两种沥青面层暴雨下水膜厚度对比研究——排水沥青面层与普通沥青面层

官建安

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

0 引言

暴雨时，高速行驶的汽车事故率通常较高，究其原因，除了下雨视线不良外，其他因素都与降雨时路面与车轮摩擦系数降低有关[1]。

降雨时，雨水沿道路坡度排走，其表面形成了一定厚度的径流，简称为水膜。沥青路面表面水膜厚度超过一定厚度后，汽车高速行驶时，路面与轮胎间的雨水不能及时排出，路面与轮胎的接触不能保证，此时对汽车来说，路面的摩擦系数急剧降低，致使汽车的速度和方向都难以控制，不能安全行驶。该厚度与车速、胎面纹理、轮胎气压、胎面摩损程度、车辆轴重、路面状态等相关，通常称为“临界水膜厚度”。车越轻，车速越高，轮胎花纹磨损越大，该临界值越小。

刘建蓓等在文献[2]中提出的基于安全容许速度的雨天公路可变限速方法[2]，该可变限速控制系统中最重要的基础数据是道路交通气象数据，其采集采用交通气象站和路面状态传感器。交通气象站采集气象信息，如降雨强度、能见度等信息，并据之采用可变限速方法来降低雨天的事故率。

根据水力学的基本原理，其他条件相同的情况下，坡度越大，水的流速越快，因此，可以通过合理地设置路面坡度来加快路面排水、减少水膜厚度来增加雨天行车安全性。

福建省靠近北回归线，大部分地区受季风环流和地形的影响，形成暖热湿润的亚热带季风气候，我省年平均降雨量1400mm～2000mm，是中国雨量最丰富和降雨天数最多的省份之一。因此，降雨时路面水膜厚度对道路交通安全受雨水影响更为显著，地方法规要求设计时双向4车道路面横坡采用2.0%，双向6车道及以上道路采用2.5%横坡[3]。这个数据既是省内公路多年安全运营经验基础上的总结，又方便降雨时各路根据降雨强度计算各道路最不利路段不同的道路表面水膜厚度，有的放矢地对车速进行管理。

但是，当路面横坡坡度较大时，存在以下不利因素：第一，原先不需要设置超高路段变成需要设置超高，导致原先不需要设置缓和曲线的路段变成需要设置缓和曲线，使公路路线发生变化。第二，随着城市化不断发展，很多公路兼具有市政道路性质，特别是城市快速路，除了主车道的车道数多以外，两侧还有辅路，全断面宽度往往达到60m～70m，最外侧车道与设计标高就有比较大的高差，在遇到有高度限制路段或因超高过渡段过长时，可能遇到设计困难。现行城市道路工程设计规范[4]中规定，城市道路路面横坡为1%～2%，因此，该规定与城市道路设计规范存在矛盾，设计文件送审时可能会因为不符合规范要求而不能通过。

近年来，随着我国排水沥青路面(以下简称PAC)和相关材料研究的深入以及施工技术的成熟，采用排水沥青面层的路面结构，提供了一个在道路路面横坡受到限制条件下满足福建省地方规范中规定的暴雨强度下水膜厚度控制要求的路径。

根据相关规范和规定，福建省内不设超高路段城市道路路面横坡在1%～2%[4]，公路路面横坡在1.5%～2.5%[3,5]。设计时一般按0.5%级差选用。

1 水文计算

现行公路排水设计规范[6]第9.1.2规定设计降雨的重现期对高速公路一级公路为5年一遇，以下为3年一遇，本文按5年一遇计算。

高速公路路面坡度,是由道路的纵坡和路面横坡两个因素决定。在同一条道路上，路面坡度最小处就是纵坡为零的路段。因此，路面排水最不利的路段就是纵坡为零的路段，一般也就是暴雨时路面水膜最厚的路段。本文的水膜厚度计算均假设纵坡为零。

暴雨频率按《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)[4]规定采用5年一遇，暴雨强度按暴雨前5min平均降雨强度计算。

按《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)[4]图9.1.7-1，福建省位于5年一遇10min暴雨平均降雨速率等值线2.5mm/min和等值线2.0mm/min之间，偏于安全取其上限值，5年一遇10min暴雨平均降雨速率为2.5mm/min。按《公路排水设计规范》9.1.3条和9.1.4条，t取5min。

《公路排水设计规范》公式9.1.7，不同降雨频率和不同降雨时长下暴雨平均速率转换公式如(1):

qp,t=cpctq5,10

(1)

查文献[4]表9.1.7-1[6]、表9.1.7-2[6]，cp=1.0,ct=1.25，代入上式:

q5,5=1×1.25×2.5=3.125(mm/min)

降雨速率可取3.125mm/min。

2 普通沥青路面水膜厚度计算

由于公路设计规范和市政道路设计规范对降雨时路面水膜厚度计算均未作出规定，但有比较多的研究结果可供参考，影响比较大的有RRL模型、NCHRP模型、Gallaway 模型、VERT模型、以及东南大学和交通部科研所的季天剑、黄晓明模型等[7]，本文采用国内引用较多的季天剑、黄晓明模型计算5年一遇暴雨强度下的普通沥青路面水膜厚度。对于普通沥青路面的水膜厚度，季天剑、黄晓明、刘清泉、唐国奇等通过模型实验取得经验公式(2)[8]：

h=0.1258l0.6715i-0.3147TD0.7261

(2)

其中，l为最外侧车行道右侧轮迹带距离路面左边缘距离(m)，i为路面坡度，r为5年一遇5分钟暴雨平均降雨速率(mm/min)，TD为路面构造深度(mm)，沥青路面取0.7mm，SMA路面取1.5mm，以及《公路沥青路面设计规范》，沥青路面最小构造深度为0.55mm[9](此时称AC*)。

3 排水沥青面层路面水膜厚度计算

对于排水沥青路面，虽然也有较多研究成果，但《排水沥青路面设计与施工技术细则(报批稿)》[8]编写组，对此前相关研究成果已经进行过归纳总结，并通过实验验证。因此，本文直接按《排水沥青路面设计与施工技术细则(报批稿)》[8]提供的公式来计算对应情况下排水沥青路面水膜厚度并进行对比。

(3)

(式3按文献[10]公式4.4.2-2[10])

其中，h轮——横断面最低侧轮迹带处计算降雨强度下水膜厚度；h—排水面层(排水功能层)厚度(cm)；iz——纵坡坡度(%)；ih——横坡坡度(%)；W——降雨强度(cm/s)；l——最外侧车行道右侧轮迹带距离路面左边缘距离(m)；n——粗糙系数，经验常数，可在 0.02～0.04 之间取值，排水沥青路面一般取 0.03；k——排水沥青混合料透水系数(cm/s)，按文献[8]附录C，k值应通过试验确定，实践中此值为0.6～1.0之间。本文计算中取0.6，使计算水膜厚度偏厚。

由于不同规范和论文之间用词不同，本文中降雨强度和降雨速率两词具有相同意义。

按路面横坡(排水沥青路面和普通沥青路面横坡)分3组计算，分别是1%和1.5%、1.5%和2.0%、2.0%和2.5%；其中，第一组和第二组计算双向4车道和6车道，第三组计算双向8车道和10车道。

4 路面水膜厚度对比

计算结果如表1所示。

表1 路面水膜厚度一

横坡%坡长12(3)15.75(4)TD(mm)1.5PAC路面3.143.7-2AC路面4.285.140.72.5AC路面3.994.790.72.5SMA路面6.948.341.52.5AC∗路面3.354.0250.55表3 路面水膜厚度三

横坡%坡长8.25(2)12m(3)TD(mm)0.5PAC路面3.844.81-1PAC路面2.983.73-1.5PAC路面2.513.141.5AC路面3.724.690.72AC路面3.404.280.72SMA路面5.917.451.52AC∗路面2.853.600.55

注：1.*其中坡度0.5%一栏供超高过渡段参考

2.*坡长后括号内为单向车道数

由表1～表3可以看出，当纵坡为零，相同路面横坡情况下，道路车道数越多或路面越宽，排水路面对降低路面水膜厚度贡献越大。按表1～表2，当单向车道数为3车道到5车道时，路面横坡为2%的具有排水面层的沥青路面上的水膜厚度仅为同宽度具有2.5%路面横坡的普通沥青路面上的水膜厚度的67%，即使按设计规范的最小构造深度计算，其厚度也仅仅是普通沥青路面的80%。而单向路面1.5%横坡的具有排水面层的沥青路面上的水膜厚度甚至比同宽度的2.5%横坡的普通沥青路面上的水膜厚度还要小。表3表明，相同断面宽度的道路，具有排水路面的沥青路面相比于各种常用路面横坡暴雨下的水膜厚度，比其横坡大一级(一级0.5%)的普通沥青路面或SMA路面更小，雨天行车安全性能更好。

5 结论

本文通过计算表明,同样的路面宽度或同样车道数的路面，在5年一遇频率的暴雨强度下，采用排水沥青面层的路面，其水膜厚度比采用更高一级路面横坡的AC路面或SMA路面还要低，即雨天行车安全性更高。这就证明采用排水路面的沥青路面可以在降低一级路面横坡设计坡度的情况下保证雨天路面水膜厚度相比普通沥青路面不增加，雨天行车安全性不下降。

因此,在设计中遇到受限路段,可参考计算表中数据选用较小横坡的排水面层路面结构代替普通沥青路面。

此外，计算结果对采用雨天公路安全容许速度可变限速方法进行交通管理有一定参考作用。