高速公路复杂地形长大下坡路段合理纵坡研究

段晓伟

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司， 甘肃 兰州 730000）

0 引言

随着我国交通基础建设的推进，西部山区高速公路建设逐步发展，极大地促进了西部落后地区的经济发展。但是，由于山区高速公路地形高差大，小气候特点明显，货车位于长大下坡的安全运营问题一直都是高速公路纵断面设计的重点和难点问题。

1 工程概况

本文举例工程为甘肃中部山区某高速公路。采用80km/h的25.5m高速公路技术标准。本文研究段落位于该工程起点，该段路线地形、地质复杂，海拔超过2000m，且该范围内年平均降雪14.2天，冻土深度超过1m；连续长大下坡紧接特长隧道出口，高差470m，长下坡终点设置枢纽立交与该地区另一条高速公路相接。

经对该段路线走廊带研究，该段路线特点较为明确，大高差、小气候及坡底车辆转换安全性是该段设计的主要难点。因此，在高差确定的前提下，通过理论分析、调研、类比等多种方式确定满足路段运营安全、两条高速公路衔接安全的平均纵坡为本文阐述的核心内容。

2 山区高速公路复杂地形长大下坡纵坡设计思路

在山区高速公路长大纵坡路段，纵坡设计思路至关重要，好的决策思路会在设计阶段提升道路安全性、规避运营期间产生较多不必要的事故；反之，单纯以规范为准，在设计中忽略地形、位置、气候、车辆组成等重要因素的影响，往往后期公路运营安全风险很大。

从目前国内研究来看，长大纵坡的众多设计思路中，较为常用的陡缓+陡缓的组合方式易出现较多问题，采用这种方法时，易出现满足规范坡率、坡长限定而打擦边球的方案。对于从车辆性能角度出发，上缓下陡这种方法能够较好地符合车辆性能，但处理好下坡坡度、坡长的关系是该种方法的关键。总体来说，从行车安全的角度考虑，采用平均纵坡，来考虑整体纵坡思路是比较安全的。随着我国公路事业的发展和车辆组成的特点，现行的规范的设计方法也会更加科学和完善[1-3]。

3 长大下坡合理平均纵坡研究

3.1 理论研究

3.1.1 长下坡研究情况

目前国内外专家学者对长下坡路段汽车制动鼓温升模型与可靠度结合展开了试验研究，并提出了纵坡可靠性设计方法，为深入研究纵坡组合设计奠定了基础。结合国内研究及规范相关结论，制动器温度达到200℃时，制动性能会发生明显衰退，该结论与世界道路协会PIARC在《道路安全手册》中相应预测模型结果较为符合。因此，初步设计中将连续下坡制动毂温度200℃作为长下坡安全警界温度。并以温度达到200℃时下坡距离、坡底温度和温升速率作为纵坡组合安全性的分析指标，坡长组合尽量采用长缓坡加短陡坡的组合形式，以最大程度减缓货车制动毂温升[4-5]。

3.1.2 货车下坡行驶特征

目前我国大型车仍普遍装备发动机辅助制动系统，车辆下坡以车重下坡分力与车辆所受相关阻力达到平衡时建立受力分析。当坡度缓于一定值时，货车在发动机辅助制动及外力作用下，不采用刹车即可保持均速下坡。将该坡度阈值称作发动机辅助制动下的临界纵坡，当控制运行车速在对应的临界下坡时，设计中将能够获得明显的安全收益，使得货车处于均速货减速下坡状态。结合国内相关研究成果，当以80km/h下坡速度行驶时，临界纵坡基本为2.0%。

3.1.3 中长大下坡设计规范发展历程

近年来，山区连续下坡路段严峻的交通安全形势已引起政府相关部门和社会各界的关注，相关规范也不断结合国内外研究成果进行修订补充。从规范发展的过程来看：94及06版《公路路线设计规范》中对于公路长大纵坡概念没有明确界定，对于长大纵坡主要认识以载重汽车低速上坡时对公路通行能力影响的角度出发。

2008年由交通部公路司牵头编写的《公路路线设计细则（总校稿）》中结合《山区高速公路平均纵坡研究》成果，给出了山区高速公路连续长陡下坡路段的界定标准，并认为平均纵坡小于2%时，载重汽车制动器温度一般不会高于200℃，相应坡长可不做限制。

2017版《公路路线设计规范》中补充2011年《高速公路纵坡设计关键指标与设计方法研究》相关研究成果，明确了当前我国货车车型的组成前提下的具体连续长陡下坡坡度及坡长；

2019年交通部组织编制了《提升公路连续长陡下坡路段安全同行能力专项行动技术指南》，指南中结合国内公路连续长陡下坡实际和国内外工程经验，在2017版《路线设计规范》的基础上提升、细化了连续长大下坡定义，引入任意3km及事故指标，综合考虑驾驶人超速、超载及车辆制动系统技术状况不良等因素。

截止目前，由交通运输部科学研究院承担制订的《公路避险车道设计细则》已进入征求意见阶段，其中对长大纵坡定义结合国内科研、设计、运营和国外先进技术，提出“容错设计”理念，并将连续长、陡下坡路段最小坡度和坡长定义为2.0%/15km，从设计指标方面进一步提升了大型货车在连续长陡下坡的行驶安全性。

3.1.4 国内外规范对比

（1）中法两国规范对比。中国与法国相差不大，法国只对最大纵坡或超过最大纵坡值的纵坡长度有限制，我国在大坡度之间夹杂一段较短的缓和坡段，以利于上坡车辆恢复车速，下坡车辆制动减速，但是法国规范认为,应特别避免在两个大纵坡（大于4%）间插入一段这样的缓坡，这会使驾驶员产生大坡道已结束的错觉，使下坡车速回升。

（2）中美日澳等国家对比。美国山区最大纵坡最大，根据山区和丘陵等不同地形拟定，较中国规范大1%到2%。日本最大纵坡规范值较我国小1%，但规定可在最大纵坡的基础上增大2%～3%。澳大利亚标准中对最大纵坡的规定最为宽泛，最大纵坡指标可变化幅度最大，均未见对连续下坡的界定原则。东盟国家与我国对长大纵坡的规定基本一致，我国公路标准规定的最大纵坡值总体是小于国外。

3.2 类比调研

3.2.1 连续下坡与事故率关系

在连续下坡路段主要事故原因是制动失效，或制动效能降低过多导致车辆失控。事故车型中以大型货车占比最高，接近40%。下坡路段事故致死率往往较高，且由于地形困难受伤人员施救难度大；事故主要分布于长下坡路段下半段，事故严重程度随着下坡里程的积累而增加，尤以外地驾驶员事故率高，损害后果严重。

根据德国交通事故率与纵坡的关系曲线，当纵坡为2%时,上、下坡事故率基本相同，且数值较小;当纵坡在2%～4%时，下坡事故率开始大于上坡，且下坡事故率曲线迅速上升;当纵坡大于6%时，上坡事故率上升缓慢，下坡事故率迅速上升，且成倍增加。下坡路段比上坡路段更危险,下坡路段的纵坡越陡，事故率越高。

我国多数货车采用成本更低的鼓式制动作为主动制动，鼓式刹车散热性低，连续的制动会使摩擦温度不断升高，造成热衰减，性能急剧下降。因此，我国研究成果与德国有所区别，受下坡纵坡影响更敏感，纵坡大于1%后，事故率就已开始增高，导致连续下坡问题在我国更为突出。这也与我国采用更为严格的路线指标的思路相吻合。

3.2.2 长下坡项目调研情况

为更好地评价长大下坡路段纵断面安全情况，对国内一些项目相关长大纵坡情况进行了调研，具体各项目平均纵坡及主要技术指标情况如表1。

表1 长大下坡路段安全情况调研

4 结束语

本文通过国内高速公路纵坡情况对比分析可知，路线纵坡设置情况不一，在满足规范要求情况下差异较大。据以上不完全统计，结合国内资料，仅满足规范的2.45%及以上纵坡事故率将明显增高，事故高发地一般位于山区长陡纵坡与冰冻区、雾区等不良因素叠加区域。同时，隧道设置比例对事故率影响较大，隧道越长，事故率相对越高。而长大下坡所处位置也对事故率及事故严重程度有所影响，位于坡底及互通立交出口前时，事故率及严重性相对较高。另一方面，平均纵坡2.1%及以下坡率，未见明显的事故情况发生；结合甘肃省内资料，除个别自然坡率较缓的高速外，其余纵坡多以满足规范要求为主，对于路段整体安全性有待进一步验证。

平均纵坡是山区高速公路的主要控制性指标，对于工程造价影响巨大，设计中应避免盲目追求过缓或指标用满，综合项目特点合理确定平均纵坡，对于长大纵坡安全性问题，现有研究及速度预测模型如何进行多因子及可靠度综合考虑，还有待进一步研究。