基于路面排水需求的超高過渡段臨界縱坡量化研究

王大為， 尹萬輝

(溫州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 溫州 325000)

公路運營過程中由于路面排水不暢所造成的交通安全事故和經(jīng)濟損失日益增多，路面排水設(shè)計的重要性日益突出[1]。公路路面排水不暢導(dǎo)致雨水在路面滯留，路表形成一層水膜，車輛行駛時輪胎與路面間附著能力和抗滑能力降低，易產(chǎn)生車輛打滑現(xiàn)象，剎車不及時從而導(dǎo)致交通事故發(fā)生[2]；同時雨季長期積水，也會造成瀝青路面病害產(chǎn)生，帶來經(jīng)濟損失。

提高路面排水能力固然可以從加強路基、路面排水措施、改善路面結(jié)構(gòu)排水性能等角度入手，但是造成排水不暢的原因往往是公路路線平、縱、橫組合不當(dāng)，存在綜合坡度上的排水盲區(qū)。尤其對于超高過渡段，其橫坡度存在從下傾變?yōu)樯蟽A的過渡區(qū)，其縱坡由于超高過渡產(chǎn)生的附加縱坡產(chǎn)生疊減削弱，因此成為了實際運營中極易積水區(qū)域[3]。

通過查閱相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，尹健標(biāo)[1]主要通過案例提出超高過渡段存在的不利排水因素，并通過案例列舉了兩種處理方式，并未形成具體化指導(dǎo)性的結(jié)論；梁倩倩[3]從宏觀角度對超高過渡段積水原因進行了論述，但未對具體部位分場合深入細化研究；張愛花[4]重點介紹了對于排水不利區(qū)域采用路面切槽工藝進行有效排水，重在治理；張慶[5]對超高漸變率、合成坡度取值的原因進行了分析，定性的提出建議優(yōu)化縱斷面；周智濤[6]從公路幾何設(shè)計的角度提出改善路面排水，馬慶雷[7]則是從平縱橫各個角度宏觀系統(tǒng)的進行路面排水公路幾何設(shè)計分析。

本文從公路設(shè)計角度出發(fā)，基于合成縱坡0.5%的最小排水要求，對公路超高過渡段各具體位置的臨界縱坡進行分析研究，總結(jié)相應(yīng)的計算公式及控制值，希望能為相關(guān)設(shè)計提供具體且有可操作性的參考。

1 路面排水的路線影響因素分析

公路路面排水從路線角度看主要受路線縱坡、路拱橫坡度、合成坡度影響。

《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20-2017)規(guī)定，公路縱坡不宜小于0.3%。橫向排水不暢的路段或長路塹路段，采用平坡0%或小于0.3%的縱坡時，其邊溝應(yīng)進行縱向排水設(shè)計。該規(guī)定主要是針對公路挖方路塹等路段，考慮路塹邊溝通常與道路縱斷面同坡，為便于其排水，從而規(guī)定最小0.3%的縱向坡度。

路拱橫坡度是為了排水需要，而使車行道的路拱具有一定的橫向坡度。路拱橫坡度值的確定，以有利于路面排水順暢及保證行車安全、平穩(wěn)為原則，直線路段二、三級公路的路拱坡度最小宜采用1.5%，高速公路一級公路宜大于等于2%。根據(jù)路拱橫坡度確定原理可知，其值是在行車安全平穩(wěn)的前提下采用的較大的排水坡度。

合成坡度是指在有超高的路段上，路線縱坡與超高橫坡所構(gòu)成的坡度?！豆仿肪€設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，各級公路最小合成坡度不宜小于0.5%，當(dāng)合成坡度小于0.5%時，會導(dǎo)致路面排水不暢，路面積水易使汽車滑移，前方車輛濺水造成的水幕會影響通視，使行車中易發(fā)生事故，應(yīng)采取綜合排水措施，保證路面排水暢通。合成坡度計算公式[3]如下：

(1)

式中：iH為合成縱坡；iZ為路線縱坡；iC為超高橫坡。

由公式(1)可知，合成縱坡是路面縱坡和橫坡的疊加，是路面的實際坡度，合成縱坡0.5%是滿足排水需求的最小實際需求坡度。

綜上可知，三個參數(shù)中，合成縱坡是最為貼合路面的實際坡度，因此其規(guī)定的最小值0.5%可作為設(shè)計工作中用來衡量路面排水要求的控制性指標(biāo)。另外挖方路塹路段需考慮路面縱坡對邊溝排水的影響。

2 超高過渡段縱、橫坡度變化分析

2.1 超高過渡段的“兩區(qū)三線”劃分

超高是為抵消車輛在曲線路段上行駛時所產(chǎn)生的離心力，在橫斷面上設(shè)置的外側(cè)高于內(nèi)側(cè)的單向橫坡，車輛在設(shè)有超高的彎道上行駛時，借助汽車自重力分力抵消一部分離心力，從而提高行車安全與舒適性[8]。由超高概念可知，超高的形成是一個從直線段的雙向橫坡度繞軸線漸變?yōu)閱蜗蚱露鹊倪^程，超高的實現(xiàn)由超高過渡段與全超高路段兩部分組成。全超高路段路面橫坡度較大、縱坡與設(shè)計縱坡一致，排水順暢，而超高過渡段在漸變過程中，路面橫坡度、縱坡變化復(fù)雜，需進行針對性研究。

超高過渡方式根據(jù)其超高旋轉(zhuǎn)軸位置不同，分為繞中線旋轉(zhuǎn)、繞內(nèi)側(cè)車道邊緣線旋轉(zhuǎn)和繞外側(cè)車道邊緣線旋轉(zhuǎn)三種形式。繞中線旋轉(zhuǎn)和繞內(nèi)側(cè)車道邊緣線旋轉(zhuǎn)都是先繞中線旋轉(zhuǎn)至與路拱橫坡同坡度位置，然后再分別繞中線或內(nèi)側(cè)車道邊緣線旋轉(zhuǎn)。繞外側(cè)車道邊緣線旋轉(zhuǎn)先將中線高程降低至平坡，然后整個斷面再一起繞外側(cè)邊緣線旋轉(zhuǎn)。

本文以實際工作中較為多見的、具有代表特征的繞中線旋轉(zhuǎn)為研究對象，以超高旋轉(zhuǎn)軸(中線)為界，將超高路段分為兩區(qū)：內(nèi)側(cè)區(qū)域和外側(cè)區(qū)域，如圖1所示。內(nèi)側(cè)區(qū)域是超高旋轉(zhuǎn)軸(中線)至路線轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)路面邊緣的區(qū)域，外側(cè)區(qū)域是指超高旋轉(zhuǎn)軸(中線)至路線轉(zhuǎn)向外側(cè)路面邊緣的區(qū)域。同時對路面三線內(nèi)側(cè)邊緣線、超高旋轉(zhuǎn)軸(中線)、外側(cè)邊緣線進行臨界位置縱坡分析。

圖1 超高路段“二區(qū)三線”

2.2 超高過渡段路拱橫坡兩區(qū)變化分析

超高過程，路拱橫坡變化是通過繞超高旋轉(zhuǎn)軸線性過渡實現(xiàn)，路拱橫坡旋轉(zhuǎn)過程如圖2、圖3所示。

圖2 超高旋轉(zhuǎn)橫坡度變化斷面

圖3 超高旋轉(zhuǎn)橫坡度變化平面

分析圖2、圖3，超高過渡段內(nèi)側(cè)區(qū)域的路拱橫坡變化過程中傾向不變，橫坡度由路拱橫坡漸變?yōu)槌邫M坡，在不考慮公路縱坡的情況下，該區(qū)域?qū)嶋H橫坡遠大于0.5%的臨界坡度值，路面水較易排出。外側(cè)區(qū)域的路拱橫坡變化過程中傾向改變，由原來的下傾變?yōu)樯蟽A，期間必然存在一個-0.5%～+0.5%的過渡區(qū)間，在不考慮公路縱坡的情況下，該區(qū)間的實際橫坡小于0.5%，存在排水不暢可能。

2.3 超高過渡段路線縱坡三線變化分析

2.3.1 超高旋轉(zhuǎn)軸縱坡變化分析

超高漸變過程中，由于橫坡度的不斷改變，過渡區(qū)域內(nèi)各路面點高程不斷變化，對應(yīng)縱向高程變化相對紊亂，本次分析取其三條臨界線，超高旋轉(zhuǎn)軸、內(nèi)側(cè)邊線、外側(cè)邊線，通過分析臨界線的路線縱坡，把握區(qū)域縱坡的變化范圍。超高漸變過程中三條臨界線各點相對高差變化如圖4所示。

圖4 超高段“三線”相對高差變化

圖中超高漸變率為iP，超高漸變率為旋轉(zhuǎn)軸線與路面外側(cè)邊緣線之間相對升降的比率，也叫附加縱坡，意即因超高引起的路基邊線的縱坡坡度。其計算見公式(2)。

iP=Δh/L

(2)

式中：iP為超高漸變率(附加縱坡)；Δh為因超高引起的路基邊緣兩點高差(m)；L為超高過渡段長度(m)。

分析圖4，超高旋轉(zhuǎn)軸是旋轉(zhuǎn)軸線，在超高旋轉(zhuǎn)過程中，其高程始終保持不變，因此超高旋轉(zhuǎn)軸縱坡不受超高影響，與路線縱坡保持一致。

2.3.2 內(nèi)側(cè)邊線縱坡變化分析

內(nèi)側(cè)邊線A段、C段、E段與超高旋轉(zhuǎn)軸相對高差均為定值，因此其縱坡與超高旋轉(zhuǎn)軸相同，均為路線縱坡。

內(nèi)側(cè)邊線B段，按路線前進方向，由圖4可知，HYB相對于BG點高程降低，因此該路段由超高高差引起的縱坡為下坡。假定HYB點設(shè)計高程為HB1，BG點設(shè)計高程為HB2，由超高引起的高差為Δhb，則對應(yīng)的內(nèi)側(cè)邊線實際縱坡值見公式(3)。

(3)

結(jié)合公式(2)，可得公式(4)。

iB=iZ-iP

(4)

內(nèi)側(cè)邊線D段，DG相對于YHD點高程變高，則該路段由超高高差引發(fā)的縱坡為上坡。假定HYD點設(shè)計高程為HD1，DG點設(shè)計高程為HD2，由超高引起的高差為Δhd，則對應(yīng)的內(nèi)側(cè)邊線實際縱坡值見公式(5)。

(5)

結(jié)合公式(2)，可得公式(6)。

iD=iZ+iP

(6)

式中：iB為B段實際縱坡；iD為D段實際縱坡；iZ為路線縱坡；iP為超高漸變率(附加縱坡)。

考慮平縱組合需求，變坡點通常不建議設(shè)置在緩和曲線上，因此公式中的iZ均按路線直線縱坡考慮。

分析公式(4)、公式(6)，內(nèi)側(cè)邊線實際縱坡由iZ路線縱坡與iP超高漸變率(附加縱坡)直接加減獲得。當(dāng)iZ路線縱坡與iP超高漸變率(附加縱坡)方向一致時，二者產(chǎn)生疊加效果；二者方向相反時，則產(chǎn)生疊減效果。

2.3.3 外側(cè)邊線縱坡變化分析

外側(cè)邊線G段與超高旋轉(zhuǎn)軸相對高差均為定值，則其縱坡與超高旋轉(zhuǎn)軸相同，均為路線縱坡。

外側(cè)邊線F段、H段，按路線前進方向，由圖4可知，HYF相對于ZH點高程升高，則該路段由超高高差引發(fā)的縱坡為上坡；HZ點相對于YHH高程降低，該路段由超高高差引發(fā)的縱坡為下坡。參照內(nèi)側(cè)邊線實際縱坡分析原理可知，兩段由超高引起的坡度值均為超高漸變率iP(附加縱坡)，則對應(yīng)的外側(cè)邊線實際縱坡值見公式(7)、公式(8)。

iF=iZ+iP

(7)

iH=iZ-iP

(8)

式中：iF為F段實際縱坡；IH為H段實際縱坡；iZ為路線縱坡，iZ均按路線直線縱坡考慮；iP為超高漸變率(附加縱坡)。

分析公式(7)、公式(8)，外側(cè)邊線實際縱坡由iZ路線縱坡與iP超高漸變率(附加縱坡)直接加減獲得。當(dāng)iZ路線縱坡與iP超高漸變率(附加縱坡)方向一致時，二者產(chǎn)生疊加效果；二者方向相反時，則產(chǎn)生疊減效果。

3 基于路面排水需求的超高過渡段最小縱坡計算

3.1 內(nèi)側(cè)邊線對應(yīng)的最小公路縱坡

結(jié)合超高過渡段路拱橫坡兩區(qū)三線分析，對于內(nèi)側(cè)區(qū)域，其實際橫坡度較大，路面排水順暢，受縱斷面坡度影響較小，只需考慮路側(cè)為挖方路塹時，邊溝排水需要的內(nèi)側(cè)邊線縱坡0.3%。

考慮超高漸變率最小值為1/330，因此縱坡疊加區(qū)坡度均滿足排水要求。

對于縱坡疊減區(qū)，考慮超高漸變率范圍為0.3%～1.0%，內(nèi)側(cè)邊線實際縱坡大于等于0.3%時應(yīng)滿足式(9)要求。整理后，映射到設(shè)計線位置路線縱坡見公式(10)。

iZ-iP≥0.3%或iZ-iP≤-0.3%

(9)

iZ≥iP+0.3%或iZ≤iP-0.3%

(10)

式中：iZ為路線縱坡；iP為超高漸變率(附加縱坡)。

3.2 外側(cè)邊線對應(yīng)的最小公路縱坡

對于外側(cè)區(qū)域，超高漸變段的-0.5%～+0.5%區(qū)間合成縱坡存在少于0.5%的可能性，采用極限理論，為使0%橫坡位置滿足合成縱坡0.5%的要求，需使外側(cè)邊線縱坡大于等于0.5%。

對于疊加區(qū)，只需考慮超高漸變率最小值為1/330時，對應(yīng)的最小縱坡0.5%-1/330=0.2%。其他情況超高漸變產(chǎn)生的附加縱坡自身即可滿足0.5%的要求。

對于縱坡疊減區(qū)，考慮超高漸變率范圍為0.3%～1.0%，外側(cè)邊線縱坡大于等于0.5%需滿足式(11)要求。整理后，映射到設(shè)計線位置得公式(12)。

iZ-iP≥0.5%或iZ-iP≤-0.5%

(11)

iZ≥iP+0.5%或iZ≤iP-0.5%

(12)

式中：iZ為路線縱坡；iP為超高漸變率(附加縱坡)。

結(jié)合《公路路線設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于超高漸變率iP具體值的規(guī)定(見表1)，可得內(nèi)外邊線在對應(yīng)縱坡疊減區(qū)臨界縱坡值，見表2、表3。

表1 超高漸變率

表2 內(nèi)側(cè)邊線縱坡疊減區(qū)對應(yīng)臨界路線縱坡

表3 外側(cè)邊線縱坡疊減區(qū)對應(yīng)臨界路線縱坡

4 結(jié)論

(1)路線平曲線超高過渡段外側(cè)區(qū)域存在橫坡度-0.5%～+0.5%的平緩區(qū)域。

(2)路線平曲線超高過渡段內(nèi)側(cè)邊線、外側(cè)邊線因超高漸變率(附加縱坡)影響會出現(xiàn)縱坡疊減區(qū)域。

(3)路線內(nèi)側(cè)區(qū)域，路拱橫坡足夠大，路線內(nèi)側(cè)縱坡疊減區(qū)只需滿足路塹邊溝排水需求，對應(yīng)的路線縱坡應(yīng)大于等于iP+0.3%或小于iP-0.3%。

(4)路線外側(cè)區(qū)域，+0.5%～-0.5%橫坡較小，路線外側(cè)縱坡疊減區(qū)需滿足路面排水需求，對應(yīng)的路線縱坡應(yīng)大于等于iP+0.5%或小于iP-0.5%。