平纵组合设计对高速公路宽幅路面排水效率的影响研究

孙振海　曹帆　杨森顺　陈强

摘要：为改善宽幅高速公路路面排水效率，文章研究了路线平纵组合设计对排水效率的影响，分析了排水效率表征方式，阐述了路幅宽度、横坡、纵坡及合成坡度对水膜厚度的影响，提出了提高宽幅路面排水效率的技术措施，对于改善宽幅路面易积水现状、提升宽幅路面公路行车安全具有积极作用。

关键词：道路工程;宽幅路面;平纵组合;排水效率

中國分类号：U412.36文献标识码：A

0 引言

随着我国经济的不断发展，公路交通流量进一步增大，对高速公路的要求也越来越高。原四车道高速公路逐渐无法满足交通流量增大的需求，需对其进行改扩建。此外就新建高速公路而言，部分主要干线公路预测交通量较大，建设时便要求按六车道或八车道标准进行建设。随着改扩建及超宽车道公路建设的增多，宽路幅高速公路占比逐步提升。就多雨地区而言，高速公路排水效率一直是路面设计关注的焦点。随着路幅宽度的不断增加，给路面排水效率带来了新的难题。

高速公路设计通常由平面、纵断面及横断面三部分及其组合设计构成。公路线形组合是否合理、协调，直接影响到高速公路排水效率。路面排水的可靠性不仅与平面线形、横坡及纵坡有关，而且与平纵组合是否协调密切相关。线形标准均符合规范，但平纵组合不良仍然会导致路面发生积水，特别对于宽幅路面，影响将会更大。鉴于此，论文开展路线平纵组合设计对高速公路宽幅路面排水效率研究，拟探索路线平面、纵断面及横坡指标对排水效率的影响，并提出宽幅路面平纵组合设计建议。

1 排水效率表征模型

为进一步量化宽幅路面排水效率，本文引入水膜厚度对排水效率进行表征。就已有技术而言，目前对水膜计算采用较多的方法为数学物理方程计算法、概率法、模型分析及分布式系统分析法等。国外Anderson等利用人工坡面降雨试验，详细研究了降水强度、横坡、纵坡及排水宽度对水膜厚度的影响，并得到了相应的水膜厚度公式;Ross、Russam等通过观察法及现场试验法，提出了水膜厚度计算公式。国内季天剑、黄晓明等利用连通器原理，对不同路面结构类型的水膜厚度开展了研究，并建立了预估水膜厚度的基本模型。

2 平纵组合对排水效率的影响分析

公路路表水膜一般是由路表水沿纵坡与横坡合成方向运动过程中积累而成。由于水膜对轮胎及路表的润滑作用，公路摩擦系数将明显降低，汽车在行驶过程中，极易因打滑而发生交通事故。此外，水膜的形成将在汽车轮胎吸附作用下形成水雾，影响后车行驶视线，从而造成安全隐患。影响公路水膜厚度的主要因素有：摩擦系数、降水强度，横坡、纵坡及路幅宽度等。本文分别对不同路面宽度、横坡及纵坡下的水膜厚度变化进行了分析。在研究过程中，根据高速公路设计标准和平纵组合情况，保持其他条件不变，对一种影响因素的改变进行水膜厚度影响研究。

2.1 路面宽度对水膜厚度的影响分析

分析过程中，以单幅双车道、三车道、四车道、五车道及六车道为例，研究路面宽度对水膜厚度的影响（实际实施过程中高速公路单幅车道数大于四车道后，应采用复合式断面处理）。其对应单幅宽度如表1所示。

研究过程中，控制道路纵坡（取2%），横坡（取2%）、粗糙系数（取0.013）、降雨强度（取3 mm/min）均为一个定值，水膜厚度随着路面宽度变化曲线如图1所示。

由图1可知，水膜厚度随着路面宽度的增加逐渐增厚，且增加幅度较为明显。其机理为当路幅宽度相对较小时，路面水流可快速从路幅边缘排出，使路面水膜厚度保持在相对较低的平衡状态，随着路面宽度的增大，水流排至路幅边缘的时间逐渐增加，造成部分水流排出不及时而淤积，以致水膜厚度增加。由此可见，当高速公路单幅路幅宽度由普通双车道改扩建至六车道或八车道时，抑或新建高速公路车道数为六车道或八车道时，路面排水效率与传统双车道高速公路相比，有较大幅度的降低。

2.2 横坡对水膜厚度的影响分析

分析过程中，以0.3%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%及5%为例，研究路面横坡对水膜厚度的影响。研究过程中，控制道路的纵坡（取2%）、路面宽度（取42 m，单侧路面宽度为15 m）、粗糙系数（取0.013），降雨强度（取3 mm/min）均为一个定值，水膜厚度随着路面横坡变化曲线如图2所示。

由图2可知，水膜厚度随着横坡的增大而逐渐降低，当横坡进一步增大时，水膜厚度的降低幅度逐渐减小，路面横坡在0～1.5%之间水膜厚度变化最明显，对水膜厚度影响最大。其机理为当路面横坡较小并接近于0时，路面水排出缺乏动力支撑，路面因大范围积水而造成较厚水膜;随着横坡增大，支撑水流向路幅边缘流动的分向力增大明显，路面积水排出速度增加明显，从而造成水膜厚度大幅度降低;而随着路面横坡进一步增大，水流在重力分向力作用下已逐渐能够满足水流流出，横坡增大对水流流出时间影响较小，从而造成水膜厚度减小幅度不大。

2.3 纵坡对水膜厚度的影响分析

由图3可知，水膜厚度随着纵坡增大而增厚，纵坡大小变化对水膜厚度影响幅度较为平缓，纵坡变化对水膜厚度的影响有限。其机理为当纵坡较小但横坡取2%正常值时，水流可通过横坡正常排出至路幅外;随着纵坡的增大，水流纵向流速逐渐增大，但整体仍能保证通过横坡流出路幅之外，水膜厚度增加并不明显。随着纵坡增大，水膜厚度略有提升的原因在于：纵坡增大造成水流纵向分力增加，横向与纵向的合成水流方向朝路线纵向偏移，造成水流流出路幅效率减慢、水膜厚度增加，但整体影响不大。

3 宽幅路面平纵组合设计建议

通过分析以上水膜厚度影响因素可知，对水膜厚度影响较大的路线设计因素为路幅宽度与横坡坡率，且在恒定横坡下，路线纵面坡率对水膜厚度影响不大。但过小纵坡将造成高速公路在横坡较小路段出现“零坡段”，致使水流淤积。

由以上结论及已有研究成果可知，水膜较厚路段主要集中在路面横坡较缓、路面较宽路段或合成坡度为零坡段。鉴于此，论文提出以下设计处理措施，以提升宽幅路面排水效率。

（1）在横坡为零坡路段前后设置最大超高渐变率渐变超高

减少路拱横坡由正常横坡（-2%）过渡到反向横坡（2%）过渡段的长度，即减少0～2%段缓坡段的长度，从而可降低较小横坡路段长度，致使水流可通过纵坡流至横坡相对较大路段后流出路幅，以提高排水效率。

（2）在路拱横坡设计时设置双向路拱

宽幅路面排水不畅路段可在车道之间设置双向路拱，将同断面车道间横坡设置为不同值，从而可降低路面合成零坡段落，以减少路面径流的宽度并降低路面水膜厚度。

（3）合理设置道路纵坡坡度

在设计时应尽量避免较小纵坡的采用，为便于横坡为零路段积水顺利通过纵坡流至横坡较大位置并通过横向流动流至路幅之外，建议高速公路縱坡设计≥0.5%。

（4）纵坡变坡点位置控制

在纵坡设计过程中，避免凸型竖曲线或者凹形竖曲线位置与超高过渡段重合，以提高超高过渡段水力坡度，从而加大超高过渡段坡面流速，将水流流入路面横坡较大路段，以达到降低水膜厚度的效果，提升排水效率。

4 结语

本文针对目前全国宽幅路面高速公路占比逐渐增大的现状，研究了路线平纵设计对排水效率的影响。利用水膜厚度对排水效率进行了表征，并利用水膜厚度计算公式，结合实际高速设计成果，分析了路幅宽度、横坡、纵坡及合成坡度对水膜厚度的影响，提出了切实提高宽幅路面排水效率的设计方案与技术措施，从而改善宽幅路面易积水现状，以提升宽幅路面公路行车安全。

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