高速公路連續(xù)長大下坡路段線形優(yōu)化理論與方法研究

宋楚君

摘要 隨著我國交通運(yùn)輸和城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，高速公路所承擔(dān)交通任務(wù)量也越來越繁重。文章主要基于高速公路在連續(xù)長大下坡路情況下，研究公路線形優(yōu)化的方法。通過結(jié)合實(shí)際案例分析，優(yōu)化了連續(xù)長大下坡路段線形的設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明：文章的優(yōu)化方案有效降低了交通事故發(fā)生率、提高了交通流暢度，證明該減速下坡車道的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。當(dāng)坡度為1 °時(shí)，車輛速度提高了75%，距離減少了45%，所以設(shè)置減速下坡位置時(shí)，應(yīng)隨著道路長大下坡的坡度增加，減小距坡頂?shù)木嚯x。

關(guān)鍵詞 高速公路；連續(xù)長大下坡；線性組合；減速下坡車道

中圖分類號(hào) U412.366文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0052-03

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和交通需求的不斷增長，我國的交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)也在不斷完善，同時(shí)交通安全的問題也日益突出，而高速公路作為現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其線形設(shè)計(jì)對(duì)道路安全、交通效率和行車舒適度等方面起著至關(guān)重要的作用[1]。傳統(tǒng)的高速公路設(shè)計(jì)往往以平緩的坡度為主，但在實(shí)際運(yùn)用中，面臨著如何在下坡路段實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的線形設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)[2]。下坡路段的線形設(shè)計(jì)直接關(guān)系到車輛行駛的安全性和舒適性，同時(shí)也對(duì)交通流的穩(wěn)定性和高速公路的整體運(yùn)行效果產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此，深入研究高速公路連續(xù)長大下坡路段線形的優(yōu)化理論與方法，不僅有助于提升道路的安全性和通行效率，還能夠推動(dòng)高速公路設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與發(fā)展。該文旨在探討在下坡路段的線形設(shè)計(jì)中，如何通過優(yōu)化理論和方法，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)的道路線形，以滿足日益增長的交通需求和提高行車體驗(yàn)。

1 公路連續(xù)長大下坡路段事故影響因素

在對(duì)高速公路長大下坡路段設(shè)計(jì)中，坡度設(shè)計(jì)過大將會(huì)增加車輛的制動(dòng)難度，容易造成剎車制動(dòng)難以控制，最終導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，因此對(duì)于高速公路長大下坡路段需要考慮諸多影響因素，比如彎道設(shè)計(jì)時(shí)如果半徑過小則增加車輛的側(cè)滑以及翻車的風(fēng)險(xiǎn)。其次對(duì)于高速公路長大下坡路段而言，路面狀況的質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重影響行車安全，路面存在裂縫、坑洼或者積水時(shí)都會(huì)增加行車的安全性。最后是駕駛員的基本素養(yǎng)，需要根據(jù)不同的情況，及時(shí)準(zhǔn)確做出最合理、最正確的選擇[3]。如表1所示給出了部分國家和地區(qū)交通事故相關(guān)因素的比例，從中可以看出，造成交通事故的主要因素是駕駛?cè)藛T的過失以及道路設(shè)計(jì)的不合理。

通過查閱文獻(xiàn)，對(duì)于車輛失控的原因主要有兩個(gè)方面的觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為坡道過長，導(dǎo)致剎車片過熱引起車輛失控；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為下坡坡道與曲線組合，組合不當(dāng)時(shí)引起車輛失控。如圖1所示，給出了計(jì)算統(tǒng)計(jì)法與統(tǒng)計(jì)法，以確定是否需要設(shè)置避險(xiǎn)車道?；谟?jì)算的方法用于已運(yùn)行或者新建的道路，而基于統(tǒng)計(jì)的方法只能用于已運(yùn)行的道路[4]。

在連續(xù)長大下坡路段上，車輛的制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及懸掛系統(tǒng)都需要處于良好的工作狀態(tài)。如果車輛存在制動(dòng)器失靈、轉(zhuǎn)向不靈活或懸掛部件松脫等問題，都會(huì)增加交通事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。而在連續(xù)長大下坡路段，車輛速度過快，導(dǎo)致車輛產(chǎn)生較大的慣性和速度。因此，車輛的制動(dòng)系統(tǒng)需要具備足夠的制動(dòng)力和耐久性，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力不足或制動(dòng)效果不佳，容易導(dǎo)致制動(dòng)失靈，從而引發(fā)交通事故。

如圖2和圖3所示分別為汽車載重和超載率分析情況統(tǒng)計(jì)圖。根據(jù)調(diào)查研究，貨車車輛長期處在超載情況，嚴(yán)重威脅交通道路安全以及人身生命安全。因此，為了避免潛在的危險(xiǎn)出現(xiàn)，在高速公路長大下坡路段應(yīng)設(shè)置完善的基礎(chǔ)設(shè)施，并且加強(qiáng)道路管理。特別應(yīng)注重大貨車，避免過多超載車輛或者車重超過55 t的車輛同時(shí)進(jìn)入長大下坡路段。

在連續(xù)長大下坡路段，需要合理設(shè)計(jì)道路的坡度、曲線半徑以及超高限度等要素，以確保車輛能夠穩(wěn)定行駛并減少制動(dòng)壓力。標(biāo)線的設(shè)置應(yīng)明確指示車輛行駛方向和車道劃分，以幫助駕駛員正確判斷路況和采取相應(yīng)的駕駛行動(dòng)。

2 高速公路連續(xù)長大下坡路段線形

2.1 車輛運(yùn)行動(dòng)力學(xué)分析

在高速公路連續(xù)長大下坡路段，車輛運(yùn)行動(dòng)力學(xué)可以幫助分析在車輛運(yùn)行過程中存在的各種安全問題。車輛在行駛過程中，需要不斷地消耗其動(dòng)力勢(shì)能，克服空氣阻力與摩擦力的影響，以保持車輛的行駛穩(wěn)定。而當(dāng)車輛駛?cè)胂缕侣范螘r(shí)，重心位置的偏移和質(zhì)量分布的不均衡會(huì)影響車輛的穩(wěn)定性和操控性。其次，當(dāng)車輛過快時(shí)制動(dòng)距離的增加，更加容易導(dǎo)致車輛失控，增加事故風(fēng)險(xiǎn)，因此只有對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)行為有了足夠深入的理解后，才能對(duì)車輛設(shè)計(jì)和負(fù)載配置有更為合理的規(guī)劃[5]。

長大下坡路段的線形特點(diǎn)是路面坡度大、曲線多、視距短，這會(huì)使車輛在行駛過程中面臨著重力、慣性力和摩擦力等多種受力。當(dāng)車輛失控時(shí)，其各種受力會(huì)更加復(fù)雜和危險(xiǎn)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。車輛在下坡路段上沿著坡度方向前進(jìn)，如果速度過快或制動(dòng)不當(dāng)，重力會(huì)增加車輛的加速度和滑行距離，導(dǎo)致車輛失控。此外，長大下坡路段的曲線較多，車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)受到側(cè)向加速度的影響，這也會(huì)增加車輛失控的風(fēng)險(xiǎn)。車輛在高速行駛時(shí)，會(huì)受到慣性力的影響，即車輛在直線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于質(zhì)量的慣性作用而偏離原來的軌跡。在長大下坡路段上，如果車輛速度太快或者在曲線處轉(zhuǎn)向不當(dāng)，慣性力會(huì)使車輛失控，并增加車輛滑行距離和碰撞風(fēng)險(xiǎn)。長大下坡路段的路面可能存在不同程度的坑洞、凸起和摩擦系數(shù)變化等問題，這些因素都會(huì)對(duì)車輛行駛產(chǎn)生影響。如果路面摩擦系數(shù)降低，車輛制動(dòng)距離將會(huì)增加，容易導(dǎo)致制動(dòng)失靈和失控。同時(shí)，坑洞和凸起也會(huì)影響車輛的平穩(wěn)行駛，增加失控風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 坡段組成對(duì)貨車制動(dòng)器溫度的影響

根據(jù)相關(guān)規(guī)范與論文研究，連續(xù)長大下坡路段需要在保證車輛安全行駛的前提下，盡可能提高交通運(yùn)輸?shù)哪芰εc效率，然而汽車在長大下坡路段，需要人為不斷頻繁地使用制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，由于摩擦產(chǎn)生的熱量無法有效散出，制動(dòng)器的溫度會(huì)迅速升高，進(jìn)而致使制動(dòng)器因溫度過高而失效，給行車安全造成不必要的麻煩與風(fēng)險(xiǎn)。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要對(duì)線路進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)以規(guī)避帶來的危險(xiǎn)。

2.3 坡段組成對(duì)貨車行駛狀態(tài)的影響

較陡的坡度會(huì)增加貨車制動(dòng)器的使用頻率和時(shí)間，由于制動(dòng)器摩擦產(chǎn)生的熱量無法有效散出，制動(dòng)器溫度會(huì)迅速升高，給行車安全帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。較小的曲線半徑會(huì)導(dǎo)致貨車在轉(zhuǎn)彎時(shí)需要更加頻繁地使用制動(dòng)器，增加了制動(dòng)器的使用次數(shù)和持續(xù)時(shí)間，從而使制動(dòng)器溫度升高。此外，連續(xù)長大下坡路段的長度也會(huì)對(duì)貨車行駛狀態(tài)產(chǎn)生影響，較長的下坡路段需要貨車駕駛?cè)藛T持續(xù)使用制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)，這將使制動(dòng)器溫度逐漸升高，貨車行駛狀態(tài)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)制動(dòng)失靈等安全問題。較低的路面摩擦系數(shù)會(huì)使貨車在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生更大的摩擦力，進(jìn)而增加制動(dòng)器的磨損和溫度，給貨車行駛狀態(tài)帶來一定影響。因此，在連續(xù)長大下坡路段縱斷面指標(biāo)優(yōu)化研究中，需要充分考慮坡段的組成對(duì)貨車行駛狀態(tài)的影響，合理控制坡度的陡峭程度、選擇合適的曲線半徑、設(shè)置補(bǔ)償坡段或平坡段、提高路面的摩擦系數(shù)等，以確保貨車行駛安全、穩(wěn)定和可靠。

3 減速下坡車道實(shí)地試驗(yàn)及分析

3.1 工程概況

該文選擇以湖南省長沙市某國道一段長大下坡路段為研究對(duì)象，該國道為雙向四車道的高速公路，全長約25 km，設(shè)計(jì)速度為120 km/h，路基寬度為26 m。由于該地區(qū)地處湖南省中部，地貌主要由侵蝕堆積河谷沖洪平原地貌和低山丘陵組成，總體呈東高西低趨勢(shì)，該路段地區(qū)最高海拔為3 100 m，平均坡度為11 °。

3.2 路面材料選擇實(shí)驗(yàn)分析

車輛長時(shí)間的連續(xù)下坡行駛會(huì)對(duì)路面造成較大的磨損，因此路面材料的耐磨性能也是實(shí)驗(yàn)分析的重點(diǎn)之一。選取一段道路，在道路上鋪裝試驗(yàn)用的集料；針對(duì)不同大小的集料，車輛運(yùn)行時(shí)應(yīng)至少三次不采用剎車制動(dòng)，利用集料的減速效果進(jìn)行減速；記錄其行車時(shí)的檔位情況、速度變化情況，并且丈量行車距離，通過計(jì)算得到集料的滾動(dòng)阻力系數(shù)。通過模擬車輛在不同路面材料上的行駛情況，觀察路面磨損情況，評(píng)估路面材料的耐久性和使用壽命。通過實(shí)驗(yàn)分析不同路面材料在濕潤條件下的摩擦系數(shù)和抗滑性能，評(píng)估其在陡坡路段的實(shí)際應(yīng)用效果。通過對(duì)不同材料的采購成本、施工成本以及維護(hù)成本的比較，結(jié)合其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，綜合評(píng)估選擇最優(yōu)的路面材料。

3.3 減速下坡車道設(shè)置原則研究

減速下坡車道設(shè)置原則是指在高速公路連續(xù)長大下坡路段中，車道應(yīng)貼近正常車道，以便車輛能夠順利地從正常車道進(jìn)入減速下坡車道。其長度應(yīng)根據(jù)下坡路段的坡度和長度確定，以確保車輛在行駛過程中有足夠的距離進(jìn)行減速和剎車。減速下坡車道的寬度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，以保證車輛在減速過程中的穩(wěn)定性和安全性。

由圖4可以看出，隨著速度的增加，車輛距坡頂?shù)木嚯x下降得越緩慢。當(dāng)坡度相同時(shí)，速度越快，距離坡頂?shù)木嚯x越近。當(dāng)坡度為1 °時(shí)，速度提高了75%、距離減少了45%。當(dāng)速度相同時(shí)，隨著坡度的增加，曲線的曲率在增加，達(dá)到制動(dòng)器衰退溫度260 ℃時(shí)車輛距坡頂?shù)木嚯x越小。由圖可知，當(dāng)考慮設(shè)置減速下坡位置時(shí)，應(yīng)隨著長大下坡道路坡度的增加縮短距坡頂?shù)木嚯x。

3.4 減速下坡車道設(shè)計(jì)施工及實(shí)施效果

在減速下坡車道的設(shè)計(jì)階段可采用線形優(yōu)化的理論和方法，確定減速下坡車道的長度、寬度和坡度等參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮不同車輛類型的需求，確保車輛能夠順利地減速和剎車，并提供足夠的空間和距離；應(yīng)采用合適的施工技術(shù)和材料，確保路面的平整度和抗滑性，以提高車輛的行駛安全性。在實(shí)施階段，通過對(duì)交通流量、車速、事故率等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，該路段的事故發(fā)生率明顯降低，交通流暢度得以提高，并提升了駕駛員的行車體驗(yàn)。

4 結(jié)論

該文針對(duì)高速公路連續(xù)長大下坡路段線形的優(yōu)化理論與方法進(jìn)行研究，對(duì)每一項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)方案進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和數(shù)值模擬，驗(yàn)證和評(píng)估了各項(xiàng)技術(shù)方案的可行性和效果。主要得出以下結(jié)論：

（1）在減速下坡車道的施工過程中，應(yīng)合理確定減速下坡車道的長度、寬度和坡度，為車輛提供足夠的剎車空間和距離，降低事故風(fēng)險(xiǎn)，提高交通安全。通過對(duì)交通流量、車速、事故率等指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，該研究提出的方案明顯降低了事故發(fā)生率，提高了交通流暢度，證明該減速下坡車道的設(shè)計(jì)和施工達(dá)到預(yù)期效果。

（2）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)坡度為1 °時(shí)，速度提高了75%、距離減少了45%。當(dāng)速度相同時(shí)，隨著坡度的增加，曲線的曲率在增加，達(dá)到制動(dòng)器衰退溫度260 ℃時(shí)車輛距坡頂?shù)木嚯x越小。所以，當(dāng)考慮設(shè)置減速下坡位置時(shí)，應(yīng)隨著長大下坡道路坡度的增加縮短距坡頂?shù)木嚯x。

參考文獻(xiàn)

[1]高建平，竇浩然，何云勇，等. 基于駕駛員人因的高速公路長大連續(xù)下坡路段線形組合設(shè)計(jì)方法[J]. 公路，2021（11）： 7-13.

[2]林宣財(cái)，張旭豐，王佐，等. 大型貨車功重比對(duì)高速公路連續(xù)下坡路段交通安全性的影響[J]. 公路交通科技，2021（9）： 98-104.

[3]蔡鵬，尹文鋒. 公路連續(xù)長大下坡路段交通安全性研究[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2021（18）： 84-86+90.

[4]黃先剛. 長大連續(xù)下坡路段的安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)與評(píng)價(jià)方法[J]. 中國公路，2020（14）： 118-119.

[5]吳佛. 對(duì)提升公路長大下坡路段安全通行能力的探析[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（12）： 89-90.