基于路面亮度曲线的公路隧道敞开式遮阳棚设计

刘群峰, 杨雅茗,2, 郭朝阳, 武星

(1. 西安科技大学建筑与土木工程学院, 西安 710054; 2.苏交科集团股份有限公司, 南京 210019;3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 西安 710068)

隧道洞内外亮度差影响隧道出入口段的行车安全。车辆在进出隧道时,光环境的剧烈变化容易引起驾驶员视觉不适、环境感知障碍和判断失误。因此,有必要设置减光构筑物调节隧道外自然光,使之与隧道内人工照明光环境合理过渡。

目前,国内外学者对隧道出入口的驾驶员生理心理反应进行研究,杜志刚等[1]分析了进出隧道时驾驶员瞳孔面积的变化,得到隧道长度与驾驶员视觉明暗适应时间的定量关系。乔建刚等[2]通过实车试验,分析了驾驶员生理、心理反应与行车速度、隧道出入口长度以及光照强度的关系。基于隧道进出口的安全问题,许多学者从人眼适应角度对减光构筑物的设置形式及减光效果进行了大量研究。李英涛等[3]分析了驾驶员视觉恢复时间,推导出口减光构筑物的合理设置长度。遮阳棚作为减光构筑物的一种,具有良好的减光效果,许多学者对遮光棚的长度、透光率等设计参数进行了研究。王向等[4]基于遮阳棚实际工程案例进行数值模拟,建议设计时速为100 km/h的隧道入口段遮阳棚长度应不小于58 m。包逸帆等[5]基于视觉适应曲线提出一套针对不同设置长度和透光率的遮阳棚设计方案,并通过试验研究了遮阳棚对驾驶人明暗适应的特性的影响规律。白婧荣等[6]通过实车试验对驾驶员进出隧道时的瞳孔变化进行研究,指出隧道群全覆盖遮光棚能减小驾驶员明暗适应的心理负荷。刘群峰等[7]通过实际太阳模型,引入频闪效应可见度指标对格栅式遮光棚频闪效应进行了研究。此外,夏鹏曦等[8]研究了遮阳棚的透光率和季节性照度变化对人眼适应曲线的影响,并据此进行了遮阳棚的经济性分析。

上述研究表明,封闭式遮阳棚减光效果较好,可定量化设计,但通风效果差[9]。近年来,敞开式遮阳棚因通风方便、节能环保而受到关注。人们发现采用两侧镂空的遮阳棚既能减少隧道内照明耗能,又能合理通风[10],根据典型模型计算发现:侧面镂空式遮阳棚可有效降低隧道内外的照度差,还能明显改善遮阳棚的通风效果。

虽然敞开式遮阳棚可改善隧道洞口二次污染[11],但其光环境过渡效果还未得到广泛的研究,缺乏定量设计理论[12]。目前,敞开式减光构筑物的优化设计取决于与设计参数相对应的减光曲线。理论减光曲线反映了驾驶员正对洞口方向的20°视场范围内实测的平均亮度变化,其中平均亮度可根据国际照明委员会(Commission Internationale del’Eclairage,CIE)推荐方法计算[13]。然而,实际平均亮度受到周围环境反射、交通状况和太阳辐射的影响,定量获得实际减光曲线非常困难。但是,考虑到遮阳棚下路面亮度主要依赖于太阳辐射,而且驾驶员视场中遮阳棚与路面的占比相当,因此可以利用路面亮度的变化来近似模拟平均亮度的变化,用路面亮度曲线代替减光曲线,为遮阳棚下光环境的定量设计提供参考。

现依托实际工程,建立项目所在地的太阳辐照理论模型,通过定量分析绘制出不同侧向遮阳玻璃高度和挡墙高度的遮阳棚内路面亮度曲线,并基于亮度曲线进一步讨论遮阳棚侧向敞开高度、敞开位置和透光率等设计参数对路面亮度的影响。最后根据不同减光形式下的路面亮度曲线与人眼视觉适应曲线的相关程度,提出敞开式遮阳棚理论设计建议。

1 工程背景

以深圳市宝安机场-荷坳段高速公路(机荷高速)立体化改扩建项目为工程背景。原机荷高速多为地面层路段,扩建后拟采用高架桥上跨或隧道下穿增加通行车道。其中一处拟建隧道全长5 830 m,属特长隧道,出入口共4个,路线走向为东偏北47°,北纬22°38′,设计车速为100 km/h。

该隧道出入口段有显著的明暗光环境转换,为降低人眼对明暗转换的适应时间[14],避免驾驶员在进出隧道时出现明显的“黑洞”和“白洞”效应,宜在隧道进出口段进行光环境过渡,降低不良视觉效应的影响。因此,针对荷坳隧道段的路线走向和截面特征,拟采用敞开式遮阳棚对隧道出入口进行减光处理,其典型外观见图1。

图1 敞开式隧道遮阳棚

2 太阳辐射规律对遮阳棚的影响

2.1 遮阳棚模型

图1所示为典型的矩形截面半敞开式遮阳棚。为简化计算,太阳辐射按平行光考虑,且不计周围环境的漫反射。初拟遮阳棚长度为90 m[3],遮阳棚顶、侧向遮阳玻璃的透光率τ为0.3[8]。隧道内路面宽10 m,出口段截面高度6.5 m,则与之相接的遮阳棚宽度B为10.4 m,高度H为7.2 m。半敞开式遮阳棚的敞开高度为h,侧向遮阳玻璃高度为h1,挡墙高度为h2。

阳光经遮阳棚遮挡后照到路面的情景如图2所示。高度角(θ)越小,路面受到阳光直射的面积越大。敞开式遮阳棚路面总辐照度G0计算公式为

图2 遮阳棚路面光照示意

(1)

由式(1)可知,若遮阳棚高度H和路面宽度L不变,影响遮阳棚下路面总辐照度的主要因素有:太阳高度角θ、太阳辐照度G、玻璃透光率τ、敞开高度h、敞开位置(h1和h2)。

2.2 太阳高度角的季节变化

不考虑天气因素,太阳辐照度一般由太阳高度角θ、太阳辐射强度和地理位置3个因素共同决定。太阳高度角θ代表太阳光线与地平面之间的夹角,计算公式[16]为

θ=arccos(sinβsinδ+cosβcosδcosh)

(2)

式(2)中:β为隧道所在的纬度,其值为22°38′;δ为太阳赤纬角;h为太阳时角。图3所示为荷坳隧道8:00—12:00太阳高度角随季节变化曲线。总体来说,太阳高度角随季节周期变化,夏至最大,冬至最小,相差48°。并且在一天中,中午12:00最大,早晚(6:00—18:00对称)最小,相差55°。太阳高度角随季节变化幅度与其随时刻变化幅度相当。

图3 荷坳隧道各时刻太阳高度角季节变化曲线

2.3 太阳辐照度的季节变化

太阳辐射由直接辐射和散射辐射两部分组成,其中直接辐射通过大气层直射在地面,而散射辐射则由4个部分组成。根据Chenni[17]提出的晴天太阳辐射简化理论模型,可得到任意平面上受到的太阳总辐照度G为

G=Sncosθ+dd+di+dh+da

(3)

太阳散射辐照度Gd为

Gd=dd+di+dh+da

(4)

式中:Sn为太阳直接辐照度;dd为围绕太阳的散射辐射;di为各向同性的散射辐射;dh为地平圈散射辐射;da为地面散射辐射。通过MATLAB对式(1)～式(4)进行编程模拟实际太阳辐射变化规律,得到荷坳隧道8:00—12:00的太阳辐照度(G、Gd)随季节变化曲线,如图4所示。

图4 荷坳隧道各时刻太阳辐照度季节变化曲线

与太阳高度角的季节变化规律类似,太阳辐照度也表现为夏季高冬季低,冬夏辐照度差约为300 W/m2。在一天中,太阳辐照度中午12:00高,早晚低,相差约500 W/ m2。不同的是,太阳辐照度在夏至点没有明显峰值,只是在4—9月为高辐照度平台期,且中午(11:00—13:00)的太阳平均辐照度接近,约为1 100 W/m2。

2.4 太阳高度角与辐照度的组合影响

在敞开式遮阳棚中,单位路面总辐照度受到太阳高度角与辐照度的组合影响。图5所示为遮阳棚两侧完全敞开时(h1=0,h2=0),棚内路面辐照度的季节变化曲线。在太阳高度角和辐照度组合作用下,8:00与9:00—12:00的路面辐照度趋势相反。8:00的路面辐照度夏季高冬季低,夏季最大路面辐照度为640～660 W/m2;而9:00—12:00的路面辐照度夏季低冬季高,冬季最大路面辐照度为700～730 W/m2。

图5 荷坳隧道敞开式遮阳棚内路面总辐照度G0季节变化曲线

可见,太阳高度角和太阳辐照度对遮阳棚内路面总辐照度的影响作用不同。例如在夏至点12:00太阳辐照度比9:00高,且太阳高度角更大,但是其遮阳棚内太阳直射面积更小,导致对应的路面总辐照度反而是全年最小值。这说明在考察遮阳棚内路面总辐照度时,要综合太阳高度角、太阳辐照度和敞开式遮光棚结构参数的影响。

3 遮阳棚敞开高度、敞开位置与透光率研究

3.1 遮阳棚内外路面亮度

路面反射特性和路面总辐照度共同决定了路面亮度。路面反射特性取决于路面材料、磨损程度、干燥程度和颜色等因素,黑色沥青路面的平均照度与平均亮度的转化系数通常根据《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)取值为15 lx/(cd/m2)[18]。以9:00转折点(2月28日)的路面总辐照度(图5)作为所在位置的典型太阳辐照度,G为704 W/m2,被挡墙遮挡后阴影下辐照度Gd=100 W/m2。通过太阳辐照度可计算出人眼可见的光通量φv[19],公式为

(5)

式(5)中:φev为来自太阳的辐射通量;G为单位面积上的太阳辐射通量,即太阳辐照度;V(λ)为视见函数。路面照度Ev=φv/A则是单位面积的可见光通量,路面面积A上的光通量越大,人眼感受到的亮度也越大。通过规范得到遮阳棚外和隧道内入口段的平均路面照度、路面平均亮度值见表1,其中隧道内入口段路面平均照度采用k值计算方法,k值取值0.045。

表1 隧道内外路面平均照度与亮度

3.2 敞开高度对路面亮度曲线的影响

隧道出入口段常设置挡墙护坡,挡墙高度由出入口地形决定。图6所示为设置不同高度挡墙的遮阳棚下路面亮度变化曲线。图中水平轴0 m为遮阳棚起点,90 m为终点,竖轴为平均路面亮度值。以2月28日(季节转折点)9:00的两侧全敞开式遮阳棚路面辐照度为例,棚外路面亮度为3 635 cd/m2,隧道内路面亮度164 cd/m2,亮度差为3 472 cd/m2。若遮阳棚敞开高度和位置不变,棚内路面亮度保持不变,亮度过渡主要发生在棚内外和隧道口内外20 m范围内。

图6 不同挡墙高度的隧道接近段路面亮度曲线

由图6(a)可知,改变敞开高度可显著调节遮阳棚内路面亮度,敞开高度越大,隧道内外的亮度差越大,而遮阳棚内外的亮度差越小。比较图6(a)、图6(b)和图6(c)可知,侧向遮阳玻璃高度h1和挡墙高度h2共同决定了侧面敞开高度的调节空间。无侧向遮阳板时(h1= 0),h可以从2.2 m变化到7.2 m,棚内路面亮度可调节范围为1 250～3 250 cd/m2。当侧向遮阳板高度h1增加到4 m时,遮阳棚敞开范围减小,棚内路面亮度可调节范围相应减小到1 150～2 000 cd/m2。

图7所示为设置不同遮阳玻璃高度的遮阳棚内路面亮度变化曲线。比较图7(a)、图7(b)和图7(c)可知,挡墙高度也可以起到调节侧向敞开高度的作用,挡墙高度越大,棚内路面亮度的调节范围越小。例如挡墙高度为4 m时,h只可从1.2 m变化到3.2 m,棚内路面亮度可调节范围为950～1 600 cd/m2。

图7 不同遮阳玻璃高度的隧道接近段路面亮度曲线

3.3 敞开位置对路面亮度曲线的影响

由前述可知,遮阳棚内路面亮度与其敞开高度成正比,敞开高度是路面亮度的主要影响因素。而在一定的敞开高度下,敞开位置也是影响棚内路面亮度的一个因素。图8所示为不同敞开高度遮阳棚下路面亮度随敞开位置变化曲线。侧向遮阳玻璃高度越高,则挡墙高度越低,对应的棚内路面亮度和隧道口亮度差就越大。反之,挡墙高度越大,则侧向遮阳玻璃高度越小,对应的棚内路面亮度和棚外亮度差就越大。

图8 不同敞开高度和位置的遮阳棚内路面亮度变化曲线

值得注意的是,敞开高度越低,敞开位置可调节范围越大。当敞开高度为2.2 m时,敞开位置变化引起的路面亮度变化范围为1 200～1 700 cd/m2,调节幅值为500 cd/ m2;当敞开高度为3.2 m时,敞开位置可调节路面亮度的幅值为400 cd/ m2;当敞开高度为4.2 m时,敞开位置变化引起的调节幅值为300 cd/ m2。但另一方面,敞开位置对棚内路面亮度的影响不如敞开高度明显,即使在敞开高度较小(2.2 m)的遮阳棚下,敞口位置对路面亮度调节范围也仅为500 cd/m2。为了达到更好的亮度过渡效果,可以结合实际的挡墙高度h2调节遮阳玻璃高度h1,从而调节棚内的路面亮度。

3.4 透光率对路面亮度曲线的影响

前述研究中,顶、侧部的遮阳玻璃透光率τ均设定为0.3。图9所示敞开高度为3.2 m的遮阳棚内路面亮度随透光率变化曲线。由图9可知,随着透光率的增加,路面亮度线性增加,且其增长斜率与侧向遮阳玻璃高度成正比。这说明在敞开高度和位置不变时,改变遮阳玻璃高度和透光率是定量调节路面亮度的有效手段。

图9 路面亮度与遮阳玻璃透光率关系(h = 3.2 m)

3.5 路面亮度曲线与人眼视觉适应曲线对比

3.5.1 遮阳棚人眼视觉适应曲线

参考国际照明委员会(CIE)的建议[13],可得到驾驶员视觉适应亮度L公式为

L=Lv(1+t)-1.4

(6)

式(6)中:Lv为遮阳棚外的路面亮度;t为驾驶员在遮阳棚内的行驶时间,遮阳棚起点处t=0。

由此可计算出人眼对遮阳棚下路面亮度适应曲线。为使遮阳棚外与隧道内光环境自然过渡,应尽可能使遮阳棚内路面亮度曲线与人眼视觉适应曲线一致。

3.5.2 不同参数组合的亮度变化曲线

国际照明委员会CIE建议采取三台阶减光方式过渡隧道内外亮度差[13]。图10所示为遮阳棚在高、低挡墙情况下三台阶减光方式的路面亮度曲线。其中,红色虚线和蓝色虚线分别为挡墙高度为2 m和4 m时通过调整h1形成的三台阶路面亮度曲线,红色实线和蓝色实线分别为二者的拟合曲线。人眼视觉适应曲线(黑色实线)在起点段与红色实线更接近,在终点段与蓝色实线更接近。为比较路面亮度曲线与人眼视觉适应曲线的相关程度,计算了挡墙高度为2 m和4 m时两条三台阶折线(图10中的红色虚线和蓝色虚线)与人眼视觉适应曲线的平均绝对误差,公式为

图10 三台阶减光形式遮阳棚内路面亮度变化曲线

(7)

式(7)中:xi与yi分别为亮度曲线和人眼视觉适应曲线第i点的亮度值。相对于人眼适应曲线,挡墙高度为2 m与4 m时的三台阶亮度曲线平均绝对亮度差分别为610.12 cd/m2和317.44 cd/m2,整体小于单台阶亮度曲线的平均绝对亮度差671.33 cd/m2(h2=2 m,h1=2 m)和517.23 cd/m2(h2=4 m,h1=2 m)。可见,增加减光台阶和挡墙高度可有效提升遮阳棚内路面亮度曲线与人眼视觉适应曲线的相关度。

为进一步使路面亮度变化曲线接近人眼视觉适应曲线,还可以综合利用敞开位置(侧向遮阳玻璃高度和挡墙高度组合)的变化,更加精细地调节路面亮度曲线。图11给出了3种组合减光形式的路面亮度曲线:全长线性减光形式;分段线性减光形式(前60 m线性变化,后30 m不变);三台阶减光形式(挡墙高度不变,侧向遮阳玻璃高度三台阶变化)。由图11可知,全长线性减光形式布置的遮阳棚内路面亮度变化均匀,但路面亮度曲线与人眼视觉适应曲线相差较大。三台阶减光形式的遮阳棚内路面亮度变化不均匀,但其拟合曲线与人眼适应曲线的较为接近。而分段线性减光形式的遮阳棚内路面亮度曲线介于上述二者之间。

图11 不同参数组合(h1、h2)下3种减光形式遮阳棚内路面亮度变化曲线

通过路面亮度曲线变化的趋势可以看出,路面亮度按照三台阶减光形式进行设计,与人眼适应曲线存在一定程度上的差异。设计者可以采用多台阶减光形式,如侧向遮阳玻璃高度连续递减、挡墙高度多次递增和多段玻璃透光率变化组合等精细措施进一步优化路面亮度曲线。另外,当隧道内外亮度差过大时,还可提高隧道入口处照明水平,降低遮阳棚两端亮度差,从而更易得到贴近人眼适应曲线的路面亮度曲线。

4 结论

结合太阳高度角与太阳辐照度在一年中的实际变化规律,研究了遮阳棚侧向敞开高度、敞开位置以及透光率对行车路面亮度曲线的影响,总结出以下几点设计建议。

(1)计算路面总辐照度时应综合考虑太阳高度角与太阳辐照度的组合影响。太阳高度角与太阳辐照度都随季节和时刻变化,但是二者的变化趋势不同。

(2)敞开高度、敞开位置和透光率共同决定了遮阳棚内的平均路面亮度,其中敞开高度对棚内路面亮度影响最为显著。

(3)在特定的敞开高度下,敞开位置和透光率也能在一定程度上调节棚内路面亮度。基于棚内路面亮度与敞开高度、敞开位置及透光率的定量关系,可以合理设计遮阳棚减光形式,使路面亮度曲线更贴近人眼适应曲线。

具体计算数据受制于项目所在地理位置和隧道结构参数,未考虑复杂天气对路面亮度的影响,但研究所得的设计建议与隧道走向无关,考虑太阳辐射规律修正后可推广到一般隧道的遮阳棚。该设计建议可以优化棚内路面亮度曲线,提高驾乘人员进出隧道的行车舒适性。