西藏高原地區(qū)高速公路路面結(jié)冰狀態(tài)關鍵控制因子確定

張 昱，樊兆董，李志杰

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2.山東省路域安全與應急保障交通運輸行業(yè)重點實驗室，山東 濟南 250102；3.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250098）

引言

惡劣氣象條件引發(fā)交通事故頻發(fā)、擁堵延誤和中斷加劇等，對公路網(wǎng)運行的安全性具有巨大挑戰(zhàn)，尤其是西藏高原地區(qū)高速公路，地處高海拔。從路面結(jié)冰的原理和階段，多角度分析路面結(jié)冰的影響因素，得出路面結(jié)冰的條件、類型和特征。通過室內(nèi)的試驗，研究黑冰、冰霜等路面結(jié)冰狀態(tài)的形成過程和規(guī)律，找出路面結(jié)冰狀態(tài)的關鍵控制因子，為西藏高原地區(qū)高速公路路面結(jié)冰狀態(tài)預測研究提供理論基礎。

1 路面結(jié)冰的特征分析

路面結(jié)冰是道路表面上積聚冰層的現(xiàn)象。通過分析路面結(jié)冰的原理和階段，查出路面結(jié)冰的各種影響因素，從不同的冬季路面結(jié)冰天氣過程，得出路面結(jié)冰的條件，確定不同的路面結(jié)冰類型和特征。

1.1 結(jié)冰路面對交通安全的影響

車輛行駛在結(jié)冰路面上，摩擦力大幅降低，容易失去控制，發(fā)生側(cè)滑、側(cè)翻、旋轉(zhuǎn)和追尾等交通事故。特別是高原地區(qū)，如遇到不規(guī)律分布的殘冰路面，存在很大交通安全隱患。結(jié)冰路面對西藏高原地區(qū)高速公路交通安全的影響主要表現(xiàn)在路面摩擦系數(shù)降低。

1.2 路面結(jié)冰原理和階段

水結(jié)成冰是水的溫度在持續(xù)降溫最終結(jié)冰的過程。路面結(jié)冰的快慢，不僅與水體接觸的材料性質(zhì)有關，還與空氣流速、外界溫度差、結(jié)冰表面積、水的過冷度大小有關。結(jié)冰路面的形成，與接觸的路面材質(zhì)、路面溫度、大氣溫濕度、風速、降水等多種因素都有關系。

1.3 路面結(jié)冰影響因素分析

高速公路具有線性特性，路面結(jié)構(gòu)裸露在大氣之中，直接承受車輪荷載作用，除氣候因素影響外，還受到如沿線地形地貌、道路結(jié)構(gòu)物、交通狀況等其它多種因素的綜合影響，引發(fā)路段結(jié)冰現(xiàn)象，且高海拔路段、橋梁路段、臨湖路段、背陰路段等都易出現(xiàn)路面結(jié)冰。

1.3.1 氣候因素對路面溫度的影響

氣候因素對路面溫度的影響主要體現(xiàn)在大氣溫濕度、太陽輻射、云層覆蓋、風速、降水量和蒸發(fā)量等多方面，也是決定路面溫度最重要的因素。其中決定路面狀況最重要的因素是太陽輻射和大氣溫度，而云層反射、吸收以及釋放熱量、風混合地面空氣層等因素可有效降低路面溫度變化的幅度。

1.3.2 空間因素對路面溫度的影響

空間因素取決與路側(cè)樹木和建筑物的分布情況，這些因素通過遮蔽作用降低了到達路面的太陽輻射。如果路側(cè)有較高的物體，例如樹木，地面輻射就會被更多的反射回地面，降低路面變冷的速度。

1.3.3 路面材料構(gòu)成對路面溫度的影響

不同的路面材料對能量的吸收和發(fā)散都有不同的比率，兩條不同材料的路面達到最低溫度的時間也不同。道路材料的深度也是重要因素，越深溫度就會越高，因此高速公路和主干道一般會比其他道路溫度高，也受到車流量的影響。

1.3.4 道路結(jié)構(gòu)物對路面溫度的影響

橋面因為其結(jié)構(gòu)以及熱容量小的緣故更容易變冷。鋼鐵橋面會比一般路面溫度降低更快，因為它有很高的熱量傳導性以及較差的熱量保持性，這種低熱容的特性會導致一些路段產(chǎn)生短期的結(jié)冰現(xiàn)象。橋面的路面溫度要比周圍其它路段低，因此這些區(qū)域一般被視為結(jié)冰風險路段。

1.3.5 交通因素對路面溫度的影響

夜間，一定的交通流會保持路面溫度，抵消一部分由于地面輻射造成的熱量流失。交通流可混合地表附近的冷暖空氣層，降低夜間路面的熱量散失。同時，輪胎和路面之間的摩擦產(chǎn)生熱量及引擎和排氣管排放的熱量會比那些有著較小交通流路段的路面溫度高。

綜上所述，路面結(jié)冰受到氣候、空間、路面材料、結(jié)構(gòu)物和交通等多種因素的綜合影響，限于試驗條件和數(shù)據(jù)采集的難度，主要分析受氣候因素影響下路面結(jié)冰現(xiàn)象。

1.4 路面結(jié)冰條件

路面結(jié)冰的必要條件是路面低溫。不管是哪一類路面結(jié)冰天氣過程，無論是否有降水，只要路面上存在一定量的水汽，包括降雨、降雪或路面融雪、車輛尾氣等因素引發(fā)的情況，當路面溫度低于0 ℃時，就有可能出現(xiàn)路面結(jié)冰。

1.5 路面結(jié)冰類型與特征

路面結(jié)冰特征類型見表1。

表1 路面結(jié)冰類型

2 路面結(jié)冰試驗研究

根據(jù)分析結(jié)果，通過室內(nèi)試驗，研究路面結(jié)冰狀態(tài)的形成過程和規(guī)律，確定路面結(jié)冰狀態(tài)形成的關鍵控制因子。路面結(jié)冰的主要影響因素包括：路面溫度、大氣溫度、露點溫度、相對濕度、風速、降水（降雨、降雪）等。路面結(jié)冰的形成都離不開水汽條件和路面低溫。因此，在試驗設計過程中，主要考慮降水量和路面溫度對路面結(jié)冰形成的影響。

路面結(jié)冰室內(nèi)試驗中，主要控制參數(shù)確定為路面溫度、降水量/水膜厚度、路面?zhèn)鞲衅鬏敵鲭妷褐岛徒Y(jié)冰程度/結(jié)冰率。

2.1 試驗設計

2.1.1 試驗目的

室內(nèi)試驗在氣象模擬試驗系統(tǒng)中進行，目的是進行環(huán)境模擬，一是確定不同水膜厚度在低溫條件下，與電壓值的對應關系，確定最早出現(xiàn)結(jié)冰的水膜厚度。二是通過控制氣象要素，觀察路面結(jié)冰的形成過程和規(guī)律。確定路面結(jié)冰程度隨時間的變化情況。

2.1.2 試驗設備和材料

設備和材料主要包括：氣象模擬試驗系統(tǒng)及平臺、路面試塊及路面狀態(tài)傳感器、游標卡尺等。

2.1.3 試驗環(huán)境

（1）結(jié)冰點溫度范圍：-20 ～0 ℃；（2）路面溫度測量元件精度：±0.2 ℃，-3 ～75 ℃；（3）路面溫度測量范圍：-40 ～75 ℃；（4）可檢測路面狀態(tài)：路面干燥、路面潮濕、路面覆雪、路面結(jié)冰；（5）水膜厚度：最大10 mm；（6）工作溫度范圍：-40 ～75 ℃。

2.2 試驗方案

考慮到試驗條件和精度，黑冰和冰霜這兩種危險而特殊的路面狀態(tài)，室內(nèi)試驗主要模擬路面干燥、路面潮濕及路面黑冰和冰霜的情況。

2.2.1 水膜厚度試驗

依據(jù)水膜厚度，將路面狀態(tài)分為潮氣、微濕、濕滑三種狀態(tài)。水膜厚度標定試驗的上限是10 mm，根據(jù)噴灑水量與噴灑面積來確定水膜厚度。

2.2.2 不同路面狀態(tài)結(jié)冰程度試驗

受試驗條件限制，試驗在路面低溫且空氣情況對流微弱的情況下，對路面黑冰和冰霜情況進行測試。氣象模擬試驗系統(tǒng)中路面溫度控制在-10～0 ℃，對兩種路面結(jié)冰狀態(tài)進行測試，并觀察其路面結(jié)冰程度隨時間的變化情況。

2.3 試驗數(shù)據(jù)與分析

2.3.1 最早出現(xiàn)結(jié)冰狀態(tài)的水膜厚度

根據(jù)室內(nèi)試驗測試結(jié)果，從路面干燥到水膜厚度為10 mm 的不同狀態(tài)，在-10 ～0 ℃同樣的氣象模擬試驗系統(tǒng)低溫條件下，水膜厚度為1 mm 的狀態(tài)最早出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，用時大約為12 min，而且此時測得的傳感器輸出電壓值約為3.85 V。

2.3.2 不同路面狀態(tài)結(jié)冰形成過程

水膜厚度為1 mm 時最易發(fā)生路面結(jié)冰，因此考慮較薄水膜厚度結(jié)冰的黑冰和冰霜兩種路面狀態(tài)。通過人眼觀察路面結(jié)冰范圍的百分比，將其作為結(jié)冰程度的監(jiān)測指標，記錄整個結(jié)冰形成過程隨時間的變化情況。

3 結(jié)語

（1）模擬黑冰狀態(tài)比冰霜狀態(tài)早出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，主要因為在模擬冰霜狀態(tài)時，使用加濕器對傳感器表面進行加濕，隨著傳感器表面水膜厚度的增加，導致結(jié)冰現(xiàn)象推遲。（2）路面結(jié)冰的速度呈現(xiàn)先慢后快的發(fā)展趨勢，特別是結(jié)霜狀態(tài)模擬過程表現(xiàn)的比較明顯。而且隨著結(jié)冰率的增加，即結(jié)冰表面積越大，結(jié)冰速度越快，耗時越短。（3）通過分析，將大氣溫度、路面溫度、露點溫度、相對濕度、風速、降水等條件作為路面結(jié)冰狀態(tài)的關鍵控制因子。