路面水膜厚度检验评价方法

路面水膜厚度检验评价方法罗京;刘建蓓;戈普塔;郭腾峰;邢欣欣【摘要】降雨在道路表面形成的水膜可显著降低轮胎与路面接触部分的摩阻系数,水膜厚度的增加使得车辆易发生水滑等交通事故.为评价道路表面因降雨形成的水膜对行车安全的影响,研究提出一种路面水膜厚度的检验评价方法.以我国海南省降雨量数据为依据,提出了公路几何设计中检验路面水膜厚度的降雨强度取值.从行车安全角度出发,提出了降雨条件下路面水膜厚度的限值标准,以一条高速公路的设计为例,检验了道路几何线形设计对应的路面水膜厚度,对不满足限值的路段给出了优化设计建议.结果表明,公路几何设计中检验路面排水的降雨强度可取高峰小时降雨量50mm/h；检验路面水膜厚度的限值标准可取一般值2.5mm,极限值4mm;水流路径长度最大不超过60m.期刊名称】《交通信息与安全》年(卷),期】2016(034)006【总页数】7页(P54-59,82)【关键词】交通安全;公路几何设计;路面水膜厚度;路面水流路径长度;降雨强度【作者】罗京;刘建蓓;戈普塔;郭腾峰;邢欣欣【作者单位】中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安710075;海南省交通运输厅海口570204【正文语种】中文【中图分类】U416.2尽管我国公路行业相关技术标准和规范中，从路拱横坡度、曲线路段超高及过渡、路线最小纵坡、断面合成坡度等方面对路面排水等作出了一定的规定和指标性要求，但并未实质性、明确提出公路正常行车条件下对应的降雨强度指标要求，也并未对路面在设计降雨条件下应具备的实际排水能力等关键性指标做出明确规定和指标要求。目前《公路排水设计规范》中提供了通过累计降雨量计算确定平均降雨强度的方法，给出了降雨径流量等确定方法，但这些参数主要用于计算排水设施或排水管道的排、泄水能力，并没有明确规定，提出路面设计降雨强度的指标［1］。正是源于上述问题，致使在部分多车道公路的局部路面、在强降雨地区的公路项目中，尽管相关设计和指标均已符合专业规范的要求，但仍存在路面积水（水膜厚度较大）的现象。同时，也正是由于缺少上述规定和界定，致使面对强降雨等气象条件时，公路运营管理部门和交通安全管理部门，无法实施科学、有效的交通安全管理措施（如封闭交通等），即缺少实施交通组织管控的依据，因此，从公路几何设计方面对路面排水进行检验，从而可以避免因路面排水不畅引起的路面水膜厚度超过安全容许范围从而带来的行车安全隐患。道路表面由于降雨覆盖着水膜，车辆在道路上高速行驶时轮胎挤压道路表面的水膜，产生的动水压力使得轮胎与路面接触面积减小，轮胎附着力下降，车辆行驶安全性显著降低，易发生侧滑等交通事故。而动水压力的大小与道路表面水膜的厚度关系紧密，道路表面的水膜厚度越大，轮胎与路面的附着系数减小越快，造成车辆的转向以及制动性能明显降低。为减少车辆在道路上高速行驶中发生事故的风险程度，合理控制路面表面的水膜厚度是一项重要的措施。对于降雨条件下路面表面水膜厚度的预测模型，国内外学者从20世纪50年代开始，陆续开展了一系列的研究，建立了多种不同的水膜厚度预测模型［2］。尽管我国绝大多数高速公路建设项目是完全按照现行相关标准规范的规定进行路面超高和纵横坡度进行设计的，即设计成果也是完全符合相关规范对超高过渡、排水设计等指标要求的，但是根据多个项目调查，确实存在不同程度的路面积水的现象，积水现象在不同程度上对高速行车安全性产生了不利的影响。因此，如何根据降雨量或强度确定不同几何指标下路面的水膜厚度，以及在什么程度水膜厚度下易发生水滑事故是一项重要研究内容。水膜厚度计算公式国内外学者针对路面水膜厚度计算建立的各种模型，其中回归模型占绝大多数［3］，目前使用较多的主要有Ross和Russam为英国道路研究实验室(RoadResearchLaboratory，RRL)建立的模型［4］；Gallaway等为美国交通部提出的模型［5］;以及Wambold等［6］、Anderson(1995)［7］、欧盟车辆-轮胎相互作用研究项目(vehicle-road-tyreinteraction，VERT)中给出的模型［8］、季天剑等［9,10］、Chesterton等［11］提出的类似模型。除上述回归模型外，宾夕法尼亚大学为美国国家合作公路研究计划(TheNationalCooperativeHighwayResearchProgram，NCHRP)开发了用于路面水膜厚度预测的软件系统PAVDRN中使用的模型为基于路面粗糙系数(曼宁系数)的数学物理模型［12］。在文献［1］中，罗京等对国内外已有的几种典型路面水膜厚度预测模型进行了试验对比验证和校核，该文献中通过室内大型降雨模拟试验标定的公路路面水膜厚度计算公式，见式(1)。式中：WD为水膜深度，mm；L为水流路径长度，m；S为路面坡度，％;1为降雨强度，mm/h；TXD为路面构造深度，mm。在上式中，路面排水长度、路面坡度、降雨强度以及路面构造深度等均是影响路面水膜厚度的参数，下面分别对各参数提出和确定的依据进行说明。设计降雨强度选用以我国降雨较多的海南省为例，根据对海南省海口、东方、琼海3市历年(1951-2011年)降雨强度的统计分析，当最大日降雨量为300mm/d时，历年日降雨量累计频率覆盖率为92.3%，即有92.3%时的降雨强度未超过50mm/h。见图1。研究中以最大日降雨量300mm/d作为设计降雨强度指标，最大日降雨量300mm/d换算为高峰小时降雨量为50mm/h[13]。因此，在海南中线高速路面排水检查中，以50mm/h作为检验指标对路面水膜厚度进行检查。路面径流分析基于路面等高线分析，可计算路面排水路径及排水长度。图2给出了几个基于路面等高线的排水路径示例。该路段为左偏曲线的超高过渡段，路面等高线间距均匀。路径A以2%的超高从路基中间流向路基边缘。当超高开始变化时，例如在出曲线时，如图路径B所示，排水路径开始变化，路面等高线间距变宽。路径D为超高完成后的单向路拱时的排水路径。路径C则为水膜厚度检验时应重点关注的。路径C可以看到，水流从路侧汇集到道路中线位置，由于超高的变化，水流又从路中线流往同向路侧。这种情况下，道路中线位置就会形成较长的排水路径，如图2所示，该路径等高线间距较大。评价路径C段时，就需要检验平坡路段以及排水路径末端的水膜厚度，尤其是预期的车辆行驶时轮迹经过位置的水膜厚度。如图2所示，可以使用路面等高线确定路面排水路径长度，通过公式1计算得到每条排水路径上对应的水膜厚度。路面排水检查综合考虑了地区降雨强度、典型路面构造深度、道路几何线形指标等因素，在连续性精确、微分计算路面任意点设计高程、绘制路面范围内等高线、分析计算路面范围内任意点排水方向和排水长度的基础上，能够检查不同降雨强度下的路面积水水膜厚度状态，为改善道路几何设计影响下的路面排水能力提供了有效的检验手段和依据。图2中，路径C为该路段排水长度最大路段，排水长度54.17m，水膜厚度最大处为4.23mm。图中纵向线为等高线计曲线和首曲线，箭头为水流路径方向示意，图中不同点的颜色深度对应表示水膜厚度值的大小，颜色灰度越深，表示水膜厚度值越大。计算得到水膜厚度值后，需要对不同水膜厚度对行车安全的影响进行评价。当水膜厚度到达一定程度后，车辆以一定速度通过时，会产生水滑的危险。轮胎的水滑现象，也称为水漂现象或者液面效应，是指汽车在覆盖有一层水膜的路面上高速行驶时，因轮胎与地面之间不能完全排除或无法排除的水膜作用，产生的压力使轮胎上浮，从而出现汽车在水膜上行驶的现象。评价水滑风险可以通过确定路面水流路径上的水膜深度（特别是车辆行驶轨迹上的水膜）是否超过安全容许值［14］。根据《海南省暴雨气象条件下公路交通安全防治技术研究》项目研究成果，当路面水膜厚度小于2.5mm时，路面摩阻系数随水膜厚度增加而减小，安全容许速度降低；当路面水膜厚度在2.5-4mm之间时，随水膜厚度增加安全容许速度明显降低，易发生部分水滑；当水膜厚度大于4mm时，则易发生完全水滑，进而引起车辆失稳、失控等危险，因此，公路设计时应对应检查、检验路面的水膜厚度，当水膜厚度达到或超过4mm时则应采取相应的改善措施以降低水膜厚度。当设计降雨强度为50mm/h时，路面水膜厚度检验中水膜厚度的限值标准如下。1） 道路表面几何线形应满足排水路径长度不大于60m。2） 路面水膜厚度应不大于4.0mm。从设计方面来分析，针对水滑发生的风险程度，当不满足如下指标时，水滑风险程度较大，需要重新审查设计。1） 道路表面几何线形应满足排水路径长度不大于60m。2） 任一排水路径的水流流经时间不大于10min。3） 以下路段路面水膜厚度应不大于4.0mm（极限值）、2.5mm（—般值）。设计速度或运行速度＞80km/h的路段。立交出入口路段。平交口和环形交叉口。缓纵坡路段。入口匝道、超车道、爬坡车道与主线的接入段。出口匝道、超车道、爬坡车道与主线的分离段。缓和曲线段(尤其是接近曲线速度限值的路段)。除上述路段外，其他路段水膜厚度的最大值应不大于5.0mm。应从设计方面保证水流路径长度和径流时间满足上述标准值。为达到设计上减少水流路径长度和径流时间，可以从超高设计上进行改善，超高可以以一个以上的旋转轴过渡(即一个车道或多个车道超高过渡以独立旋转轴旋转)[15]。在设计速度较高路基宽度较宽的平坦路面上很难保证水膜厚度保持在2.5mm之内，而根据经验保证3.25mm的厚度是可以达到的标准。进出平交口、环形交叉口的路段定义为按照湿滑路段条件下停车视距点与交叉口预期排队长度末端之间的路段。当路面排水路径长度过长或水膜厚度较大(超过上述值后)，容易引起车轮发生部分或完全水滑的现象，进而导致车辆失稳或失控等安全风险。在降雨强度确定的前提下，路面因降雨而产生的水膜厚度主要受到路面水流的径流距离(长度)控制，径流距离越大，水膜的厚度就明显增大。而径流距离则主要取决于路面合成坡度变化(包括路拱横坡度、超高过渡和纵坡等变化)和路面宽度变化。在相同合成坡度情况下，在车道数增加、路面宽度对应增加时，路面水需要经过的径流长度直接随之增大。因此，根据调查，对于我国中等降雨强度的地区，一般4车道及以下的公路出现路面积水的现象较少；而双向8车道的公路出现积水的问题则相对较为明显，而对于海南等降雨较多的地区，甚至4车道及以下的公路也会出现明显的积水问题。尽管对于公路一般路段，如单一的纵坡路段、无超高的平直路段、平曲线完全超高路段等，设计时可通过直接控制路拱横坡度、路段纵坡坡度等措施避免出现路面积水的问题，但是对于曲线超高过渡变化的路段、高速公路互通式立交主线与匝道衔接的鼻端位置等，却不能完全依据既定的指标控制来避免路面积水的问题。因此，可以通过建立局部路段的路面高程变化模型，通过水膜厚度分析模型来检验和判断是否存在路面积水的问题。在强降雨地区，对于路面排水设计检验的流程如图3所示，按照现行标准规范完成公路几何设计，考虑公路平面、纵面、横断面以及超高等的组合影响下，计算路面水膜厚度及水流路径长度，对比计算结果是否满足水膜厚度限值要求；如果在限值范围内，则说明现有设计满足水膜厚度检验要求，如果超过限值要求，则就需要调整线形设计，可以通过增加路拱横坡、提高超高渐变率、改变超高渐变位置、设置双路拱等措施来缩短水流路径长度以减小水膜厚度，调整线形的过程中可以随时计算检验水膜厚度是否降低到限值要求；当线形调整到满足水膜厚度限制要求后，完成检验，最终形成优化设计方案。改善路面排水的效果主要体现在2个方面：①改善路面排水可以降低路面积水中行车时的飞溅和水雾；②降低行车中发生水滑的风险。2个方面都是出于安全考虑，降低路面发生水滑风险的直接影响因素就是降低路面水膜厚度。因此，关于设计改善的建议应是以减少路面水膜厚度为初衷，从而减少降雨时路面行车发生水滑的危险。为检验路面水膜厚度评价方法，验证路面排水优化措施的有效性和合理性，以海南某高速公路设计项目中一处水膜厚度超标路段为例，对水膜厚度检验及设计优化示例说明。以一处水膜厚度超标路段为例对该路段进行优化，该路段设计速度100km/h，双向4车道高速公路，整体式路基宽度26m，其中行车道宽度8.25m，硬路肩宽3m，土路肩0.75m,该路段位于直线接圆曲线(R=1400m)间的缓和曲线段，缓和曲线长度250m，超高由-2%变化为2%，超高渐变率为1/293，经检查计算，该路段水膜最大厚度为5.08mm，最大水流路径长度为51.91m，水膜厚度分析图如图4所示。调整该路段的超高渐变率为1/200，检验水膜厚度仍超标，调整K125+261.053-K125+823.828段超高由3%提高为4%，水膜厚度降低，但仍存在超标情况，水膜厚度超标路段位于纵坡变坡点(K124+710-K125+350)附近，再次，调整该路段变坡点前纵坡坡度由0.6%提高到1.1%，完成以上调整后，检验水膜厚度满足要求。调整后该路段水膜厚度降为3.91mm，最大水流路径长度为52.19m，满足水膜厚度检验要求，水膜厚度分析计算结果见表2，优化后的水膜厚度分析图如图5所示。—般情况下，对于水膜厚度超过4mm的路段，可采用增大超高渐变率、缩短超高渐变长度、调整超高渐变段设置位置、适当增大路拱横坡或合成坡度，包括通过改变路面结构、路面刻槽等方式改善排水状况降低路面水膜厚度，提高行车安全性；另外，对于暴雨频发或雨量高强度的路段要提出完善的速度控制方案，加强公路安全管理，从而增强公路的安全保障能力。提出了路面水膜厚度检查方法，从公路几何设计方面对路面排水进行检验，从而可以避免因路面排水不畅引起的路面水膜厚度超过安全容许范围从而带来的行车安全隐患，为检验公路路面排水设计方案提供了实用的安全性评价技术和手段。提出了公路正常行车条件下对应的降雨强度指标要求，即高峰小时降雨量为50mm/h。从行车安全角度出发，提出了降雨条件下路面水膜厚度限值标准，即—般值为2.5mm，极限值为4mm，水流路径长度最大不超过60m。提出了路面排水设计检验的流程，对强降雨地区路面排水设计进行检验，能够显著提升项目安全设计水平和增强运营服务能力。中华人民共和国交通部.公路排水设计规范:JTG/TD33-2012[S].北京：人民交通出版社，2012.MinistryofTransport,People'sRepublicofChina.Specificationsfordrainagedesignofhighway:JTG/TD33-2012[S].Beijing:ChinaCommunicationsPress,2012.(inChinese)罗京，刘建蓓，王元庆.路面水膜深度预测模型验证试验[J].中国公路学报.2015,28(12):57-63.LUOJing,LIUJianbei,WANGYuanqing.Validationtestonpavementwaterfilmdepthpredicitionmodel[J].ChinaJournalofHighwayandTransport.2015,28,(12):57-63.(inChinese)季天剑•降雨对轮胎与路面附着系数的影响[D]•南京：东南大学，2004.JITianjian.Impactofrainfallonthetireandtheroadsurfacefrictioncoefficientofadhesion[D].Nanjing:SoutheastUniversity,2004.(inChinese)RUSSAMK,ROSSNF.Thedepthofrainwateronroadsurfaces:ReportNo.LR236[R].Crowthorne:RoadResearchLaboratoryMinistryofTransport,1968.GALLAWAYBM,ROSEJG.Theeffectsofrainfallintensity,pavementcrossslope,surfacetexture,anddrainagelengthonpavementwaterdepths:ReportNo.138-5[R].Texas:TexasTransportationInstitute,1971.WAMBOLDJC,HENRYJJ,HEGMONRR.Evaluationofpavementsurfacetexturesignificanceandmeasurementtechniques[J].Wear,1983,83(2):351-368.ANDERSONJA.Depthofrainwateronroadsurface[J].HighwaysandTransportation,1995,42(5):45-49.MANCOSUF,PARRYA,TORREFL.Frictionvariationduetospeedandwaterdepth[C].WorldRoadAssociation-PIARC.SURF2000:4thInternationalSymposiumonPavementSurfaceCharacteristicsonRoads&Airfields,Nantes:PIARC,2000:249-258.季天剑，黄晓明,刘清泉，等•沥青路面表面水膜厚度试验J].公路交通科技,2004,21(12):14-17.JITianjian,HUANGXiaoming,LIUQingquan,etal.Testdepthofwaterfilmonasphaltpavementsurface[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2004,21(12):14-17.(inChinese)季天剑，黄晓明,刘清泉，等.道路表面水膜厚度预测模型J].交通运输工程学报,2004,4(3):1-3.JITianjian,HUANGXiaoming,LIUQingquan,etal.Predictionmodelofrainwaterdepthonroadsurface[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering.2004,4(3):1-3.(inChinese)CHESTERTONJ,NANCEKIVELLN,TUNNICLIFFEN.TheUseofthegallawayformulaforaquaplaningevaluationinNewZealand[C].Transportationinthepursuitofexcellence:TransitNZandNZIHT8thAnnualConference,VermontSout