兩種瀝青面層暴雨下水膜厚度對比研究
——排水瀝青面層與普通瀝青面層

官建安

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350108)

0 引言

暴雨時，高速行駛的汽車事故率通常較高，究其原因，除了下雨視線不良外，其他因素都與降雨時路面與車輪摩擦系數(shù)降低有關(guān)[1]。

降雨時，雨水沿道路坡度排走，其表面形成了一定厚度的徑流，簡稱為水膜。瀝青路面表面水膜厚度超過一定厚度后，汽車高速行駛時，路面與輪胎間的雨水不能及時排出，路面與輪胎的接觸不能保證，此時對汽車來說，路面的摩擦系數(shù)急劇降低，致使汽車的速度和方向都難以控制，不能安全行駛。該厚度與車速、胎面紋理、輪胎氣壓、胎面摩損程度、車輛軸重、路面狀態(tài)等相關(guān)，通常稱為“臨界水膜厚度”。車越輕，車速越高，輪胎花紋磨損越大，該臨界值越小。

劉建蓓等在文獻[2]中提出的基于安全容許速度的雨天公路可變限速方法[2]，該可變限速控制系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是道路交通氣象數(shù)據(jù)，其采集采用交通氣象站和路面狀態(tài)傳感器。交通氣象站采集氣象信息，如降雨強度、能見度等信息，并據(jù)之采用可變限速方法來降低雨天的事故率。

根據(jù)水力學(xué)的基本原理，其他條件相同的情況下，坡度越大，水的流速越快，因此，可以通過合理地設(shè)置路面坡度來加快路面排水、減少水膜厚度來增加雨天行車安全性。

福建省靠近北回歸線，大部分地區(qū)受季風(fēng)環(huán)流和地形的影響，形成暖熱濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，我省年平均降雨量1400mm～2000mm，是中國雨量最豐富和降雨天數(shù)最多的省份之一。因此，降雨時路面水膜厚度對道路交通安全受雨水影響更為顯著，地方法規(guī)要求設(shè)計時雙向4車道路面橫坡采用2.0%，雙向6車道及以上道路采用2.5%橫坡[3]。這個數(shù)據(jù)既是省內(nèi)公路多年安全運營經(jīng)驗基礎(chǔ)上的總結(jié)，又方便降雨時各路根據(jù)降雨強度計算各道路最不利路段不同的道路表面水膜厚度，有的放矢地對車速進行管理。

但是，當(dāng)路面橫坡坡度較大時，存在以下不利因素：第一，原先不需要設(shè)置超高路段變成需要設(shè)置超高，導(dǎo)致原先不需要設(shè)置緩和曲線的路段變成需要設(shè)置緩和曲線，使公路路線發(fā)生變化。第二，隨著城市化不斷發(fā)展，很多公路兼具有市政道路性質(zhì)，特別是城市快速路，除了主車道的車道數(shù)多以外，兩側(cè)還有輔路，全斷面寬度往往達到60m～70m，最外側(cè)車道與設(shè)計標(biāo)高就有比較大的高差，在遇到有高度限制路段或因超高過渡段過長時，可能遇到設(shè)計困難?，F(xiàn)行城市道路工程設(shè)計規(guī)范[4]中規(guī)定，城市道路路面橫坡為1%～2%，因此，該規(guī)定與城市道路設(shè)計規(guī)范存在矛盾，設(shè)計文件送審時可能會因為不符合規(guī)范要求而不能通過。

近年來，隨著我國排水瀝青路面(以下簡稱PAC)和相關(guān)材料研究的深入以及施工技術(shù)的成熟，采用排水瀝青面層的路面結(jié)構(gòu)，提供了一個在道路路面橫坡受到限制條件下滿足福建省地方規(guī)范中規(guī)定的暴雨強度下水膜厚度控制要求的路徑。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和規(guī)定，福建省內(nèi)不設(shè)超高路段城市道路路面橫坡在1%～2%[4]，公路路面橫坡在1.5%～2.5%[3,5]。設(shè)計時一般按0.5%級差選用。

1 水文計算

現(xiàn)行公路排水設(shè)計規(guī)范[6]第9.1.2規(guī)定設(shè)計降雨的重現(xiàn)期對高速公路一級公路為5年一遇，以下為3年一遇，本文按5年一遇計算。

高速公路路面坡度,是由道路的縱坡和路面橫坡兩個因素決定。在同一條道路上，路面坡度最小處就是縱坡為零的路段。因此，路面排水最不利的路段就是縱坡為零的路段，一般也就是暴雨時路面水膜最厚的路段。本文的水膜厚度計算均假設(shè)縱坡為零。

暴雨頻率按《公路排水設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D33-2012)[4]規(guī)定采用5年一遇，暴雨強度按暴雨前5min平均降雨強度計算。

按《公路排水設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D33-2012)[4]圖9.1.7-1，福建省位于5年一遇10min暴雨平均降雨速率等值線2.5mm/min和等值線2.0mm/min之間，偏于安全取其上限值，5年一遇10min暴雨平均降雨速率為2.5mm/min。按《公路排水設(shè)計規(guī)范》9.1.3條和9.1.4條，t取5min。

《公路排水設(shè)計規(guī)范》公式9.1.7，不同降雨頻率和不同降雨時長下暴雨平均速率轉(zhuǎn)換公式如(1):

qp,t=cpctq5,10

(1)

查文獻[4]表9.1.7-1[6]、表9.1.7-2[6]，cp=1.0,ct=1.25，代入上式:

q5,5=1×1.25×2.5=3.125(mm/min)

降雨速率可取3.125mm/min。

2 普通瀝青路面水膜厚度計算

由于公路設(shè)計規(guī)范和市政道路設(shè)計規(guī)范對降雨時路面水膜厚度計算均未作出規(guī)定，但有比較多的研究結(jié)果可供參考，影響比較大的有RRL模型、NCHRP模型、Gallaway 模型、VERT模型、以及東南大學(xué)和交通部科研所的季天劍、黃曉明模型等[7]，本文采用國內(nèi)引用較多的季天劍、黃曉明模型計算5年一遇暴雨強度下的普通瀝青路面水膜厚度。對于普通瀝青路面的水膜厚度，季天劍、黃曉明、劉清泉、唐國奇等通過模型實驗取得經(jīng)驗公式(2)[8]：

h=0.1258l0.6715i-0.3147TD0.7261

(2)

其中，l為最外側(cè)車行道右側(cè)輪跡帶距離路面左邊緣距離(m)，i為路面坡度，r為5年一遇5分鐘暴雨平均降雨速率(mm/min)，TD為路面構(gòu)造深度(mm)，瀝青路面取0.7mm，SMA路面取1.5mm，以及《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，瀝青路面最小構(gòu)造深度為0.55mm[9](此時稱AC*)。

3 排水瀝青面層路面水膜厚度計算

對于排水瀝青路面，雖然也有較多研究成果，但《排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則(報批稿)》[8]編寫組，對此前相關(guān)研究成果已經(jīng)進行過歸納總結(jié)，并通過實驗驗證。因此，本文直接按《排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則(報批稿)》[8]提供的公式來計算對應(yīng)情況下排水瀝青路面水膜厚度并進行對比。

(3)

(式3按文獻[10]公式4.4.2-2[10])

其中，h輪——橫斷面最低側(cè)輪跡帶處計算降雨強度下水膜厚度；h—排水面層(排水功能層)厚度(cm)；iz——縱坡坡度(%)；ih——橫坡坡度(%)；W——降雨強度(cm/s)；l——最外側(cè)車行道右側(cè)輪跡帶距離路面左邊緣距離(m)；n——粗糙系數(shù)，經(jīng)驗常數(shù)，可在 0.02～0.04 之間取值，排水瀝青路面一般取 0.03；k——排水瀝青混合料透水系數(shù)(cm/s)，按文獻[8]附錄C，k值應(yīng)通過試驗確定，實踐中此值為0.6～1.0之間。本文計算中取0.6，使計算水膜厚度偏厚。

由于不同規(guī)范和論文之間用詞不同，本文中降雨強度和降雨速率兩詞具有相同意義。

按路面橫坡(排水瀝青路面和普通瀝青路面橫坡)分3組計算，分別是1%和1.5%、1.5%和2.0%、2.0%和2.5%；其中，第一組和第二組計算雙向4車道和6車道，第三組計算雙向8車道和10車道。

4 路面水膜厚度對比

計算結(jié)果如表1所示。

表1 路面水膜厚度一

橫坡%坡長12(3)15.75(4)TD(mm)1.5PAC路面3.143.7-2AC路面4.285.140.72.5AC路面3.994.790.72.5SMA路面6.948.341.52.5AC?路面3.354.0250.55表3 路面水膜厚度三

橫坡%坡長8.25(2)12m(3)TD(mm)0.5PAC路面3.844.81-1PAC路面2.983.73-1.5PAC路面2.513.141.5AC路面3.724.690.72AC路面3.404.280.72SMA路面5.917.451.52AC?路面2.853.600.55

注：1.*其中坡度0.5%一欄供超高過渡段參考

2.*坡長后括號內(nèi)為單向車道數(shù)

由表1～表3可以看出，當(dāng)縱坡為零，相同路面橫坡情況下，道路車道數(shù)越多或路面越寬，排水路面對降低路面水膜厚度貢獻越大。按表1～表2，當(dāng)單向車道數(shù)為3車道到5車道時，路面橫坡為2%的具有排水面層的瀝青路面上的水膜厚度僅為同寬度具有2.5%路面橫坡的普通瀝青路面上的水膜厚度的67%，即使按設(shè)計規(guī)范的最小構(gòu)造深度計算，其厚度也僅僅是普通瀝青路面的80%。而單向路面1.5%橫坡的具有排水面層的瀝青路面上的水膜厚度甚至比同寬度的2.5%橫坡的普通瀝青路面上的水膜厚度還要小。表3表明，相同斷面寬度的道路，具有排水路面的瀝青路面相比于各種常用路面橫坡暴雨下的水膜厚度，比其橫坡大一級(一級0.5%)的普通瀝青路面或SMA路面更小，雨天行車安全性能更好。

5 結(jié)論

本文通過計算表明,同樣的路面寬度或同樣車道數(shù)的路面，在5年一遇頻率的暴雨強度下，采用排水瀝青面層的路面，其水膜厚度比采用更高一級路面橫坡的AC路面或SMA路面還要低，即雨天行車安全性更高。這就證明采用排水路面的瀝青路面可以在降低一級路面橫坡設(shè)計坡度的情況下保證雨天路面水膜厚度相比普通瀝青路面不增加，雨天行車安全性不下降。

因此,在設(shè)計中遇到受限路段,可參考計算表中數(shù)據(jù)選用較小橫坡的排水面層路面結(jié)構(gòu)代替普通瀝青路面。

此外，計算結(jié)果對采用雨天公路安全容許速度可變限速方法進行交通管理有一定參考作用。