基于改進(jìn)防眩角的高速公路彎道段中分帶防眩植物間距研究

耿靚靚, 秦夢(mèng)圓

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063;2. 武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

高速公路尤其是彎道路段夜間行車(chē)時(shí)，駕駛?cè)巳菀资艿綄?duì)向來(lái)車(chē)前照燈的眩光刺激，影響行車(chē)安全，需要在中央分隔帶設(shè)置防眩設(shè)施。防眩設(shè)施分為防眩板、防眩網(wǎng)和防眩植物，與防眩板和防眩網(wǎng)相比，防眩植物的防眩效果好[1]，同時(shí)可增加高速公路綠化率，在景觀效果和環(huán)保方面要優(yōu)于防眩板，有利于緩解駕駛?cè)说钠诟泻蛦握{(diào)感。防眩植物的設(shè)置間距疏密程度、高度高低以及冠幅大小等因素都會(huì)對(duì)防眩效果產(chǎn)生一定的影響，然而現(xiàn)行規(guī)范對(duì)防眩植物設(shè)置存在一定缺失[2]，工程實(shí)踐中對(duì)防眩植物的設(shè)置存在一定盲目性和不確定性，大多遵循“統(tǒng)一、整齊”的指導(dǎo)思想，并未考慮路線線形特征差異，削弱了中央分隔帶綠化植物的防眩效果[3]。

對(duì)于高速公路中央分隔帶防眩植物的間距設(shè)置，肖代全等分析了不同的橫斷面結(jié)構(gòu)、平豎曲線半徑和車(chē)型組合等應(yīng)用環(huán)境，并給出了各約束條件下的株距建議值[4]；樊亞珍等從行車(chē)視覺(jué)連續(xù)性的角度出發(fā)，提出誘導(dǎo)行車(chē)視線與防眩功能相結(jié)合的方法[5]；張治軍等認(rèn)為車(chē)輛行駛處的曲率半徑會(huì)導(dǎo)致防眩角增加，并用圖解法進(jìn)行了驗(yàn)證[6]。

由既有研究可知，防眩角是防眩設(shè)施間距、高度設(shè)計(jì)的主要計(jì)算參數(shù)，因受駕駛員視覺(jué)特性、個(gè)體因素以及道路線形等多方面因素的影響，最佳防眩角一直難以確定[7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從前照燈光形成原理[1]、光學(xué)理論[8,9]、視覺(jué)連續(xù)性[10]、視覺(jué)感知能力[11～13]等方面對(duì)眩光與視覺(jué)的關(guān)系展開(kāi)了研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，直線段兩車(chē)相會(huì)50 m時(shí)，光線對(duì)駕駛員視距的影響最大，此時(shí)防眩角為9.4°[14]。

不過(guò)，以上研究均將駕駛員視線方向默認(rèn)為行車(chē)道切線方向，將車(chē)輛默認(rèn)為在車(chē)道中心線上行駛，未考慮車(chē)輛實(shí)際行駛軌跡和視線方向，導(dǎo)致防眩角計(jì)算產(chǎn)生偏差。本文將綜合考慮駕駛員視線方向、車(chē)輛行駛軌跡、車(chē)型大小，對(duì)彎道路段防眩角進(jìn)行修正，對(duì)高速公路彎道路段中央分隔帶防眩植物間距設(shè)置進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 高速公路彎道路段中央分隔帶防眩植物間距設(shè)置原理

1.1 規(guī)范要求

(1)依據(jù)JTG B05—2015《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》，宜將高速公路劃分為平直路段、平曲線路段、縱坡路段、彎坡組合路段、隧道路段和互通式立體交叉路段等分析單元[15]。本文主要研究平曲線路段和彎坡組合路段等彎道路段上防眩植物的配置問(wèn)題。

(2)依據(jù)JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，防眩設(shè)施應(yīng)按部分遮光原理設(shè)計(jì)，直線路段防眩角不小于8°，平豎曲線路段防眩角應(yīng)為8°～15°[2]。

(3)交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院進(jìn)行的防眩試驗(yàn)表明，當(dāng)相會(huì)車(chē)輛橫向距離達(dá)14 m以上時(shí)，相會(huì)兩車(chē)燈光不會(huì)使駕駛?cè)搜Ｄ俊?/p>

1.2 直線路段防眩特征

直線路段包括了平直路段和縱坡路段，當(dāng)對(duì)向車(chē)輛均在超車(chē)道上行駛時(shí)，眩光影響最嚴(yán)重[14]。該路段中央分隔帶植物防眩原理如圖1所示。

圖1 直線路段防眩植物設(shè)置原理

根據(jù)防眩原理圖可以看出，植物設(shè)置最小間距l(xiāng)與道路線形、防眩角θ以及植物冠幅d0緊密相關(guān)。根據(jù)幾何關(guān)系可知，植株間距可表示為：

l=d0/sinθ0

(1)

式中:防眩角θ0取9.4°。

1.3 彎道路段防眩特征

彎道路段包括圓曲線路段和緩和曲線路段，圓曲線路段中央分隔帶植物防眩原理如圖2所示。

圖2 彎道段防眩植物設(shè)置原理

根據(jù)JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》，平曲線路段防眩角計(jì)算公式為：

(2)

式中：R為對(duì)向車(chē)所處地點(diǎn)曲率半徑；b3為駕駛?cè)怂幍攸c(diǎn)與道路中心線的間距；θ0為平直路段防眩角大小。

而對(duì)緩和曲線路段來(lái)說(shuō)，曲率連續(xù)變化，緩和曲線常采用回旋線的形式，基本公式為：

rl=A2

(3)

式中：r為回旋線某點(diǎn)的曲率半徑；l為回旋線某點(diǎn)到原點(diǎn)的曲線長(zhǎng)；A為回旋線參數(shù)。在回旋線終點(diǎn)處，A滿足:

(4)

式中：R為回旋線所連接的圓曲線半徑；LS為回旋線緩和曲線長(zhǎng)度。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)根據(jù)最不利原則，取緩和曲線兩端點(diǎn)較小的曲率半徑作為該段緩和曲線的計(jì)算曲率半徑。

2 防眩角影響因素分析

2.1 駕駛員影響因素

2.1.1 眩目規(guī)律

彎道路段兩車(chē)相會(huì)時(shí)，相對(duì)位置在不停地變化，汽車(chē)前照燈與對(duì)方駕駛員視線間的夾角隨之改變，眩目程度也在發(fā)生著變化。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)[9]，汽車(chē)在彎道行駛時(shí)，隨著兩車(chē)距離的減小，前照燈對(duì)對(duì)向駕駛員的眩目程度逐漸上升，經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)后又逐漸下降。燈光在駕駛員眼中的入射角相對(duì)于水平直線情況下較大，導(dǎo)致兩車(chē)直線距離在90 m左右的時(shí)候?qū)Ψ今{駛員即開(kāi)始感覺(jué)到眩目，相距25 m左右的時(shí)候眩目達(dá)到最嚴(yán)重的程度，然后隨著距離的減小眩目程度又降低(圖3[9])。圖3中，相對(duì)上升對(duì)比度閾用來(lái)評(píng)估前照燈燈光在背景亮度下可見(jiàn)程度。

圖3 轉(zhuǎn)彎時(shí)的眩目規(guī)律

2.1.2 駕駛員視線方向

(1)注視點(diǎn)偏移現(xiàn)象

在研究駕駛?cè)艘曈X(jué)特征的過(guò)程中，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了駕駛?cè)艘曈X(jué)具有前視作用，注視點(diǎn)總是落在車(chē)輛前方一定距離處?？梢钥闯?，駕駛?cè)艘暰€方向與車(chē)輛行駛方向并不相同，存在一定的偏角。因此，可以通過(guò)研究駕駛?cè)艘暰€與車(chē)輛行駛方向的偏角對(duì)防眩角進(jìn)行修正，進(jìn)而改善植物防眩間距設(shè)置方法。

邢大偉[16]通過(guò)跟車(chē)試驗(yàn)對(duì)駕駛?cè)说念A(yù)瞄行為進(jìn)行了研究，分析出駕駛?cè)嗽谧笙蚝陀蚁驈澋佬旭倳r(shí)，注視點(diǎn)均集中于曲線頂點(diǎn)處，如圖4[16]所示。

圖4 彎道段駕駛?cè)俗⒁曁卣鼽c(diǎn)分布

可以看出，駕駛?cè)嗽谧笙驈澋缆范涡旭倳r(shí)，視線會(huì)向左側(cè)偏轉(zhuǎn)，而對(duì)向車(chē)前照燈亦是從左側(cè)射入，所以更容易受到對(duì)向來(lái)車(chē)眩光的刺激，此時(shí)防眩角θ已不能滿足防眩設(shè)施遮擋眩光的要求，應(yīng)相應(yīng)增大。設(shè)視線偏轉(zhuǎn)角為α，修正后的防眩角為

γ=θ+α

(5)

駕駛?cè)嗽谟蚁驈澋缆范涡旭倳r(shí)，視線會(huì)向右側(cè)偏轉(zhuǎn)，而對(duì)向車(chē)前照燈是從左側(cè)射入，因此受到對(duì)向來(lái)車(chē)眩光的刺激會(huì)減小，防眩角θ仍能滿足防眩設(shè)施遮擋眩光的要求，防眩角無(wú)需修正。

綜上，左向轉(zhuǎn)彎車(chē)輛對(duì)防眩角的要求更高。因此，對(duì)彎道路段防眩角進(jìn)行修正時(shí)，只需計(jì)算左向轉(zhuǎn)彎路段視線偏角大小。

(2)防眩角修正計(jì)算

駕駛?cè)嗽谧笙驈澋缆范涡旭倳r(shí)，視線與路段線形的幾何關(guān)系示意圖如圖5所示。

圖5 左向彎道路段視線幾何示意圖中：O點(diǎn)表示平曲線圓心；A為駕駛?cè)艘朁c(diǎn)位置；B為駕駛員視線與車(chē)輛所在車(chē)道內(nèi)邊緣線的切點(diǎn)；E為車(chē)輛左側(cè)車(chē)輪位置；AB為駕駛?cè)艘暰€方向；AD為車(chē)輛行駛方向

設(shè)視線偏轉(zhuǎn)角為α，則根據(jù)幾何關(guān)系可知，α等于∠AOB的大小，而∠AOB滿足以下公式：

(6)

式中：R為圓曲線半徑；d為中央分隔帶寬度；L0為車(chē)道寬度；n為高速公路單側(cè)車(chē)道數(shù)；lOA,lOB分別為平曲線圓心至駕駛?cè)艘朁c(diǎn)位置、駕駛員視線與車(chē)輛所在車(chē)道內(nèi)邊緣線切點(diǎn)的距離；lAC為駕駛?cè)伺c所在車(chē)道內(nèi)邊緣線的橫向距離；lAE為駕駛?cè)塑|干與車(chē)輛左側(cè)車(chē)輪的橫向距離；lCE為車(chē)輛左側(cè)車(chē)輪與所在車(chē)道內(nèi)邊緣線的橫向距離。顯然，lAC=lAE+lCE，則可求出視線偏轉(zhuǎn)角α的大?。?/p>

(7)

由幾何關(guān)系可知，車(chē)輛行駛時(shí)越靠近左側(cè)，駕駛?cè)嗽饺菀资艿窖９庥绊懀虼酥恍枰?jì)算最左側(cè)超車(chē)道的視線偏轉(zhuǎn)角。此時(shí)，式(7)中n=1，可簡(jiǎn)化為：

(8)

可以看出，視線偏轉(zhuǎn)角與駕駛?cè)艘朁c(diǎn)與車(chē)輛左側(cè)車(chē)輪的橫向距離lAE和最左側(cè)超車(chē)道的車(chē)輛左側(cè)車(chē)輪至中央分隔帶外緣的橫向距離lCE有關(guān)。

2.2 車(chē)輛影響因素

2.2.1 車(chē)輛行駛軌跡

我國(guó)很多道路研究和設(shè)計(jì)方法都將公路車(chē)輛行駛軌跡假設(shè)為在道路中心線行駛。然而車(chē)輛的行車(chē)軌跡和運(yùn)行速度、車(chē)輛類型有關(guān)，直線路段不同車(chē)型的車(chē)輛兩側(cè)側(cè)向安全寬度與車(chē)輛行駛速度之間具有線性關(guān)系[17]，進(jìn)一步可求得曲線外側(cè)超車(chē)道左前輪輪跡與左側(cè)路緣帶距離，如表1[18]所示。

表1 高速公路曲線外側(cè)超車(chē)道左前輪輪跡與左側(cè)路緣帶距離

從表1中可以看出，高速公路曲線外側(cè)超車(chē)道左前輪輪跡與左側(cè)路緣帶距離隨設(shè)計(jì)速度的增大而增大，且小型車(chē)的距離在同樣的設(shè)計(jì)速度下比大型車(chē)更大。

結(jié)合式(5)，(8)和表1，可求得修正后的防眩角γ的大小。

2.2.2 車(chē)輛車(chē)型參數(shù)

小客車(chē)(小型車(chē))和載重汽車(chē)(大型車(chē))是道路線形設(shè)計(jì)所采用的代表性車(chē)輛，前者車(chē)身寬度為1.8 m，后者寬度為2.5 m。載重汽車(chē)駕駛?cè)说囊朁c(diǎn)大概在車(chē)身左側(cè)0.6 m位置，小客車(chē)駕駛?cè)说囊朁c(diǎn)大概在車(chē)身左側(cè)0.5 m的位置，如圖6所示。

圖6 載重汽車(chē)與小客車(chē)視點(diǎn)位置/m

2.3 防眩植物冠幅因素

根據(jù)對(duì)全國(guó)各區(qū)域高速公路中央分隔帶常見(jiàn)植物配置的調(diào)研分析，將其分為常綠喬木、落葉小喬木或灌木、地被植物等三類。具體參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 高速公路中央分隔帶常見(jiàn)植物配置調(diào)研表

在上述植物中，常綠喬木冠幅最大，常綠小喬木或灌木冠幅較小，地被植物常用于景觀設(shè)置，無(wú)防眩功能。由上表可以看出，中央分隔帶防眩植物的冠幅集中于0.5～2 m之間。

3 防眩植物間距設(shè)置計(jì)算

3.1 防眩角修正計(jì)算

由式(1)，(5)，(8)可得，高速公路彎道路段中央分隔帶植物防眩角計(jì)算公式為：

(9)

國(guó)內(nèi)對(duì)高速公路圓曲線不同設(shè)計(jì)速度下的極限最小半徑和一般最小半徑做出規(guī)定，如表3[19]所示。

表3 圓曲線最小半徑規(guī)范值

取中央分隔帶寬度為2 m，平直路段防眩角為9.4°，依據(jù)表1、式(9)求出不同車(chē)型左向轉(zhuǎn)彎時(shí)在各半徑下所需防眩角的大小，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 防眩角修正計(jì)算表

表4中修正防眩角均滿足規(guī)范要求[2]。取設(shè)計(jì)速度為120 km/h的小型車(chē)為例，當(dāng)圓曲線半徑從1000 m變成650 m時(shí)，規(guī)范防眩角增大，防眩角偏移減小，修正后防眩角增大?？梢钥闯?，公路設(shè)計(jì)速度、圓曲線半徑相同時(shí)，小型車(chē)所需的防眩角更大，更容易受到眩光影響，根據(jù)最不利原則，后續(xù)計(jì)算均選取小型車(chē)為計(jì)算車(chē)型；設(shè)計(jì)速度相同時(shí)，圓曲線半徑越小，所需的防眩角越大；圓曲線半徑相同，設(shè)計(jì)速度越大，所需的防眩角越大。

3.2 防眩植物間距計(jì)算

由式(1)，(9)可得，高速公路彎道路段中央分隔帶防眩植物間距計(jì)算公式為：

(10)

通過(guò)式(10)，根據(jù)彎道路段曲線半徑、中央分隔帶寬度、植物冠幅、代表車(chē)型等參數(shù)即可求得彎道路段中央分隔帶防眩植物間距大小。

現(xiàn)參考表2,4，針對(duì)不同圓曲線半徑R和植物冠幅d0，對(duì)中央分隔帶防眩植物配置間距進(jìn)行計(jì)算，并得出推薦值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 高速公路中央分隔帶防眩植物間距推薦值 m

可以看出，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為120 km/h、植物冠幅在1.0～2.0 m之間時(shí)，防眩植物間距設(shè)置范圍為3.9～8.0 m，并隨著植物冠幅的增大而增大；當(dāng)設(shè)計(jì)速度為100 km/h、植物冠幅在1.0～2.0 m之間時(shí), 防眩植物設(shè)置間距范圍為3.5～7.9 m；當(dāng)設(shè)計(jì)速度為80 km/h、植物冠幅在1.0～2.0 m之間時(shí),防眩植物設(shè)置間距范圍為3.0～6.9 m。

3.3 與其他模型對(duì)比及適應(yīng)性分析

3.3.1 與規(guī)范對(duì)比

與規(guī)范要求相比，考慮駕駛員視線偏移時(shí)，防眩角得到了修正，防眩植物的間距普遍縮小1～4 m，更有效地遮擋了對(duì)向眩光，保障了行車(chē)安全變化，縮小值如表6所示。

表6 防眩角修正后中央分隔帶防眩植物間距縮小值 m

3.3.2 與其他模型對(duì)比

同時(shí)，將本文基于改進(jìn)防眩角的植物間距計(jì)算方法與部分文獻(xiàn)中的計(jì)算方法進(jìn)行橫向比較，分別計(jì)算圓曲線半徑為1000，700，400，250 m，植物冠幅1.0 m，中央分隔帶寬度為2.0 m條件下的防眩植物設(shè)置間距。結(jié)果如表7所示。

表7 防眩植物間距計(jì)算橫向比較 m

可以看出，本文基于改進(jìn)防眩角的防眩植物間距計(jì)算值比其他方法相同情況下的間距值要小，植物遮光效果更好，駕駛員受到的眩光刺激更小。

3.3.3 適應(yīng)性分析

由幾何關(guān)系可知，彎道路段兩車(chē)距離越遠(yuǎn)，駕駛員被前照燈照射感到眩目的可能性越大。由2.1.1可知，彎道路段兩車(chē)相距90 m時(shí)開(kāi)始感受到眩目，現(xiàn)檢驗(yàn)本文修正的防眩角可否滿足遮擋此距離的眩光的要求。

假定兩車(chē)均在超車(chē)道行駛，取中央分隔帶寬度為2 m，對(duì)兩車(chē)及圓曲線圓心形成的三角形進(jìn)行分析，根據(jù)余弦定理，同時(shí)考慮駕駛員視線偏移，可求得此時(shí)駕駛員所需防眩角的大小γ′，并與本文修正防眩角γ進(jìn)行對(duì)比，如表8所示。

表8 彎道路段防眩角檢驗(yàn)

可以看出，本文修正后的防眩角比所需防眩角大,可以滿足該條件下遮擋眩光的需求。

4 案例分析

本文以貴州省劍河—黎平高速公路TJ-4-2標(biāo)段為例(以下簡(jiǎn)稱“劍黎高速TJ-4-2標(biāo)段”)，進(jìn)行中央分隔帶防眩植物間距計(jì)算。

劍黎高速TJ-4-2標(biāo)段起始樁號(hào)為K32+699.063，終點(diǎn)樁號(hào)為K36+664.000，總長(zhǎng)度3964.937 m。其中起點(diǎn)至K34+821.511段為分離式隧道，不需要進(jìn)行防眩設(shè)置。K34+821.511至終點(diǎn)為雙向四車(chē)道，需要進(jìn)行防眩植物設(shè)置。行車(chē)道寬度為3.75 m，路線設(shè)計(jì)速度為80 km/h，中央分隔帶寬度為1.5 m，路緣帶寬度為0.5 m。圓曲線最小半徑為720 m，不設(shè)超高最小半徑為2500 m。

依據(jù)式(10)及路線平面線形數(shù)據(jù)，取植物冠幅為1.5 m，計(jì)算出該標(biāo)段中央分隔帶防眩植物間距建議值，如表9所示?？梢钥闯觯摌?biāo)段在平直路段防眩植物間距建議值為9.18 m，防眩角為9.4000°；彎道路段防眩植物間距建議值為8.31 m，防眩角范圍為10.3983°～10.3986°。

表9 劍黎高速TJ-4-2標(biāo)段中分帶防眩植物間距建議值

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高速公路彎道路段駕駛員特性、道路特性、植物配置特性的分析，提出了彎道路段防眩角修正方法，總結(jié)了中央分隔帶常見(jiàn)植物類別特性，提出了不同平曲線長(zhǎng)度、設(shè)計(jì)速度的高速公路防眩植物間距建議值計(jì)算方法。主要有以下結(jié)論：

(1)駕駛員在左向彎道路段行駛時(shí)，更容易受到眩光影響，防眩角增大，需要對(duì)防眩角進(jìn)行修正；

(2)防眩角的大小與公路設(shè)計(jì)速度呈正相關(guān)，與圓曲線半徑大小呈負(fù)相關(guān)，小汽車(chē)需要的防眩角更大；

(3)根據(jù)最不利原則，應(yīng)選取小型車(chē)為防眩設(shè)置的計(jì)算車(chē)型。

本文關(guān)于防眩植物間距建議值的計(jì)算是以單一植物冠幅為計(jì)算變量，工程應(yīng)用中可綜合氣候、土壤、防眩、景觀需求選擇植物類型，采取單一種植或混合種植，依據(jù)建議值對(duì)間距進(jìn)行調(diào)整。