平縱組合設計對高速公路寬幅路面排水效率的影響研究

孫振海　曹帆　楊森順　陳強

摘要：為改善寬幅高速公路路面排水效率，文章研究了路線平縱組合設計對排水效率的影響，分析了排水效率表征方式，闡述了路幅寬度、橫坡、縱坡及合成坡度對水膜厚度的影響，提出了提高寬幅路面排水效率的技術措施，對于改善寬幅路面易積水現狀、提升寬幅路面公路行車安全具有積極作用。

關鍵詞：道路工程;寬幅路面;平縱組合;排水效率

中國分類號：U412.36文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，公路交通流量進一步增大，對高速公路的要求也越來越高。原四車道高速公路逐漸無法滿足交通流量增大的需求，需對其進行改擴建。此外就新建高速公路而言，部分主要干線公路預測交通量較大，建設時便要求按六車道或八車道標準進行建設。隨著改擴建及超寬車道公路建設的增多，寬路幅高速公路占比逐步提升。就多雨地區而言，高速公路排水效率一直是路面設計關注的焦點。隨著路幅寬度的不斷增加，給路面排水效率帶來了新的難題。

高速公路設計通常由平面、縱斷面及橫斷面三部分及其組合設計構成。公路線形組合是否合理、協調，直接影響到高速公路排水效率。路面排水的可靠性不僅與平面線形、橫坡及縱坡有關，而且與平縱組合是否協調密切相關。線形標準均符合規范，但平縱組合不良仍然會導致路面發生積水，特別對于寬幅路面，影響將會更大。鑒于此，論文開展路線平縱組合設計對高速公路寬幅路面排水效率研究，擬探索路線平面、縱斷面及橫坡指標對排水效率的影響，并提出寬幅路面平縱組合設計建議。

1 排水效率表征模型

為進一步量化寬幅路面排水效率，本文引入水膜厚度對排水效率進行表征。就已有技術而言，目前對水膜計算采用較多的方法為數學物理方程計算法、概率法、模型分析及分布式系統分析法等。國外Anderson等利用人工坡面降雨試驗，詳細研究了降水強度、橫坡、縱坡及排水寬度對水膜厚度的影響，并得到了相應的水膜厚度公式;Ross、Russam等通過觀察法及現場試驗法，提出了水膜厚度計算公式。國內季天劍、黃曉明等利用連通器原理，對不同路面結構類型的水膜厚度開展了研究，并建立了預估水膜厚度的基本模型。

2 平縱組合對排水效率的影響分析

公路路表水膜一般是由路表水沿縱坡與橫坡合成方向運動過程中積累而成。由于水膜對輪胎及路表的潤滑作用，公路摩擦系數將明顯降低，汽車在行駛過程中，極易因打滑而發生交通事故。此外，水膜的形成將在汽車輪胎吸附作用下形成水霧，影響后車行駛視線，從而造成安全隱患。影響公路水膜厚度的主要因素有：摩擦系數、降水強度，橫坡、縱坡及路幅寬度等。本文分別對不同路面寬度、橫坡及縱坡下的水膜厚度變化進行了分析。在研究過程中，根據高速公路設計標準和平縱組合情況，保持其他條件不變，對一種影響因素的改變進行水膜厚度影響研究。

2.1 路面寬度對水膜厚度的影響分析

分析過程中，以單幅雙車道、三車道、四車道、五車道及六車道為例，研究路面寬度對水膜厚度的影響（實際實施過程中高速公路單幅車道數大于四車道后，應采用復合式斷面處理）。其對應單幅寬度如表1所示。

研究過程中，控制道路縱坡（取2%），橫坡（取2%）、粗糙系數（取0.013）、降雨強度（取3 mm/min）均為一個定值，水膜厚度隨著路面寬度變化曲線如圖1所示。

由圖1可知，水膜厚度隨著路面寬度的增加逐漸增厚，且增加幅度較為明顯。其機理為當路幅寬度相對較小時，路面水流可快速從路幅邊緣排出，使路面水膜厚度保持在相對較低的平衡狀態，隨著路面寬度的增大，水流排至路幅邊緣的時間逐漸增加，造成部分水流排出不及時而淤積，以致水膜厚度增加。由此可見，當高速公路單幅路幅寬度由普通雙車道改擴建至六車道或八車道時，抑或新建高速公路車道數為六車道或八車道時，路面排水效率與傳統雙車道高速公路相比，有較大幅度的降低。

2.2 橫坡對水膜厚度的影響分析

分析過程中，以0.3%、0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%及5%為例，研究路面橫坡對水膜厚度的影響。研究過程中，控制道路的縱坡（取2%）、路面寬度（取42 m，單側路面寬度為15 m）、粗糙系數（取0.013），降雨強度（取3 mm/min）均為一個定值，水膜厚度隨著路面橫坡變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，水膜厚度隨著橫坡的增大而逐漸降低，當橫坡進一步增大時，水膜厚度的降低幅度逐漸減小，路面橫坡在0～1.5%之間水膜厚度變化最明顯，對水膜厚度影響最大。其機理為當路面橫坡較小并接近于0時，路面水排出缺乏動力支撐，路面因大范圍積水而造成較厚水膜;隨著橫坡增大，支撐水流向路幅邊緣流動的分向力增大明顯，路面積水排出速度增加明顯，從而造成水膜厚度大幅度降低;而隨著路面橫坡進一步增大，水流在重力分向力作用下已逐漸能夠滿足水流流出，橫坡增大對水流流出時間影響較小，從而造成水膜厚度減小幅度不大。

2.3 縱坡對水膜厚度的影響分析

由圖3可知，水膜厚度隨著縱坡增大而增厚，縱坡大小變化對水膜厚度影響幅度較為平緩，縱坡變化對水膜厚度的影響有限。其機理為當縱坡較小但橫坡取2%正常值時，水流可通過橫坡正常排出至路幅外;隨著縱坡的增大，水流縱向流速逐漸增大，但整體仍能保證通過橫坡流出路幅之外，水膜厚度增加并不明顯。隨著縱坡增大，水膜厚度略有提升的原因在于：縱坡增大造成水流縱向分力增加，橫向與縱向的合成水流方向朝路線縱向偏移，造成水流流出路幅效率減慢、水膜厚度增加，但整體影響不大。

3 寬幅路面平縱組合設計建議

通過分析以上水膜厚度影響因素可知，對水膜厚度影響較大的路線設計因素為路幅寬度與橫坡坡率，且在恒定橫坡下，路線縱面坡率對水膜厚度影響不大。但過小縱坡將造成高速公路在橫坡較小路段出現“零坡段”，致使水流淤積。

由以上結論及已有研究成果可知，水膜較厚路段主要集中在路面橫坡較緩、路面較寬路段或合成坡度為零坡段。鑒于此，論文提出以下設計處理措施，以提升寬幅路面排水效率。

（1）在橫坡為零坡路段前后設置最大超高漸變率漸變超高

減少路拱橫坡由正常橫坡（-2%）過渡到反向橫坡（2%）過渡段的長度，即減少0～2%段緩坡段的長度，從而可降低較小橫坡路段長度，致使水流可通過縱坡流至橫坡相對較大路段后流出路幅，以提高排水效率。

（2）在路拱橫坡設計時設置雙向路拱

寬幅路面排水不暢路段可在車道之間設置雙向路拱，將同斷面車道間橫坡設置為不同值，從而可降低路面合成零坡段落，以減少路面徑流的寬度并降低路面水膜厚度。

（3）合理設置道路縱坡坡度

在設計時應盡量避免較小縱坡的采用，為便于橫坡為零路段積水順利通過縱坡流至橫坡較大位置并通過橫向流動流至路幅之外，建議高速公路縱坡設計≥0.5%。

（4）縱坡變坡點位置控制

在縱坡設計過程中，避免凸型豎曲線或者凹形豎曲線位置與超高過渡段重合，以提高超高過渡段水力坡度，從而加大超高過渡段坡面流速，將水流流入路面橫坡較大路段，以達到降低水膜厚度的效果，提升排水效率。

4 結語

本文針對目前全國寬幅路面高速公路占比逐漸增大的現狀，研究了路線平縱設計對排水效率的影響。利用水膜厚度對排水效率進行了表征，并利用水膜厚度計算公式，結合實際高速設計成果，分析了路幅寬度、橫坡、縱坡及合成坡度對水膜厚度的影響，提出了切實提高寬幅路面排水效率的設計方案與技術措施，從而改善寬幅路面易積水現狀，以提升寬幅路面公路行車安全。

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