冰雪条件下山区公路纵坡设计指标及安全性评价

曹智伟

（国家林业局昆明勘察设计院，云南昆明 650216）

由于中国是一个地形复杂多山的国家，许多道路分布在山区。作为一种特殊的路况，冰雪路面的复杂性使得行驶车辆的性能受到限制，在冰雪条件下，路面附着系数较小，削弱行进车辆的爬坡能力、增加其制动、降低其稳定性；在冰雪路面上行使的车辆，其安全制动距离相比于正常路面下行驶的车辆安全制动距离更长，同时由于摩擦系数减小，转弯时更容易发生侧滑；爬坡过程中可能会出现倒溜现象，在下坡路面，车辆之间的停车视距边长，容易发生车辆追尾、失控的现象[1-2]。本文从保证交通安全的角度出发，主要研究了在冰雪条件下西南山区公路设计纵向坡长和坡度设计限制指标参数，为西南地区公路设计人员提供一些设计依据。

1 坡长设计指标

1.1 服务水平

根据《公路工程技术标准》JTG B0-2003中的要求，在进行公路纵坡设计时，依照服务水平的要求，相接的平坡路段和纵坡路段的服务水平等级差距和公路坡长设计值不得大于两个级别。按照我国目前的公路功能设施的配置情况，道路的服务水平分为一级公路、二级公路、三级公路以及四级公路[3]。

以公路服务水评为基准进行冰雪条件下山区道路坡长设计时，假设交通量用字母V表示，基本通行能力用大写字母C来表示，当V与C的比值是0.63时，该路段平坡处的服务水平处于二级；纵坡路段上由于载重车辆爬坡速度缓慢，降低了整个路段的通行能力，此时该路段的V/C是0.63。通过综合数据分析，冰雪条件下山区公路道路纵坡交通量与基本通行能力比V/C处于0.8～1.0范围内时，该路段的服务水平不满足坡长设计要求[4]；当交通量与基本通行能力比V/C大于1.0时，说明该路段的道路交通运行水平极差。在冰雪环境下，山区公路二级、三级服务水平时的纵坡设计指标限制值如表1所示。

表1 纵坡设计指标限制值

综上所述，冰雪条件下山区公路采用二级、三级服务水平时，在进行纵坡设计其坡度小于2%时，坡长不受限制；当坡度为2%时，坡长应小于1200m，坡度设计范围在3%～6%时，坡长设计长度应小于400m。

表2 冰雪条件下，解放牌CA5310型汽车满载不换挡爬坡最大坡长

1.2 行车速度

在正常情况下，车辆在纵向坡度上的行驶速度只受坡度和坡长影响。同一车型的速度与实际负荷、车辆自身的性能和道路通行条件以及驾驶员自身素质相关，其中车辆的发动机输出功率与道路坡度坡长有关[5-6]。

选用质量功率比为160kg/kw的解放牌CA5310型汽车作为研究车辆，研究行驶速度与坡度坡长的关系，设计该车以满载且不换挡的条件下，产生不大于15km/h的速度差时，车辆爬坡长度统计情况如表2所示。

结合上表中数据以及设计指标中对道路坡长限制值，得到冰雪条件下山区公路的纵坡坡长设计推荐值，如表3所示。

表3 基于行车速度冰雪条件下公路坡长推荐值

1.3 驾驶员驾驶状态

通过对相关文献的数据进行分析得出驾驶员心率与驾驶速度、坡长的相关性，

L——坡长取值，m

表4 冰雪条件下基于驾驶员心率的坡长限制

n——心率增长率，%

i——纵坡坡度值，%

v——车辆运行速度，km/h

φ为道路摩擦系数，雪天路面取 0.28，结冰路面取 0.18。

1.4 确定坡长指标

结合上述公路服务水平、行车速度以及驾驶员行驶状态三个角度得到的坡长设计限制值，确定山区公路在冰雪条件下坡长设计推荐值，如表5所示。

表5 山区公路冰雪条件下纵坡坡长设计推荐值

2 坡度设计指标的确定

按照设计规范中要求道路设计行车速度在20km/h时，其最大纵坡坡值是8%，通过对西南地区公路冰雪条件下车辆行驶状况进行分析，得到山区公路在冰雪条件下最大纵坡坡值推荐值6.5%。具体情况如表6所示。

表6 山区公路在冰雪条件下纵坡坡度推荐值

3 安全性评价

采用动力学仿真软件建立山区公路行车安全性模型，模拟在干燥沥青路面、下雪路面以及结冰路面下的不同行车速度时，得到车辆的侧向位移以及侧偏角，作为判断车辆在不同摩擦系数路面下的行车安全最高速度。通过模拟计算出积雪路面的摩擦系数为0.25，结冰路面的摩擦系数为0.18，冰雪混合路面的摩擦系数为0.12，所对应的安全行车最高限制速度如表7所示。

从上表数据可以看出，西南山区的公路在积雪路面、结冰路面、冰雪混合路面的状态下，为保证行车安全，所对应的车辆最高行驶速度分别为 21.9km/h、15.2km/h、12.4km/h。

表7 不同摩擦系数路面的安全行车最高限制速度

本文对山区公路在冰雪条件下的纵坡设计指标值的选取进行了研究分析。从公路服务水平、行车速度以及驾驶员驾驶状态三个角度综合考虑，确定了山区公路冰雪条件下纵坡坡长设计推荐值，结合规范要求以及山区特殊地形、气候环境确定公路纵坡的坡度设计限制值，从行车安全性角度出发，通过建立模拟进行安全行车仿真模拟，得到积雪、结冰、冰雪混合路面状态下的车辆安全行驶的最高速度。