山區(qū)公路縱斷面線形設(shè)計(jì)研究

李秋蕊 曹常樂(lè)

摘 要：為滿足設(shè)計(jì)安全性，必須重視公路線形設(shè)計(jì)。為此，本文基于山區(qū)車(chē)輛彎道行駛受力特點(diǎn)，對(duì)山區(qū)公路縱斷面線形設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，以期全面提升公路設(shè)計(jì)合理性、可行性，保證施工建設(shè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：山區(qū)公路；縱斷面；線形設(shè)計(jì)

山區(qū)具有山高谷深、高差大、地形及地質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致公路工程項(xiàng)目投資大、工程艱巨。而公路線形對(duì)公路條件起決定作用，公路線形指標(biāo)是否合理，同樣對(duì)構(gòu)造物設(shè)置、環(huán)境破壞程度及建設(shè)費(fèi)用影響較大，甚至威脅到駕駛?cè)藛T的行駛安全。由此可見(jiàn)，道路線形和道路安全關(guān)系極為密切，尤其在山區(qū)低等級(jí)公路上最為顯著。與平原地區(qū)相比，山區(qū)具有較為復(fù)雜的自然條件，生態(tài)環(huán)境制約嚴(yán)重，影響因素較多。山區(qū)自身因素將加大行車(chē)難度，進(jìn)而要求必須提高山區(qū)公路線形設(shè)計(jì)質(zhì)量，線形設(shè)計(jì)是否合理直接決定著車(chē)輛行駛的舒適性、安全性。為此，必須在設(shè)計(jì)階段檢驗(yàn)并評(píng)價(jià)公路線形，且以此找出線形存在的不足，并加以修正。

1 公路縱斷面線形設(shè)計(jì)的概述

伴隨公路工程建設(shè)事業(yè)的不斷進(jìn)步，想要使工程質(zhì)量得到更好的提升，就必須嚴(yán)格按照相關(guān)要求合理選擇設(shè)計(jì)方案。在公路路線設(shè)計(jì)中，要加大技術(shù)改革力度、提高設(shè)計(jì)水平，只有這樣才能使施工工期大幅縮短，才能使工程質(zhì)量得到提高，進(jìn)一步提升公路工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。順著道路中線豎直剖切隨后展開(kāi)即為路線縱斷面?？v斷面設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格按照相關(guān)條件，如汽車(chē)動(dòng)力特征、道路等級(jí)等，深入探討起伏空間幾何組成的大小、長(zhǎng)度等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全行車(chē)的目的。

繪制地面線與地形圖、平面繪制道路中線點(diǎn)密切相關(guān)，主要包含平面直線、地質(zhì)條件等因素，因此必須全面掌握設(shè)計(jì)意圖。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、選線意圖等條件，保證縱斷面圖能夠有機(jī)結(jié)合地面起伏變化情況。在試坡線及選線環(huán)節(jié)，需做好坡度比對(duì)工作，如和實(shí)際情況存在較大差異，需及時(shí)做好分析工作，根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)查看設(shè)計(jì)最大縱坡、坡長(zhǎng)是否符合設(shè)計(jì)要求。尤其是設(shè)計(jì)橫斷面環(huán)節(jié)，包含深挖、擋土墻等，需及時(shí)確定并讀出縱斷面圖內(nèi)的樁號(hào)填挖信息，保證其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如產(chǎn)生填挖不當(dāng)、坡腳落空等現(xiàn)象，相關(guān)人員應(yīng)立即做好縱坡線調(diào)整工作。做好校對(duì)核查工作后，需進(jìn)行直坡線坡度值、變坡點(diǎn)樁號(hào)等相關(guān)內(nèi)容的確定。

豎曲線半徑應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)技術(shù)規(guī)定進(jìn)行準(zhǔn)確確定，并做好計(jì)算工作。計(jì)算豎曲線沒(méi)有設(shè)置前樁號(hào)設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，需遵循既定縱坡、變坡點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行確定。凸形曲線是豎曲線的主要類(lèi)型之一，曲線前后坡度需滿足有關(guān)規(guī)定，要求其不得大于最大縱坡坡度，不得小于最小排水坡度的0.3%。

2 山區(qū)車(chē)輛彎道行駛受力分析

山區(qū)道路車(chē)輛主要為大中型車(chē)，此類(lèi)車(chē)體型較大，速度慢，在正常運(yùn)行或爬坡過(guò)程中必須對(duì)車(chē)輛行駛安全加以考慮。除此之外，因山區(qū)地理環(huán)境的特殊性，要求設(shè)計(jì)線形時(shí)必須與山區(qū)交通特性充分結(jié)合，在全面分析行駛車(chē)輛受力條件的基礎(chǔ)上，以此獲取行駛安全的各類(lèi)影響因素。本文以大型車(chē)為研究對(duì)象，在爬坡運(yùn)行時(shí)對(duì)大型車(chē)輛承受的各類(lèi)阻力、牽引力進(jìn)行分析，以此分析道路縱曲線是否受車(chē)輛受力的影響。

2.1 滾動(dòng)阻力

根據(jù)下式分析滾動(dòng)阻力：

Pf=G.fcosθ

其中，坡度可由θ表示；

基于山區(qū)路面特點(diǎn)，按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，以0.015作為f，能夠符合山區(qū)行車(chē)安全性需求。

2.2 空氣阻力

根據(jù)下式分析空氣阻力：

Pw=Kfu?（N）

其中，空氣阻力系數(shù)可由K表示；

汽車(chē)時(shí)速可由V表示；

縱軸垂直平面上汽車(chē)的投影面積可由F表示。

汽車(chē)流線型系數(shù)可由KF表示，山區(qū)道路車(chē)輛主要為大型貨車(chē)，且山區(qū)空曠、地勢(shì)高具有較大空氣阻力，設(shè)計(jì)縱斷面線形時(shí)，可在2.5左右合理選擇汽車(chē)流線型系數(shù)，進(jìn)而滿足行車(chē)安全需求。

2.3 坡道阻力

坡道阻力是在上下坡過(guò)程中車(chē)輛重力在平行路面方向?qū)ζ?chē)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙的力。

上坡時(shí)，可表示為Pi=Gsinα（N）

下坡時(shí)，可表示為Pi=-Gsinα（N）

綜上所述，相比平原道路，對(duì)山區(qū)道路車(chē)輛行駛影響較大的因素為空氣阻力、坡度阻力，但滾動(dòng)阻力影響相對(duì)不大。為此，在設(shè)計(jì)山區(qū)道路縱斷面線形時(shí)，必須對(duì)山區(qū)地理環(huán)境與車(chē)輛類(lèi)型之間的關(guān)系進(jìn)行分析，在道路設(shè)計(jì)中始終堅(jiān)持“行車(chē)安全”的原則，利用修正各類(lèi)參數(shù)，如坡道、曲線長(zhǎng)度等，進(jìn)而滿足道路行車(chē)舒適性、安全性的需求。

3 山區(qū)公路縱斷面線形設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

縱坡度、豎曲線等是山區(qū)道路縱斷面線形設(shè)計(jì)的主要因素，與平原道路相比，山區(qū)道路所在地形地質(zhì)、氣候等都存在一定差異性，為此，必須充分結(jié)合山區(qū)道路特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)縱斷面線形。

3.1 縱坡度及坡長(zhǎng)設(shè)計(jì)

3.1.1 縱坡度

第一，最大縱坡度。最大縱坡度是指設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)公路等級(jí)、自然條件等因素所限定采用的最大縱坡值。在充分考慮車(chē)輛動(dòng)力性能、道路設(shè)計(jì)速度、自然條件等因素后，可合理確定道路允許最大縱坡度。因自然條件制約，山區(qū)道路路面空氣阻力過(guò)大，在保證行車(chē)安全的前提下，必須合理減小道路設(shè)計(jì)速度，才能確定最大縱坡度。具體如表1所示。

第二，最小縱坡度。為順利排出道路地面水，要求合理控制縱坡，通?？刂圃?.5%以上，特殊情況下也應(yīng)在0.3%以上。只有這樣才能及時(shí)排除道路積水，避免路基內(nèi)滲水，對(duì)道路穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

一般需同時(shí)調(diào)整最大、最小縱坡，才能獲取期望的線形。最大、最小縱坡合理設(shè)置，才能對(duì)整體各坡段起到制約，如相鄰坡度縱坡差控制等。為滿足縱斷面線形連續(xù)性需求，通?？蛇m量減小最大縱坡值，也可適當(dāng)提高最小縱坡值，但在地勢(shì)由陡急轉(zhuǎn)緩部位，則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)制“高陡—急降，平緩—升坡”問(wèn)題，加大部分位置設(shè)計(jì)線和地面線之間高度差，增加工程量，為此，必須結(jié)合施工場(chǎng)地實(shí)際情況，合理設(shè)置最大、最小縱坡。

第三，合成坡度。山區(qū)道路設(shè)計(jì)中，必須合理控制合成坡度，其主要作用是對(duì)急彎+陡坡形式進(jìn)行有效控制，避免太大合成坡度影響行車(chē)安全。通常情況下，必須盡可能取小值，但必須在0.5%以上，防止因排水不通暢影響路基穩(wěn)定性。

3.1.2 縱坡長(zhǎng)

山區(qū)道路設(shè)計(jì)中，在對(duì)車(chē)輛特性、當(dāng)?shù)刈匀坏乩憝h(huán)境等因素充分考慮的前提下，合理設(shè)計(jì)縱坡長(zhǎng)度，盡可能避免因縱坡長(zhǎng)度不足，導(dǎo)致爬坡過(guò)程中產(chǎn)生行駛危害。同時(shí)，因山區(qū)地勢(shì)高、地形復(fù)雜，也不能一味追求平緩縱坡，對(duì)其地形嚴(yán)重破壞，進(jìn)而降低基層穩(wěn)定性，增加工程造價(jià)，影響行車(chē)安全。

最小坡長(zhǎng)的作用為輔助調(diào)節(jié)，通過(guò)以上指標(biāo)調(diào)整后，如若干個(gè)最小坡長(zhǎng)出現(xiàn)于線形內(nèi)，可適量提升最小坡長(zhǎng)值。防止大量極限坡長(zhǎng)問(wèn)題產(chǎn)生，只有合理調(diào)整最小坡長(zhǎng)，才能改善線形質(zhì)量。

3.2 豎曲線設(shè)計(jì)

豎曲線是指線路縱斷面上，以變坡點(diǎn)作為交點(diǎn)進(jìn)行相鄰坡段連接的曲線。凹、凸形為豎曲線的主要形式。一般以拋物線作為豎曲線，與圓曲線相比，拋物線在設(shè)計(jì)、計(jì)算等方面更為便利。將豎曲線設(shè)置到變坡位置，可實(shí)現(xiàn)線路平緩過(guò)渡，確保行車(chē)安全性。曲線最小半徑、最小長(zhǎng)度是豎曲線的主要設(shè)計(jì)要素，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)充分考慮其緩和沖擊力。在豎曲線上車(chē)輛行駛過(guò)程中會(huì)受到離心力作用，為降低安全行車(chē)影響度，可通過(guò)最小半徑控制法實(shí)現(xiàn)行車(chē)安全要求。同時(shí)，必須合理控制行駛時(shí)間，保證不會(huì)影響駕駛員視距。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高等級(jí)公路建設(shè)逐步延伸到山嶺重丘區(qū)。與平原地區(qū)相比，山區(qū)具有較為復(fù)雜的地形條件，尤其是縱斷面線形，其線形指標(biāo)受到多方面因素的制約，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其地形條件、自然環(huán)境、縱坡等，以便滿足行車(chē)安全的要求。

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