没有因强降雪影响交通的记录外，沿天山其它各段均有发生。影响高速公路正常运行的强降雪有2类： ①低温强降雪型，短时间内形成较厚积雪，再加上清理不及时，造成车辆无法正常通行； ②湿雪强降雪型。在湿雪上又覆盖一层积雪，车辆通过时雪粘在路面和车胎上，车辆极易打滑，行走困难[1]。

2灾害天气下高速公路车辆安全行车条件

2.1安全行车距离

高速公路上驾驶员在行车过程中，从看到同车道上的障碍物时开始刹车，至到达障碍物前安全停车的最短距离。这段不至于导致撞车事故的距离也可称为安全距离[8]。速度越高，车辆制动距离也越大，因此要求的安全距离就越大。在灾害天气条件下，由于视距不足、道路摩擦系数减少，安全制动距离也延长。灾害天气条件下安全行车的条件如图1所示。

图1　灾害天气下高速公路驾驶员行车安全示意图Figure 1　Operational safety chart of expressway drivers under severe weather

根据图1所示构建灾害天气下车辆安全行车的条件，如式(1):

d1+d2+L≤St+d3

(1)

式中:d1为后车驾驶员在反应时间t内行驶的距离，m；d2为后车驾驶员在制动时间内行驶的距离，m；St为路段的能见距离，m；d3为前车在反应时间与制动时间内行驶的距离，m；L为停车后前后两车之间最小安全距离，m。

2.2行车安全距离参数标定

① 确定d1：在驾驶人反应时间t内，制动踏板力和地面制动力均为零，汽车仍然以原有初速V行驶，所驶过的距离d1为：

d1=Vt/3.6

(2)

式中:V为后车的行车速度，km/h；t为后车驾驶员的制动反应时间，s。这里取最不利情况，t=2.5 s。

② 确定d2：

后车驾驶员在制动时间内行驶的距离考虑最不利组合情况，即车辆处于下坡路段并忽略空气阻力[2]。

d2=KV2/[254(φ-i)]

(3)

式中:φ为轮胎与路面间附着系数。与路面种类、路面表面状况、轮胎花纹和轮胎气压、车速等因素有关系。K为制动修正系数，一般可在1.2～1.4间选用。这里取1.3。i为道路的纵坡度，%，上坡为正，下坡为负。

2.3基于安全距离的最高车速限制值计算公式

① 在确定雾、冰雪灾害天气条件下的车速限值时，应考虑最不利条件，即前方为已发生事故静止的车辆，此时d3=0。另外，对于小客车，这里L取5 m，将式(2)和式(3)代入式(1)，可得到式(4):

Vt/3.6+KV2/[254(φ-i)]+5≤St

(4)

由式(4)可得高速公路灾害天气下基于安全距离的最高车速限制值计算公式(5)：

(5)

② 风雪耦合作用下基于安全距离的最高车速限制值计算公式。

风对行车安全的影响是增加了汽车受到的横向力和纵向力[9]，雪对行车安全的影响是降低了路面附着系数和能见度。因此，风雪耦合作用下行车安全分析时需同时考虑风作用力、路面附着系数及能见度对汽车行驶的影响。

(6)

式中：Fw为风动纵力，N。其他参数含义同上。

2.4灾害天气下高速公路最高车速限制建议值

① 雾天最高车速限制建议值。

大雾天气，由于雾水落于路面使得道路潮湿，路面附着系数降低，本文取沥青混凝土潮湿路面的附着系数(高压轮胎)φ=0.35。根据公式(5)建立的灾害天气下高速公路最高车速限制值数学模型，考虑雾天不同能见度及坡度不同取值情况下，来获得雾天最大安全车速值如表1所示。

表1 雾天高速公路最大安全行车速度值Table1 Maximumsafetyspeedofexpresswayinfogenvi-ronment(km·h-1)能见距离St/m道路纵坡度/%1234562520.0719.9319.7819.6319.4819.325036.2835.9435.6035.2534.8934.527548.9248.4347.9247.4046.8646.3110059.6659.0258.3657.6957.0056.2915077.7576.8675.9575.0174.0673.0820093.0691.9590.8289.6688.4887.27250106.58105.28103.95102.59101.2099.78

对表1中获得的最大安全车速值进行取整后，获得对应不同能见度及道路纵坡度的雾天最高安全车速限制建议值如表2所示。当道路能见距离St≥250 m时，车辆正常行驶；当St<25 m时，或25≤St<50，且4%

② 冰雪路面最高车速限制建议值。

表2 雾天高速公路最高车速限制建议值Table2 Recommendedvaluesofmaximumsafetyspeedforexpresswayinfogweather(km·h-1)能见距离St/mi≤1%1%

新疆高速公路受特殊地形、地质及气候影响，强降雪、路面结冰等灾害天气常发，因此本文在不同能见距离及坡度基础上，选择结冰路面、压实路面和松软雪路面，对路面附着系数分别取不同值φ=0.10、0.15、0.20，由此获得冰雪路面最高安全车速值如表3所示。

表3 高速公路冰雪路面最大安全行车速度值Table3 Maximumsafetyspeedofexpresswayonicyandsnowypavements(km·h-1)能见距离St/m附着系数φ道路纵坡度/%1234560.1013.6213.0712.4611.7710.9910.08250.1515.7515.3814.9914.5714.1213.620.2017.2516.9916.7016.4016.0915.750.1022.6821.6420.5119.2617.8516.24500.1526.8526.1225.3524.5223.6322.680.2029.9729.4028.8128.1927.5426.850.1029.5128.0926.5524.8622.9820.83750.1535.2834.2633.1832.0430.8229.510.2039.6938.8938.0537.1736.2535.280.1035.2233.4931.6129.5527.2624.671000.1542.3641.0939.7538.3436.8335.220.2047.8846.8745.8144.7143.5642.360.1044.7642.4940.0437.3634.4031.061500.1554.1952.5150.7348.8646.8744.760.2061.6060.2458.8257.3455.8054.190.1052.7750.0547.1143.9140.3936.422000.1564.1562.1159.9657.7055.3152.770.2073.1671.5069.7767.9766.1064.150.1059.8156.6953.3349.6845.6541.132500.1572.9270.5668.0965.4862.7459.810.2083.3581.4179.4177.3375.1772.920.1066.1862.6958.9554.8850.4045.383000.1580.8378.1975.4272.5169.4466.180.2092.5590.3888.1285.7983.3680.830.1072.0268.2164.1159.6654.7649.283500.1588.1185.2182.1778.9775.6072.020.20101.0198.6196.1393.5690.8988.110.1077.4673.3468.9164.1058.8252.914000.1594.8891.7388.4484.9881.3377.460.20108.89106.28103.59100.8097.9094.88

对表3中获得的最大安全车速值进行取整后，获得对应不同能见度、不同路面附着系数及道路纵坡度的冰雪路面最高安全车速限制建议值如表4所示。当道路能见距离St≥400 m时，附着系数φ≥0.20，坡度i<5%，或者350≤St<400，φ≥0.20，坡度i≤1%，车辆正常行驶；当25≤St<50时，附着系数φ≤0.2，或50≤St<75，φ≤0.1，且坡度i>3%，道路需封闭。

表4 冰雪路面高速公路最高车速限制建议值Table4 Recommendedvaluesofmaximumsafetyspeedforexpresswayonicyandsnowypavements(km·h-1)能见距离St/m附着系数φi≤1%1%

③ 风吹雪路面最高车速限制取值建议。

根据公式(6)计算风吹雪灾害天气下高速公路最高车速限制值，本文重点研究风力在6～9级时对小客车行驶产生的影响(见表5)，风力为5级或5级以下时对车辆正常行驶基本没有影响，具体对应的风速值所示[10]。

本文在不同能见距离及坡度基础上，对压实雪路面和松软雪路面，其附着系数分别取不同值φ=0.15、0.20，由此建立风吹雪路面最高安全车速值如表6所示。

表5 00风力作用下小客车受到的风动力Table5 Windforcesonvehicleunder0°wind风力/级风速/(m·s-1)Fw/N风力/级风速/(m·s-1)Fw/N610.8285817.272213.846520.71046713.9471920.8105617.171424.41453

对表6中获得的最大安全车速值进行取整后，获得对应不同能见距离、不同路面附着系数、道路纵坡度及不同风力等级的风吹雪路面最高安全车速限制建议值如表7所示。当风力小于等于6级，φ≥

表6 风吹雪路面高速公路最高车速限制建议值Table6 Maximumsafetyspeedofexpresswaysinwindblownsnowroads(km·h-1)能见距离St/m附着系数φ风力等级/级67891%2%3%4%5%1%2%3%4%5%1%2%3%4%5%1%2%3%4%5%250.151514141313141413121213121211101111108 70.201716161615161615151515151514141414131312500.1525242322212424222119222119181619171513100.202928272726282726252526252524232423222120750.1533323029283130282725282725232124222017130.2038373635343635343332343332313032302927261000.1539383635333735343230343230272528262320160.2046444342414442414038414038373538363433311500.1550484745434745434138434038353236333025200.2059575554525654535149535149474548464441392000.1559575552495553504744504744403642383429230.2069686664626664626058626058555357545249463000.1575726965627066635955635955514553484336280.2088858380778481787673787673706671686561574000.1588848076728178736964746964595362565042330.201031009794919895928985928985827883807671675000.1599959186819288837872837872666069635647370.2011611311010610311110810499961041009691889490858075

表7 风吹雪路面高速公路最高车速限制建议值Table7 Recommendedvaluesofmaximumsafetyspeedofexpresswaysinwindblownsnowroads(km·h-1)能见距离St/m附着系数φ67891%2%3%4%5%1%2%3%4%5%1%2%3%4%5%1%2%3%4%5%50≤St<750.1525202020202020202015202015151515101010100.20252525252525252525252525252020202020202075≤St<1000.1530303025253030252525252525202020202015100.203535353530353530303030303030303030252525100≤St<1500.1535353535303535303030303030252525252020150.204540404040404040403540403535353535303030150≤St<2000.1550454545404545404035404035353035353025200.205555555050555050504550504545454545404035200≤St<3000.1555555550455550504540504540403540353025200.206565656060656060605560605555505550504545300≤St<4000.1575706565607065605555605555504550454035250.208585808075808075757075757070657065656055400≤St<5000.1585808075708075706560706560555060555040300.20100100959090959590858590858580758080757065St≥5000.1595959085809085807570807570656065605545350.2011511011010510011010510095951001009590859090858075

0.20，坡度i≤2%，道路能见距离St≥400 m时，或者风力小于等于7级，φ≥0.20，i≤3%，St≥500 m时，车辆正常行驶；当风力大于等于7级，φ≤0.15，i≥5%，50≤St<75，或者风力大于等于8级，φ≤0.15，i>2%，50≤St<75，或者i>2% 或者风力大于等级9级，75≤St<100，φ≤0.15，坡度i≥4%，或者风力大于等级9级，φ≤0.15，坡度i>4%，100≤St<150，道路需封闭。

3结语

基于车辆制动安全距离推导公式，结合新疆特殊地形和冬季气候条件，构建了高速公路在大雾、冰雪和风吹雪作用下的车辆安全行驶距离的数学模型，在此基础上考虑路面的能见距离、路面附着系数、坡度和风力作用大小，给出了冬季灾害天气下高速公路最高车速限制建议值，为我区应对灾害天气的安全管理与控制提供一定的理论参考。值得提出的是，本文给出的灾害天气下高速公路最高车速限制值仅针对直线路段而言，对于曲线路段的最高限速值是笔者后续进一步研究的内容。

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Research on Speed Limitation of Xinjiang Expressways Under Severe Weather Conditions

ZHU Xinglin

(School of Machinery and Traffic, Xinjiang Agricultural University, Urumchi, Xinjiang 830052, China)

[Abstract]Subjected to special terrain and climatic conditions, traffic efficiency of Xinjiang expressways is affected by fog, icy pavement and wind blown snow. To ensure safe driving of winter, major disastrous weather factors affect driving safety are analyzed. According to the vehicle brake principle, the maximum speed model for highway safe distance is set up and automotive safe distance under wind blown snow is also developed. Recommended values are put forward corresponding to different visibility, wind forces, road surface friction coefficients, longitudinal in fog, ice and snow, wind blown snow environments. The research results provide a certain theoretical basis for safety management and control strategies of our region expressways under severe weather.

[Key words]expressway; high speed limitation; winter severe weather; safety speed; Xinjiang

[收稿日期]2015-01-04

[基金项目]新疆维吾尔自治区自然科学基金(2014211A031)

[作者简介]朱兴琳(1971-)，女，副教授，博士，硕士生导师，主要从事交通运输环境与安全方面研究。

[中图分类号]U 491.5+4

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0095-05