公路主體設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能減排的考慮

盧曉紅 陳小妮 裴月玲

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100083）

公路主體設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)能減排的考慮

盧曉紅 陳小妮 裴月玲

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100083）

為了盡量減少汽車的排放，降低汽車的油耗，從合理確定車道數(shù)、路面結(jié)構(gòu)、道路縱坡及均衡合理的運(yùn)行速度四個(gè)方面，論述了從公路主體設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)輸節(jié)能減排的方法，從而提高道路的服務(wù)水平。

節(jié)能減排，公路設(shè)計(jì)，交通條件

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，汽車走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，給人們的出行帶來(lái)了極大的方便，甚至改變了人們的生活方式。但同時(shí)，其帶來(lái)的能源消耗也不可小覷，道路條件和交通條件成為影響汽車能耗的重要因素，道路條件主要包括路面平整度和道路平均縱坡，交通條件主要包括行車速度和道路的通行狀況。我們可以用汽車運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)成本直觀的反映汽車的能耗情況，以小客/小貨為例，如表1“公路條件及交通條件對(duì)汽車運(yùn)輸成本的影響”所示。為了盡量減少汽車的排放，降低汽車的油耗，公路主體設(shè)計(jì)方面主要考慮了以下幾點(diǎn):

1）根據(jù)交通量預(yù)測(cè)結(jié)果，確定合理車道數(shù)，以保證道路設(shè)計(jì)年限內(nèi)的服務(wù)水平;2）確定合理路面結(jié)構(gòu)，路基路面排水方式，保證路面抗滑性;3）確定合理的道路縱坡，降低油耗;4）保證設(shè)計(jì)路段內(nèi)均衡合理的運(yùn)行速度。

1 合理確定車道數(shù)，保證道路服務(wù)水平

高質(zhì)量的服務(wù)水平使交通流能以平穩(wěn)速度暢通運(yùn)行，減少了汽車運(yùn)行中因停車、加減速引起的能源消耗及尾氣排放。因此，在公路設(shè)計(jì)中，根據(jù)交通量預(yù)測(cè)結(jié)果，合理確定車道數(shù)，有效提高道路通行能力，保證道路設(shè)計(jì)年限內(nèi)服務(wù)水平，是實(shí)現(xiàn)公路交通運(yùn)輸中節(jié)能減排的重要前提與保障，《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中做出了明確地規(guī)定。

表1 公路條件及交通條件對(duì)汽車運(yùn)輸成本的影響

可根據(jù)現(xiàn)行的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定及項(xiàng)目需要、設(shè)計(jì)速度、項(xiàng)目相應(yīng)需采用的服務(wù)水平等因素進(jìn)行車道數(shù)的計(jì)算。

1.1 有關(guān)系數(shù)的確定

1）設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù)（K）。

設(shè)計(jì)小時(shí)交通系數(shù)（K）是指設(shè)計(jì)小時(shí)交通量與年平均日交通量的比值，對(duì)于多車道公路，可運(yùn)用設(shè)計(jì)小時(shí)交通量確定車道數(shù)與路幅寬度。

2）方向不均勻系數(shù)（D）。

通行能力和服務(wù)水平隨交通流方向性分布變化而變化，對(duì)于多車道公路不同方向交通流分布相對(duì)均衡，但對(duì)于雙車道公路、城市出入口道路、旅游公路等，由于不同方向上流量的相互影響性、交通流受時(shí)間性、季節(jié)性干擾明顯，使交通流分布具有強(qiáng)烈的方向性。方向不均勻系數(shù)（D）可根據(jù)已有道路的斷面觀測(cè)資料，綜合考慮未來(lái)項(xiàng)目影響區(qū)路網(wǎng)狀況確定。

3）高峰小時(shí)修正系數(shù)（PHF）。

由于阻塞流量的動(dòng)態(tài)特性，幾分鐘的交通阻塞就需要很多時(shí)間才能消散延誤的交通流，這期間將產(chǎn)生額外的能源消耗，及增加環(huán)境污染程度，因此，合理運(yùn)用高峰小時(shí)系數(shù)有效確定道路通行能力，避免擁堵顯得尤為重要。PHF值越低表示在高峰小時(shí)中流量的可變性越大。

4）車道寬度及側(cè)向凈空修正系數(shù)（fW）。

該系數(shù)是根據(jù)車道數(shù)、車道寬度，至障礙物的最近距離，以及單側(cè)障礙物還是兩側(cè)都有障礙物而確定的。

5）大型車修正系數(shù)（fHV）。

式中:PHV——大型車交通量占總交通量的百分比;

EHV——大型車換算成小客車的車輛換算系數(shù)，取值可在《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中查得。

6）駕駛員總體特征修正系數(shù)（fP）。

不同特征的交通流使用高速公路的效益存在一定的差別，常規(guī)通勤車駕駛員或者其他常規(guī)駕駛員對(duì)最大服務(wù)流率沒(méi)有影響。選值時(shí)，應(yīng)結(jié)合有關(guān)道路及其周圍環(huán)境的綜合知識(shí)來(lái)分析，以保證其準(zhǔn)確度。

1.2 基本關(guān)系式

其中，SFi為實(shí)際道路和交通條件下，i級(jí)服務(wù)水平單向N車道的服務(wù)交通量，輛/h;MSFi為理想條件下，i級(jí)服務(wù)水平提供的每車道最大通行能力，pcu/ln/h;DDHV為單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量，pcu/h;PHFi為i級(jí)服務(wù)水平時(shí)高峰小時(shí)修正系數(shù);AADT為預(yù)測(cè)年平均日交通量，pcu/d;K為設(shè)計(jì)小時(shí)交通量系數(shù);D為方向不均勻系數(shù);N為單向車道數(shù);Cj為理想條件下設(shè)計(jì)車速為j時(shí)，單車道基本通行能力，pcu/ln/h;（V/C）為理想條件下，最大服務(wù)交通量與基本通行能力之比;fW為車道寬度和（或）側(cè)向凈空受限制的修正系數(shù);fHV為交通流中重型車輛（大貨車、特大貨車、拖掛車、集裝箱車和大客車）影響的修正系數(shù);fP為駕駛員總體特征影響的修正系數(shù)。根據(jù)以上論證及表1，以小客為例，可看到汽車運(yùn)輸成本與擁擠度的關(guān)系如圖1所示。因此，在公路設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，合理確定車道數(shù)，以保證高質(zhì)量的道路服務(wù)水平，從而可以降低車輛運(yùn)行中的能耗，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 汽車運(yùn)輸成本與擁擠度關(guān)系圖

2 確定合理路面結(jié)構(gòu)，路基路面排水方式，保證路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的平整度

路面應(yīng)具有平整、密實(shí)、抗滑、耐久的品質(zhì)，并具有高溫抗車轍、低溫抗開裂，以及良好的抗水損害能力，以保證道路使用年限內(nèi)的平整度。道路的平整度與燃料、潤(rùn)滑油、輪胎、修理的人工費(fèi)、修理的材料費(fèi)以及車輛的折舊等的消耗都有關(guān)系，以小客、小貨車為例，具體的影響關(guān)系見表2。

表2 路面平整度影響因素

為了保證道路路面的平整度，設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮以下方面:

1）保證路基填土壓實(shí)度，做好排水設(shè)計(jì)，防止地面水和地下水侵入路面、路基，保證路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使路基處于干燥或中濕狀態(tài)，土基回彈模量值應(yīng)大于30 MPa，重交通、特重交通公路土基回彈模量值應(yīng)大于40 MPa。2）根據(jù)預(yù)測(cè)交通量、車型比例、瀝青路面設(shè)計(jì)年限、路基頂面回彈模量、基層底基層的抗壓模量、路面類型等參數(shù)，做好路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證路面表面層具有平整密實(shí)、抗滑耐磨、抗裂耐久的性能;中下面層應(yīng)具有高溫抗車轍、抗剪切、密實(shí)、基本不透水的性能;下面層具有耐疲勞開裂的性能。基層作為主要承重層，應(yīng)具有穩(wěn)定、耐久、較高的承載力，與底基層一起承受車輪荷載的反復(fù)作用。

3 確定合理的道路縱坡，降低油耗

坡度對(duì)油耗的影響在于，一方面隨坡度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率會(huì)增加，另一方面，在同樣的速度下，坡度增加可能會(huì)使汽車降低擋位，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高。公路縱坡設(shè)計(jì)合理與否，直接影響著公路工程造價(jià)，同時(shí)，對(duì)運(yùn)行車輛的速度和油耗也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。汽車油耗隨縱坡坡長(zhǎng)的變化按冪函數(shù)形式y(tǒng)= ax±b的規(guī)律變化，而根據(jù)研究，將各種縱坡坡度與所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定油耗進(jìn)行回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者呈直線相關(guān)關(guān)系。隨著道路縱坡坡度的不斷增大，在相應(yīng)路段提高行車速度所產(chǎn)生的油耗也會(huì)快速增加，因此，公路縱坡設(shè)計(jì)中應(yīng)在考慮項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也要注重運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益，使兩者和諧統(tǒng)一，以避免造成能源及資金的浪費(fèi)。

4 保證設(shè)計(jì)路段內(nèi)均衡合理的運(yùn)行速度

運(yùn)行車速主要受駕駛?cè)诵袨椤⒔煌ㄌ卣鳎ㄜ囕v狀況）和公路狀況三方面因素影響，這里我們僅探討在駕駛?cè)诵袨榧敖煌ㄌ卣鳎ㄜ囕v狀況）處于理想狀態(tài)時(shí)，公路設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)行速度的影響。為保證運(yùn)行速度的主要因素包括平曲線半徑、縱坡與路基寬度，下面我們將分別從這三個(gè)方面進(jìn)行論證。

1）圓曲線。通過(guò)以下公式確定一定運(yùn)行速度下圓曲線半徑:

汽車在曲線上行駛與在直線上行駛的能源消耗不同，設(shè)計(jì)時(shí)在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指標(biāo)基礎(chǔ)上，就特殊的設(shè)計(jì)事項(xiàng)而言，應(yīng)從行車安全角度考慮，采取合理指標(biāo)，盡量避免采用極限值。

2）縱坡。為保證公路基本通行能力，貨車在不同坡度時(shí)的運(yùn)行速度及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)速度如表3所示。

表3 縱坡與速度對(duì)照表

3）路基寬度。路基寬度由中央分隔帶、左側(cè)路緣帶、行車道、右側(cè)路緣帶及路肩構(gòu)成。其中行車道的寬度由標(biāo)準(zhǔn)車輛寬度（2.5 m）和動(dòng)態(tài)凈空確定，速度與動(dòng)態(tài)凈空的關(guān)系見表4。路基寬度的選擇，應(yīng)首先論證確定各構(gòu)成部分尺寸，然后疊加確定。應(yīng)結(jié)合自然條件靈活掌握，根據(jù)不同地形存在的顯著差異，設(shè)計(jì)速度的取值可以不同，以便利于速度以連續(xù)、均衡的方式變化，保證行車安全的同時(shí)，降低因速度變化帶來(lái)的汽車運(yùn)行能耗。

表4 設(shè)計(jì)速度與動(dòng)態(tài)凈空的關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

從公路主體設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)輸節(jié)能減排的目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮道路服務(wù)水平、路線的平縱優(yōu)化設(shè)計(jì)和路基路面結(jié)構(gòu)及排水設(shè)計(jì)，結(jié)合景觀綠化、環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，著眼于全局，多方位、多角度地從細(xì)微處入手，開展設(shè)計(jì)工作。

Considering energy conservation and em ission reduction in the design ofm ain highway structure

LU Xiao-hong CHEN Xiao-ni PEI Yue-ling

（China Highway Engineering Consulting Group Co.，Ltd，Beijing 100083，China）

In order to reduce car emission asmuch as possible and to lower down car petroleum consumption，starting from four aspects of rationally determining toll lane，pavement structure，longitude road slope and balanced operation speed，the essay discussesmethods of realizing highway transportation energy conservation and emission reduction from the angle ofmain highway design，so as to improve the highway service level.

energy conservation and emission reduction，highway design，transportation condition

U412.3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2012.18.047

1009-6825（2012）18-0147-02

2012-04-21

盧曉紅（1981-），女，工程師