超多车道高速公路超宽沥青路面水膜厚度分析★

方 鹏，柯能信，连军红，苏 芳

(1.广西建设职业技术学院管理工程学院,广西 南宁 530007;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430056)

随着经济的快速发展,部分高速公路已经出现了明显的拥堵现象。越来越多的高速公路改扩建工程建成投入使用或正在建设和规划,为我国实现高质量发展和交通强国建设,全面建成社会主义现代化强国提供了有力的支撑。为解决道路通行能力的问题,改扩建工程通常采用扩宽通行段面的方法,例如“四改八”或“六改十”。超宽断面虽然提高了交通能力,但也增大了路面径流路径,增加了路面积水风险[1-3]。现行我国公路排水设计主要参考《公路路线设计规范》《公路路基设计规范》《公路排水设计规范》《排水沥青路面设计与施工技术规范》等,对高速公路路界内地表排水、地下排水以及路面结构内部排水、附属设施构造物排水构造及水力计算均有具体要求,基本能满足一般公路设计要求[4-6]。但在实际使用时,十车道及以上超多车道的超高渐变段以及多车道+辅助车道+变速车道形成的超宽断面时常出现降雨时路面积水,而积水在路面形成水膜,降低路表与车胎的附着力,导致车辆发生水滑[7-9]。更进一步,超多车道如何选取项目所在地区降雨强度指标、如何建立路面排水计算模型,如何评价路面排水能力,以及如何提高路面排水能力等问题尚无规范标准可参考。

1 水膜厚度计算

国内外大量研究表明,高速公路降雨天行车安全与路面水膜厚度直接相关。自20世纪60年代,Ross等基于室内试验或现场试验成果建立模型,回归分析得出水膜厚度的经验公式,后续道路工作者对路面水膜计算展开了大量研究[10-12]。其中罗京等精度较高,可应用到已知道路平纵线形和路表构造特征的路段[13-14]。经回归得到式(1):

d=0.068L0.32I0.41T1.17i-0.31

(1)

其中,d为水膜厚度,mm;L为排水长度,m;I为降雨强度,mm/h;i为路面坡度;T为构造深度,mm。

此外国内外经典水膜计算公式还有,Gallaway B.M.等于1979年,在无风环境下,开展室内路面水膜厚度观测试验,提出了水膜厚度预测公式(式(2)),该公式被美国交通部应用。

d=0.014 85(T0.11L0.43I0.59i-0.42)-T

(2)

其中,d为水膜厚度,mm;L为排水长度,m;I为降雨强度,mm/h;i为路面坡度;T为构造深度,mm(推荐采用0.5 mm)。值得一提的是,式(2)在使用时仅在车速范围55 km/h～95 km/h时有效。

季天剑、黄晓明等在室内人工模拟降雨试验,利用连通器原理实测了水膜厚度,并回归得到式(3):

d=0.158L0.671 5I0.778 6T0.726 1i-0.314 7

(3)

其中,d为水膜厚度,mm;L为排水长度,m;I为降雨强度,mm/min;i为路面坡度;T为构造深度,mm。

为了研究高强度降雨条件下十车道及以上的超宽路面长距离排水路径路面水膜厚度变化规律,本文以上述式(1)—式(3),分别简称方法A,B,C,依托南方某高速公路改扩建项目,分别计算半幅五车道以及上超宽断面轮迹带水膜厚度。

2 水膜厚度影响因素分析

2.1 降雨强度

降雨是路面径流的主要水量来源,研究路面排水需要首先明晰降雨条件。该工程位于我国南部沿海,属东亚季风区,降雨资源丰富,受地理条件和季风的影响,省域内降雨时空分布特征十分显著,年平均降雨量在1 800 mm以上,属于多雨地区。短时内强降雨现象多发,道路积水严重。

根据《公路排水设计规范》相关规定,当地气象站有10年以上自记雨量计资料时,宜利用气象站观测资料,经统计分析,确定相关参数后按式(4)计算设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度。

(4)

其中,ap=c+dlgP;t为降雨历时,min;P为重现期,a;b,n,c,d均为回归系数。

但考虑到该地区的降雨强度计算公式为20世纪60年代—80年代气象观测站降雨数据统计分析得来,而近20年来由于全球变暖,极端降雨天气明显增多,年降雨量也显著增大,该公式已不符合现状。本文引入降雨强度可靠度,其定义为:降雨强度小于I时总降雨量占历年总降雨量的比例,即降雨强度I的可靠度[15]:

可靠度=QW

(5)

其中,QW

表1 降雨强度与对应的累计降雨次数占比和降雨强度可靠度的关系

以半幅五车道,横坡2.5%,纵坡0%,构造深度0.8 mm,降雨强度可靠度为85%,90%,95%时,分别用方法A,B,C计算路面水膜厚度,见表2。

总体上,降雨强度的可靠度越大,三种计算方法得到路面水膜厚度值也越大;方法C预测的路面水膜厚度大于A,B,不同降雨可靠度水膜厚度计算值均超过3 mm,且当降雨可靠度为95%时,值接近4 mm;A,B两种方法计算得到值较为接近,二者相差约为0.2 mm。查阅相关资料和调研,本项目取95%降雨强度可靠度较为合理[16]。

2.2 路面宽度

以半幅五、六、七、八车道,横坡2.5%,纵坡0%,构造深度0.8 mm,降雨强度可靠度为95%时,分别用方法A,B,C计算路面水膜厚度,其值如图1所示。

由图1可知,半幅五车道及以上,轮迹带水膜计算厚度三种计算方法得到水膜厚度均大于2.5 mm,即如果以2.5 mm作为路面临界水膜厚度值,那么五车道以及上超宽断面存在系统性滑水风险。三种计算方法轮迹带水膜计算值C>B>A。当半幅车道数为5时,B比C约小0.9 mm,B比A约大0.2 mm,随着车道数增加,路面宽度变大,排水路径变长,A,B,C三者之差进一步变大。其中方法A每增加一个车道数,水膜厚度约增加0.25 mm,方法B每增加一个车道数,水膜厚度约增加0.3 mm,方法C每增加一个车道数,水膜厚度约增加0.5 mm。

2.3 路面坡度

1)横坡。雨水滴落至公路表面后,将在重力作用下沿着合成坡度方向排至路外。当合成坡度较小时,路面较为平缓,沿公路切线方向的重力分力较小,同时受到雨水内部黏滞力和路面摩擦力的作用,雨水往往不能及时排出路表,从而滞留在路表内造成路面积水。因此,合成坡度坡度的大小影响路表效率。在公路路面二维平面内,宽度远远小于长度,主要靠横坡将水排出路界。

根据现行规范有关坡度规定,本文此部分以半幅六车道,纵坡0.3%,构造深度0.8 mm,降雨强度可靠度为95%时,横坡由1.5%,1.7%,1.9%,2.0%,2.2%,2.4%,2.5%,2.8%,3.0%分别用方法A,B,C计算路面水膜厚度,其结果如图2所示。

由图2可知,半幅六车道横坡在1.5%～3%范围内路面轮迹带水膜计算厚度方法C>B>A。其中,方法A横坡由1.5%变至3%,路面轮迹带水膜厚度约减少0.5 mm,方法B减少约1.2 mm,方法C减少1.1 mm。从三种方法的指数趋势曲线可知,随着横坡变大,水膜厚度值变化率越趋于平缓,这表明当横坡达到某一值后,再通过增加横坡值来减小路面水膜厚度,收益越来越小,且通过调整横坡来减小水膜厚度效果有限。

2)纵坡。为了满足路面排水的需要,国内外对公路的纵坡坡度都进行了规定,最小纵坡要求:《日本道路构造法》中给出纵断面排水坡度值在0.3%～0.5%间较为合适;美国绿皮书规定公路最小纵坡宜为0.5%,在路基强度较好的铺装路面上,最小纵坡可以采用0.3%;英国《路桥设计手册》中规定,最小纵坡应采用0.5%。我国《公路路线设计规范》中:公路纵坡不宜小于0.3%,横向排水不畅的路段,采用平坡(0%)或小于0.3%的纵坡时,其边沟应作纵向排水设计。此部分以半幅六车道,横坡2.5%,构造深度0.8 mm,降雨强度可靠度为95%时,纵坡为0.3%,0.5%,1.0%,1.5%,2%,2.5%,3%,3.5%,4%,分别采用方法A,B,C计算路面水膜厚度,结果如图3所示。

从图3中可知,计算路面水膜厚度总体方法C>B>A,C比B大1.3 mm～2.5 mm,B比A大约0.25 mm;随着路面纵坡由0.3%变至4%,C计算得到路面水膜厚度并没有变小反而变大,这是由于在纵坡变大的同时,合成纵坡变大,排水路径也变大,反映在计算厚度也变大。

随着路面纵坡由0.3%变至4%,A和B计算得到路面水膜厚度几乎不变,这表明调整纵坡对于超宽断面的水膜厚度几乎没有影响,在工程实践中,高速公路改扩建工程通过调整纵坡来改善排水状况,几乎不起作用。另一方面如果以2.5 mm作为路面临界水膜厚度,即使将路面坡度调整到规范规定限制(横坡2.5%,纵坡4%),三种计算方法得到路面水膜厚度均大于该值,说明超宽断面仅仅通过调整坡度无法规避行车滑水风险,需寻求其他措施。

2.4 超高渐变段

通过对半幅五车道超高渐变段水流情况进行数值模拟,其中R-1 685,纵坡分别为1.2%和0.5%,路拱横坡2.5%,超高4%;附近路段的排水情况如图4所示。

其计算结果如表3所示。

表3 不同计算方法水膜厚度值

从表3可知,当改超高渐变段的纵坡为1.2%,不增设路拱线时,其排水长度为120.9 m,路面最大水膜厚度达5.86 mm,远大于正常路段的水膜厚度。在二、三车道之间增设一条路拱线,内侧半幅排水长度为50.12 m,外侧半幅排水长度为69.64 m,对应的水膜厚度分别为3.84 mm和4.50 mm,即内侧半幅水膜厚度减小了约2 mm,外侧半幅水膜厚度减小约1.3 mm,这表明在多车道断面间人为增设一条路拱线能有效减小路面的水膜厚度。

3 结语

本文依托南方某高速公路“六改十”改扩建工程项目,采用不同经验公式分别计算十车道及以上超多车道超宽断面路面水膜厚度,并分析不同因素对其的影响,得出以下结论,为后续高速公路路面排水设计、研究提供参考:1)车道数增多,路面宽度变大,路面水流的排水路径变长,路面水膜厚度会变大,其中方法A每增加一个车道数,水膜厚度约增加0.25 mm,方法B每增加一个车道数,水膜厚度约增加0.3 mm,方法C每增加一个车道数,水膜厚度约增加0.5 mm。路面水膜变厚带来的行车安全风险也会变大。2)采用散排、适当增加路面综合坡度、在改扩建新旧路面处增设路拱线等方式能有效减小路面水膜厚度,而高速公路改扩建工程仅通过调整纵坡来改善排水状况,几乎起不到作用。3)近20年来由于全球变暖,极端降雨天气明显增多,年降雨量也显著增大,公路排水规范、手册中的降雨强度计算公式已不符合现状,建议结合降雨强度可靠度概念选用合理的数值。4)目前,高速公路排水措施何时设置、能起到什么样的排水效果,大都以经验为主,缺乏量化评价指标;而以“减小的路面水膜厚度值”作为评价指标值得进一步深入研究。