內(nèi)蒙環(huán)境區(qū)劃與低溫開裂預估研究

鄭 健，高二利，邵先勝，孫耀寧，王選倉

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；2.內(nèi)蒙古公路交通投資發(fā)展有限公司興安分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 137400)

0 前 言

內(nèi)蒙古特別是內(nèi)蒙古東部地區(qū)典型結構研究起步較晚，大量公路存在不同程度的病害，且其他地區(qū)的路面結構設計是否適合內(nèi)蒙古東部地區(qū)還有待商榷，則有必要對影響內(nèi)蒙古東部地區(qū)路面結構的主要因素開展深入研究。

本文全面分析了內(nèi)蒙古東部地區(qū)瀝青路面的主要氣候環(huán)境，利用SPSS統(tǒng)計分析軟件，基于聚類分析方法，深入分析內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣候詳細數(shù)據(jù)，確定道路氣候合理分區(qū)，充分考慮內(nèi)蒙古東部低溫特點，進一步確定低溫設防指標，最終基于實際情況進行交通量等級劃分，為后期確定低溫地區(qū)瀝青典型結構標準提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究對象

內(nèi)蒙古所處地區(qū)位于緯度較高的內(nèi)陸，春季氣溫驟升且日溫差較大，夏季炎熱短暫，秋季常伴隨霜凍，冬季寒冷漫長，降雨少且集中，季節(jié)更替顯著。對內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣候條件進行調(diào)查，是后期提出內(nèi)蒙古東部地區(qū)瀝青路面典型結構的研究基礎，故本文主要調(diào)查內(nèi)容為內(nèi)蒙古東部各地區(qū)道路環(huán)境的極端低溫、極端高溫及降雨量三個方面。

1.2 聚類分析與低溫指標計算模型

由于道路產(chǎn)生病害是多因素、持續(xù)作用且緩慢形成的結果，在進行區(qū)劃時，除了考慮低溫、高溫、降雨的不良影響，還需考慮各因素的持續(xù)作用時間。根據(jù)內(nèi)蒙古東部地區(qū)各氣候因素相對重要程度，以低溫指標作為主導因素，高溫指標作為次要因素，降雨量指標作為輔助因素對內(nèi)蒙古東部地區(qū)進行分區(qū)研究。

在包含溫度、降雨量的研究中，引入低溫重現(xiàn)期，建立Gumbel極值溫度模型，提出基于重現(xiàn)期的瀝青路面低溫設防指標及計算方法，對不同路面結構低溫抗裂性進行評價。

1.3 低溫重現(xiàn)期

在道路行業(yè)，重現(xiàn)期通常是指要研究對象，如降雨、氣溫等的取值在某一周期內(nèi)出現(xiàn)的平均概率。假設研究對象的重現(xiàn)期為T，其計算公式如式(1)所示：

T(x≥xp)=1/P(x≥xi)

(1)

假設研究對象為某一橋梁洪水再現(xiàn)頻率，計算時間取20年，則以20年為重現(xiàn)周期，T20代表每20年內(nèi)出現(xiàn)可能性最大的洪水流量極值，該值并不是重現(xiàn)期內(nèi)一定會出現(xiàn)，實際降水量可能比重現(xiàn)值大，也可能比重現(xiàn)值小。

本研究認為，在道路設計時，類似于需要對道路使用年限內(nèi)交通量進行預測，道路低溫設計溫度同樣需要預測其在一定重現(xiàn)期內(nèi)最可能出現(xiàn)的極值。

1.4 基于Gumbel曲線極值法的重現(xiàn)期低溫設防指標的計算方法

要想得到某一周期內(nèi)可能出現(xiàn)的極限最低氣溫，一般選用的數(shù)學分析方法有適線法和極值分布理論，通過統(tǒng)計研究對象在過去某一周期內(nèi)的變化規(guī)律，預測將來可能出現(xiàn)的概率及具體數(shù)值。

目前，應用較為廣泛的計算模型主要有兩類，一種是皮爾遜Ⅲ型曲線經(jīng)驗模型，一種是Gumbel曲線極值理論模型。在氣溫、降雨等研究中，Gumbel曲線極值計算方法應用最為廣泛，且可以得到很好的模擬結果。根據(jù)調(diào)研分析，內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣溫變化符合正態(tài)分布，可用Gumbel曲線進行極值計算。

2 內(nèi)蒙古東部道路氣候狀況分析

2.1 低溫狀況分析

內(nèi)蒙古東部地區(qū)全年氣溫均處于較低狀態(tài)，各地區(qū)的極端最低氣溫均分布在1月，并且不同地區(qū)的全年最低氣溫變化規(guī)律幾乎一致。其中呼和浩特極端低溫達到-29.4℃，通遼的極端低溫達到-33.9℃，滿洲里的極端低溫達到-43.8℃，而溫度最低的額爾古納在1月份最低溫度甚至達到-45.4℃。大部分城市到6月后，月最低溫度才上升到0℃以上。不同地區(qū)的最低溫度均值為-36.8℃，說明內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣溫總體較低，且大部分城市一年中近8個月最低溫度處于0℃以下。確定了該地區(qū)溫度低且低溫時間長的特點，故對內(nèi)蒙古東部地區(qū)道路設計研究時首先需考慮低溫環(huán)境對道路性能的影響。

2.2 高溫狀況分析

6、7、8月內(nèi)蒙古東部溫度集中較高，各地區(qū)全年高溫變化規(guī)律幾乎相同，各地區(qū)極限最高溫度均值高達39.6℃，其中呼和浩特極端高溫達到38.4℃，額爾古納極端高溫達到39℃，而赤峰、扎魯特的極限高溫甚至高達40℃及以上。近年來這種極端高溫現(xiàn)象在內(nèi)蒙古地區(qū)頻發(fā)，對道路造成了一定影響。所以研究內(nèi)蒙古東部地區(qū)道路設計時需考慮高溫環(huán)境對道路的影響。

2.3 水分對路面的影響

道路水分主要來源于降雨，故針對內(nèi)蒙古東部各代表地區(qū)月降雨量進行調(diào)查，各地區(qū)在全年中降雨量趨勢幾乎相同，其中降雨量高峰期僅為6、7、8三個月，占據(jù)全年降雨量的70%，而其余各月的月降水量不超過30 mm，不足全年降水量的20%。7月為內(nèi)蒙古東部地區(qū)降雨量頂峰時期，但仍未超過150 mm，說明內(nèi)蒙古東部地區(qū)整體降雨量偏少，氣候干旱。但是需要注意的是，由于冬夏降雨量差異很大，7月份的降雨量可達到1月份降雨量的60～100倍，故在極端低溫作用下路面產(chǎn)生開裂后，如未做及時處理，夏季降雨集中，雨水則通過滲透進入結構內(nèi)部，從而引發(fā)道路整體性破壞。因此，在對內(nèi)蒙古東部地區(qū)道路進行研究時，需重點考慮降水對道路性能的影響。

3 氣候區(qū)劃及低溫開裂預估

3.1 基于SPSS的內(nèi)蒙古東部氣候區(qū)劃

通過SPSS軟件對低溫、高溫、降雨數(shù)值進行深入分析，運行得到內(nèi)蒙古東部不同地區(qū)累年各月月均最低溫度分類系統(tǒng)圖，并導出聚類分析冰柱圖及分區(qū)結果。

綜合考慮低溫、降雨量、高溫對道路結構的影響，對內(nèi)蒙古東部地區(qū)進行具體區(qū)劃，基于單因素區(qū)劃結果，得到內(nèi)蒙古東部道路結構綜合氣候區(qū)劃。

3.2 基于重現(xiàn)期的低溫設防指標計算

根據(jù)研究，內(nèi)蒙古東部地區(qū)氣溫變化符合正態(tài)分布，可用Gumbel曲線進行極值計算，本文采用矩法預估。

當要計算的極限最低氣溫重現(xiàn)期給定之后，再根據(jù)氣象站測得的數(shù)據(jù)，計算出均值和方差，就可計算出極限最低氣溫設防值。

根據(jù)上述計算模型，以內(nèi)蒙古東部寒區(qū)為例，計算合理的路面低溫設計溫度。計算過程如下。

確定合理的重現(xiàn)期。瀝青路面低溫設防值重現(xiàn)期應該與道路設計使用年限相匹配。高速、一級公路瀝青路面設計使用年限為15年，基于設計壽命保守考慮，溫度極值重現(xiàn)期不應小于15年。因此，以15年為高等級公路計算周期。

阿爾山位于內(nèi)蒙古東部地區(qū)中心，氣溫具有代表性，故以阿爾山為基準對近60年氣溫進行調(diào)查及統(tǒng)計分析，計算基于重現(xiàn)期的瀝青路面低溫設計設防指標。

表1 低溫重現(xiàn)期極值

按設計規(guī)范求得的高速公路低溫設計溫度為-39.48℃。與表1對比可得，基于重現(xiàn)期的低溫指標設防值更加安全。選取溫度極值重現(xiàn)期為對應等級公路的設計壽命，計算得基于重現(xiàn)期的低溫設防值見表2。

表2 內(nèi)蒙古東部地區(qū)設計年限內(nèi)設防值

3.3 基于重現(xiàn)期的典型路面結構低溫開裂預估

以基于依托工程所在地進行路面低溫抗裂預估，結果如表3所示。

表3 開裂預估計算表

4 結 論

1)基于內(nèi)蒙古東部地區(qū)道路氣候區(qū)劃關鍵因素研究結論，提出了氣候分區(qū)關鍵指標，建立了氣候分區(qū)指標體系，并運用基于SPSS的系統(tǒng)聚類分析方法開展內(nèi)蒙古東部道路氣候合理分區(qū)研究。

2)針對瀝青路面設計規(guī)范中對低溫設計溫度存在的不足，引入溫度重現(xiàn)期，建立了Gumbel極值溫度模型，提出了基于重現(xiàn)期的瀝青路面低溫設防計算公式，得到了內(nèi)蒙古東部地區(qū)公路設計年限內(nèi)低溫設防指標及計算方法。

3)基于改進的開裂預估模型預估了不同典型瀝青路面結構的裂縫指數(shù)。

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