新疆冬季災(zāi)害天氣高速公路限速研究

朱興琳

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院, 新疆 烏魯木齊　830052)

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新疆冬季災(zāi)害天氣高速公路限速研究

朱興琳

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院, 新疆 烏魯木齊830052)

[摘要]受特殊地形和氣候條件制約，新疆冬季大霧、路面結(jié)冰、強(qiáng)降雪及風(fēng)吹雪等災(zāi)害天氣影響高速公路通行效率。為保證高速公路冬季行車安全，分析了冬季主要災(zāi)害天氣對行車安全影響特征，并采用路面汽車行駛制動(dòng)原理，構(gòu)建了基于安全距離的高速公路最高車速模型，以及風(fēng)雪耦合作用下汽車安全距離數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上給出了霧天、冰雪路面、風(fēng)吹雪天氣下，對應(yīng)不同能見距離、風(fēng)力、路面附著系數(shù)、縱坡的高速公路最高車速限制標(biāo)準(zhǔn)建議值。研究結(jié)果為我區(qū)高速公路災(zāi)害天氣的安全管理與控制策略提供一定的理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]高速公路； 最高車速限制； 冬季災(zāi)害天氣； 安全車速； 新疆

0前言

新疆氣候冬季寒冷，地質(zhì)條件受到溫度變化、干濕交替、凍融循環(huán)等因素的影響，公路沿線地形陡峻、巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基巖裸露，高海拔地區(qū)寒凍風(fēng)化作用強(qiáng)烈，具有典型內(nèi)陸大溫差氣候特點(diǎn)，且公路大部分路段穿越海拔2000 m以上的高寒山區(qū)，紫外線輻射強(qiáng)烈，冬夏季氣溫差異懸殊，而且春融季節(jié)晝夜溫差波動(dòng)也很大，尤其冬季寒冷，最冷季節(jié)低溫在-30 ℃以下，晝夜溫差較大，降雪濕度小且發(fā)干，在過往車輛的作用下往往使風(fēng)吹雪、自然降雪形成壓實(shí)積雪，又由于晝夜溫差，積雪融化后再度結(jié)成冰，這就降低了路面的抗滑性能，影響交通安全通行。在道路結(jié)冰積雪的情況下，路面承載力和路面結(jié)構(gòu)均會(huì)受到不同程度的影響。在光滑的冰雪路面上，輪胎與地面之間的附著系數(shù)很低，地面能提供給汽車的附著力相應(yīng)變小。在冰雪天氣條件下，驅(qū)動(dòng)輪與冰雪路面易發(fā)生滑轉(zhuǎn)，汽車動(dòng)力性能變差，起動(dòng)、加速、變速等難度加大，極易引發(fā)各類交通事故。數(shù)輛乃至數(shù)十輛車因道路結(jié)冰積雪而首尾相撞的案例屢有報(bào)道，道路結(jié)冰積雪已經(jīng)成為高速公路的“白色殺手”。

目前國內(nèi)外保障災(zāi)害天氣下高速公路運(yùn)營安全的有效措施之一是采取車速控制。車速控制標(biāo)準(zhǔn)的合理確定直接影響到高速公路通行效率。2011年我國頒布實(shí)施的《道路安全法》第81條條例規(guī)定了機(jī)動(dòng)車在高速公路上行駛，在遇到低能見度不良?xì)夂驐l件時(shí)，駕駛員應(yīng)當(dāng)遵守的若干規(guī)定?！兜缆钒踩ā分须m然規(guī)定了不良天氣的限速值，但沒有考慮到路面的附著系數(shù)、道路的坡度以及一些受特殊天氣和地形影響的地區(qū)，因此車速限制標(biāo)準(zhǔn)的制定存在一定差異性。

綜合以上闡述，本文針對新疆特殊地形和氣候特征，在分析新疆冬季高速公路主要災(zāi)害天氣影響特征基礎(chǔ)上，結(jié)合路面附著系數(shù)、道路坡度和風(fēng)力影響，研究冬季大霧、路面結(jié)冰、強(qiáng)降雪及風(fēng)吹雪等災(zāi)害天氣的車速限制值。

1新疆冬季高速公路主要災(zāi)害性天氣影響特征分析

新疆冬季影響高速公路行車安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害因素有濃霧、風(fēng)吹雪、強(qiáng)降雪、路面結(jié)冰等[1]。

① 霧。

高速公路上因濃霧而發(fā)生的重大交通事故屢見不鮮，新疆冬季沿天山高速公路導(dǎo)致行車安全隱患的首要?dú)庀鬄?zāi)害是濃霧，所占比例高達(dá)54.8%[1]。由此可見，霧對高速公路的行車安全威脅很大。霧對駕駛員行車安全的最大妨礙：一方面造成視距大大縮短，能見度有時(shí)降到30～40 m甚至更低[2]。通常用來幫助行車駕駛員進(jìn)行視距判斷的沿線景物、交通標(biāo)志、標(biāo)線等這時(shí)都難以看清，導(dǎo)致駕駛員速度感減弱。除此之外，駕駛員在濃霧包圍的道路上行駛時(shí)，往往抱有盡快沖出濃霧的急切心理，可能會(huì)無意中加快行車速度，增大了霧中行車的危險(xiǎn)性。另一方面，由于霧天與空氣中灰塵混合，使得路面與輪胎之間的附著系數(shù)降低，從而造成輪胎在路面打滑、制動(dòng)距離增加、制動(dòng)跑偏等不良現(xiàn)象發(fā)生[2]。

② 風(fēng)吹雪。

風(fēng)吹雪形成的物質(zhì)來源主要是降雪和積雪，其形成的動(dòng)力因素是風(fēng)[1,3]。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，吹揚(yáng)雪粒，隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)，形成風(fēng)雪流，短時(shí)間內(nèi)造成視距障礙，易使駕駛?cè)藛T判斷失誤，發(fā)生交通事故的概率增大[1,4]。根據(jù)新疆氣象局2002～2006年調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知： 風(fēng)吹雪對新疆冬季沿天山高速公路行車安全隱患出現(xiàn)頻率為11.9%[1]。另據(jù)對文獻(xiàn)查閱可知，受特殊地形、地質(zhì)、氣候等自然條件影響，新疆公路風(fēng)吹雪主要集中出現(xiàn)在烏魯木齊至達(dá)坂城沿線，導(dǎo)致風(fēng)吹雪出現(xiàn)的氣象因子主要有降雪、一定的風(fēng)速、持續(xù)無降雪日數(shù)和較低氣溫[1]。

風(fēng)吹雪多發(fā)生在降雪之后，視線障礙和背風(fēng)積雪障礙是造成高速公路駕駛員行車危害的主要因素。風(fēng)吹雪發(fā)生時(shí)不僅使駕駛員能見度變差，而且在較短時(shí)間內(nèi)使視距發(fā)生急劇下降，易造成駕駛員判斷失誤，對車輛運(yùn)行非常危險(xiǎn)[5]。日本的研究結(jié)果認(rèn)為：風(fēng)吹雪地區(qū)的視距小于50 m時(shí)將發(fā)生塞車現(xiàn)象，在30 m以下時(shí)就會(huì)中斷交通[5]。另外，背風(fēng)積雪障礙的出現(xiàn)不但會(huì)中斷道路交通，而且嚴(yán)重時(shí)容易使駕駛員一氧化碳中毒。

③ 路面結(jié)冰。

路面結(jié)冰是指濕滑路面表面溫度低于0℃，開始有結(jié)冰現(xiàn)象，或道路表面溫度低于0 ℃，當(dāng)降雨出現(xiàn)時(shí)形成薄冰，此時(shí)路面摩擦系數(shù)急劇降低[1]，車輛由于車輪上用力的突然變化很容易破壞車輪的附著狀態(tài)，使輪胎失去抵抗側(cè)滑的能力，極易在結(jié)冰路面上側(cè)滑、橫滑、甚至翻出道路[6]。汽車以 70 km 時(shí)速行駛時(shí)，在干瀝青路上的制動(dòng)距離為58 m，在雪路上的制動(dòng)距離為117 m，在冰路上的制動(dòng)距離則為216 m[7]。受特殊的地形和氣候條件影響，新疆烏魯木齊機(jī)場高速公路、烏奎高速公路和吐-烏-大高等級(jí)公路冬季路面結(jié)冰發(fā)生概率較大。路面結(jié)冰是導(dǎo)致冬季新疆沿天山高速公路行車安全的第二大隱患，其發(fā)生頻率為14.3%[1]。

④ 強(qiáng)降雪。

強(qiáng)降雪是指在風(fēng)力較弱或無風(fēng)的情況下，持續(xù)較大的降雪在路面形成較厚積雪，降雪量一般大于6.0 mm/24 h，影響高速公路的正常通行[1]。強(qiáng)降雪的出現(xiàn)主要受地形、氣候等自然因素的影響。新疆公路沿線各站≥6 mm的最多年降雪日數(shù)烏魯木齊最多，除了吐烏大高速達(dá)坂城到吐魯番段沒有因強(qiáng)降雪影響交通的記錄外，沿天山其它各段均有發(fā)生。影響高速公路正常運(yùn)行的強(qiáng)降雪有2類： ①低溫強(qiáng)降雪型，短時(shí)間內(nèi)形成較厚積雪，再加上清理不及時(shí)，造成車輛無法正常通行； ②濕雪強(qiáng)降雪型。在濕雪上又覆蓋一層積雪，車輛通過時(shí)雪粘在路面和車胎上，車輛極易打滑，行走困難[1]。

2災(zāi)害天氣下高速公路車輛安全行車條件

2.1安全行車距離

高速公路上駕駛員在行車過程中，從看到同車道上的障礙物時(shí)開始剎車，至到達(dá)障礙物前安全停車的最短距離。這段不至于導(dǎo)致撞車事故的距離也可稱為安全距離[8]。速度越高，車輛制動(dòng)距離也越大，因此要求的安全距離就越大。在災(zāi)害天氣條件下，由于視距不足、道路摩擦系數(shù)減少，安全制動(dòng)距離也延長。災(zāi)害天氣條件下安全行車的條件如圖1所示。

圖1　災(zāi)害天氣下高速公路駕駛員行車安全示意圖Figure 1　Operational safety chart of expressway drivers under severe weather

根據(jù)圖1所示構(gòu)建災(zāi)害天氣下車輛安全行車的條件，如式(1):

d1+d2+L≤St+d3

(1)

式中:d1為后車駕駛員在反應(yīng)時(shí)間t內(nèi)行駛的距離，m；d2為后車駕駛員在制動(dòng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離，m；St為路段的能見距離，m；d3為前車在反應(yīng)時(shí)間與制動(dòng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離，m；L為停車后前后兩車之間最小安全距離，m。

2.2行車安全距離參數(shù)標(biāo)定

① 確定d1：在駕駛?cè)朔磻?yīng)時(shí)間t內(nèi)，制動(dòng)踏板力和地面制動(dòng)力均為零，汽車仍然以原有初速V行駛，所駛過的距離d1為：

d1=Vt/3.6

(2)

式中:V為后車的行車速度，km/h；t為后車駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，s。這里取最不利情況，t=2.5 s。

② 確定d2：

后車駕駛員在制動(dòng)時(shí)間內(nèi)行駛的距離考慮最不利組合情況，即車輛處于下坡路段并忽略空氣阻力[2]。

d2=KV2/[254(φ-i)]

(3)

式中:φ為輪胎與路面間附著系數(shù)。與路面種類、路面表面狀況、輪胎花紋和輪胎氣壓、車速等因素有關(guān)系。K為制動(dòng)修正系數(shù)，一般可在1.2～1.4間選用。這里取1.3。i為道路的縱坡度，%，上坡為正，下坡為負(fù)。

2.3基于安全距離的最高車速限制值計(jì)算公式

① 在確定霧、冰雪災(zāi)害天氣條件下的車速限值時(shí)，應(yīng)考慮最不利條件，即前方為已發(fā)生事故靜止的車輛，此時(shí)d3=0。另外，對于小客車，這里L(fēng)取5 m，將式(2)和式(3)代入式(1)，可得到式(4):

Vt/3.6+KV2/[254(φ-i)]+5≤St

(4)

由式(4)可得高速公路災(zāi)害天氣下基于安全距離的最高車速限制值計(jì)算公式(5)：

(5)

② 風(fēng)雪耦合作用下基于安全距離的最高車速限制值計(jì)算公式。

風(fēng)對行車安全的影響是增加了汽車受到的橫向力和縱向力[9]，雪對行車安全的影響是降低了路面附著系數(shù)和能見度。因此，風(fēng)雪耦合作用下行車安全分析時(shí)需同時(shí)考慮風(fēng)作用力、路面附著系數(shù)及能見度對汽車行駛的影響。

(6)

式中：Fw為風(fēng)動(dòng)縱力，N。其他參數(shù)含義同上。

2.4災(zāi)害天氣下高速公路最高車速限制建議值

① 霧天最高車速限制建議值。

大霧天氣，由于霧水落于路面使得道路潮濕，路面附著系數(shù)降低，本文取瀝青混凝土潮濕路面的附著系數(shù)(高壓輪胎)φ=0.35。根據(jù)公式(5)建立的災(zāi)害天氣下高速公路最高車速限制值數(shù)學(xué)模型，考慮霧天不同能見度及坡度不同取值情況下，來獲得霧天最大安全車速值如表1所示。

表1 霧天高速公路最大安全行車速度值Table1 Maximumsafetyspeedofexpresswayinfogenvi-ronment(km·h-1)能見距離St/m道路縱坡度/%1234562520.0719.9319.7819.6319.4819.325036.2835.9435.6035.2534.8934.527548.9248.4347.9247.4046.8646.3110059.6659.0258.3657.6957.0056.2915077.7576.8675.9575.0174.0673.0820093.0691.9590.8289.6688.4887.27250106.58105.28103.95102.59101.2099.78

對表1中獲得的最大安全車速值進(jìn)行取整后，獲得對應(yīng)不同能見度及道路縱坡度的霧天最高安全車速限制建議值如表2所示。當(dāng)?shù)缆纺芤娋嚯xSt≥250 m時(shí)，車輛正常行駛；當(dāng)St<25 m時(shí)，或25≤St<50，且4%

② 冰雪路面最高車速限制建議值。

表2 霧天高速公路最高車速限制建議值Table2 Recommendedvaluesofmaximumsafetyspeedforexpresswayinfogweather(km·h-1)能見距離St/mi≤1%1%

新疆高速公路受特殊地形、地質(zhì)及氣候影響，強(qiáng)降雪、路面結(jié)冰等災(zāi)害天氣常發(fā)，因此本文在不同能見距離及坡度基礎(chǔ)上，選擇結(jié)冰路面、壓實(shí)路面和松軟雪路面，對路面附著系數(shù)分別取不同值φ=0.10、0.15、0.20，由此獲得冰雪路面最高安全車速值如表3所示。

表3 高速公路冰雪路面最大安全行車速度值Table3 Maximumsafetyspeedofexpresswayonicyandsnowypavements(km·h-1)能見距離St/m附著系數(shù)φ道路縱坡度/%1234560.1013.6213.0712.4611.7710.9910.08250.1515.7515.3814.9914.5714.1213.620.2017.2516.9916.7016.4016.0915.750.1022.6821.6420.5119.2617.8516.24500.1526.8526.1225.3524.5223.6322.680.2029.9729.4028.8128.1927.5426.850.1029.5128.0926.5524.8622.9820.83750.1535.2834.2633.1832.0430.8229.510.2039.6938.8938.0537.1736.2535.280.1035.2233.4931.6129.5527.2624.671000.1542.3641.0939.7538.3436.8335.220.2047.8846.8745.8144.7143.5642.360.1044.7642.4940.0437.3634.4031.061500.1554.1952.5150.7348.8646.8744.760.2061.6060.2458.8257.3455.8054.190.1052.7750.0547.1143.9140.3936.422000.1564.1562.1159.9657.7055.3152.770.2073.1671.5069.7767.9766.1064.150.1059.8156.6953.3349.6845.6541.132500.1572.9270.5668.0965.4862.7459.810.2083.3581.4179.4177.3375.1772.920.1066.1862.6958.9554.8850.4045.383000.1580.8378.1975.4272.5169.4466.180.2092.5590.3888.1285.7983.3680.830.1072.0268.2164.1159.6654.7649.283500.1588.1185.2182.1778.9775.6072.020.20101.0198.6196.1393.5690.8988.110.1077.4673.3468.9164.1058.8252.914000.1594.8891.7388.4484.9881.3377.460.20108.89106.28103.59100.8097.9094.88

對表3中獲得的最大安全車速值進(jìn)行取整后，獲得對應(yīng)不同能見度、不同路面附著系數(shù)及道路縱坡度的冰雪路面最高安全車速限制建議值如表4所示。當(dāng)?shù)缆纺芤娋嚯xSt≥400 m時(shí)，附著系數(shù)φ≥0.20，坡度i<5%，或者350≤St<400，φ≥0.20，坡度i≤1%，車輛正常行駛；當(dāng)25≤St<50時(shí)，附著系數(shù)φ≤0.2，或50≤St<75，φ≤0.1，且坡度i>3%，道路需封閉。

表4 冰雪路面高速公路最高車速限制建議值Table4 Recommendedvaluesofmaximumsafetyspeedforexpresswayonicyandsnowypavements(km·h-1)能見距離St/m附著系數(shù)φi≤1%1%

③ 風(fēng)吹雪路面最高車速限制取值建議。

根據(jù)公式(6)計(jì)算風(fēng)吹雪災(zāi)害天氣下高速公路最高車速限制值，本文重點(diǎn)研究風(fēng)力在6～9級(jí)時(shí)對小客車行駛產(chǎn)生的影響(見表5)，風(fēng)力為5級(jí)或5級(jí)以下時(shí)對車輛正常行駛基本沒有影響，具體對應(yīng)的風(fēng)速值所示[10]。

本文在不同能見距離及坡度基礎(chǔ)上，對壓實(shí)雪路面和松軟雪路面，其附著系數(shù)分別取不同值φ=0.15、0.20，由此建立風(fēng)吹雪路面最高安全車速值如表6所示。

表5 00風(fēng)力作用下小客車受到的風(fēng)動(dòng)力Table5 Windforcesonvehicleunder0°wind風(fēng)力/級(jí)風(fēng)速/(m·s-1)Fw/N風(fēng)力/級(jí)風(fēng)速/(m·s-1)Fw/N610.8285817.272213.846520.71046713.9471920.8105617.171424.41453

對表6中獲得的最大安全車速值進(jìn)行取整后，獲得對應(yīng)不同能見距離、不同路面附著系數(shù)、道路縱坡度及不同風(fēng)力等級(jí)的風(fēng)吹雪路面最高安全車速限制建議值如表7所示。當(dāng)風(fēng)力小于等于6級(jí)，φ≥

表6 風(fēng)吹雪路面高速公路最高車速限制建議值Table6 Maximumsafetyspeedofexpresswaysinwindblownsnowroads(km·h-1)能見距離St/m附著系數(shù)φ風(fēng)力等級(jí)/級(jí)67891%2%3%4%5%1%2%3%4%5%1%2%3%4%5%1%2%3%4%5%250.151514141313141413121213121211101111108 70.201716161615161615151515151514141414131312500.1525242322212424222119222119181619171513100.202928272726282726252526252524232423222120750.1533323029283130282725282725232124222017130.2038373635343635343332343332313032302927261000.1539383635333735343230343230272528262320160.2046444342414442414038414038373538363433311500.1550484745434745434138434038353236333025200.2059575554525654535149535149474548464441392000.1559575552495553504744504744403642383429230.2069686664626664626058626058555357545249463000.1575726965627066635955635955514553484336280.2088858380778481787673787673706671686561574000.1588848076728178736964746964595362565042330.201031009794919895928985928985827883807671675000.1599959186819288837872837872666069635647370.2011611311010610311110810499961041009691889490858075

表7 風(fēng)吹雪路面高速公路最高車速限制建議值Table7 Recommendedvaluesofmaximumsafetyspeedofexpresswaysinwindblownsnowroads(km·h-1)能見距離St/m附著系數(shù)φ67891%2%3%4%5%1%2%3%4%5%1%2%3%4%5%1%2%3%4%5%50≤St<750.1525202020202020202015202015151515101010100.20252525252525252525252525252020202020202075≤St<1000.1530303025253030252525252525202020202015100.203535353530353530303030303030303030252525100≤St<1500.1535353535303535303030303030252525252020150.204540404040404040403540403535353535303030150≤St<2000.1550454545404545404035404035353035353025200.205555555050555050504550504545454545404035200≤St<3000.1555555550455550504540504540403540353025200.206565656060656060605560605555505550504545300≤St<4000.1575706565607065605555605555504550454035250.208585808075808075757075757070657065656055400≤St<5000.1585808075708075706560706560555060555040300.20100100959090959590858590858580758080757065St≥5000.1595959085809085807570807570656065605545350.2011511011010510011010510095951001009590859090858075

0.20，坡度i≤2%，道路能見距離St≥400 m時(shí)，或者風(fēng)力小于等于7級(jí)，φ≥0.20，i≤3%，St≥500 m時(shí)，車輛正常行駛；當(dāng)風(fēng)力大于等于7級(jí)，φ≤0.15，i≥5%，50≤St<75，或者風(fēng)力大于等于8級(jí)，φ≤0.15，i>2%，50≤St<75，或者i>2% 或者風(fēng)力大于等級(jí)9級(jí)，75≤St<100，φ≤0.15，坡度i≥4%，或者風(fēng)力大于等級(jí)9級(jí)，φ≤0.15，坡度i>4%，100≤St<150，道路需封閉。

3結(jié)語

基于車輛制動(dòng)安全距離推導(dǎo)公式，結(jié)合新疆特殊地形和冬季氣候條件，構(gòu)建了高速公路在大霧、冰雪和風(fēng)吹雪作用下的車輛安全行駛距離的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上考慮路面的能見距離、路面附著系數(shù)、坡度和風(fēng)力作用大小，給出了冬季災(zāi)害天氣下高速公路最高車速限制建議值，為我區(qū)應(yīng)對災(zāi)害天氣的安全管理與控制提供一定的理論參考。值得提出的是，本文給出的災(zāi)害天氣下高速公路最高車速限制值僅針對直線路段而言，對于曲線路段的最高限速值是筆者后續(xù)進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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Research on Speed Limitation of Xinjiang Expressways Under Severe Weather Conditions

ZHU Xinglin

(School of Machinery and Traffic, Xinjiang Agricultural University, Urumchi, Xinjiang 830052, China)

[Abstract]Subjected to special terrain and climatic conditions, traffic efficiency of Xinjiang expressways is affected by fog, icy pavement and wind blown snow. To ensure safe driving of winter, major disastrous weather factors affect driving safety are analyzed. According to the vehicle brake principle, the maximum speed model for highway safe distance is set up and automotive safe distance under wind blown snow is also developed. Recommended values are put forward corresponding to different visibility, wind forces, road surface friction coefficients, longitudinal in fog, ice and snow, wind blown snow environments. The research results provide a certain theoretical basis for safety management and control strategies of our region expressways under severe weather.

[Key words]expressway; high speed limitation; winter severe weather; safety speed; Xinjiang

[收稿日期]2015-01-04

[基金項(xiàng)目]新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金(2014211A031)

[作者簡介]朱興琳(1971-)，女，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事交通運(yùn)輸環(huán)境與安全方面研究。

[中圖分類號(hào)]U 491.5+4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0095-05