公路交通科技  2024, Vol. 41 Issue (11): 94-103

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高雪池, 毕玉峰, 季晓歌, 郑志峰, 张军辉.
GAO Xue-chi, BI Yu-feng, JI Xiao-ge, ZHENG Zhi-feng, ZHANG Jun-hui
考虑路面-轮胎-径流耦合作用的高速公路超宽路面排水设计
Super-wide Expressway Pavement Drainage Design Considering Road-tire-runoff Coupling Effect
公路交通科技, 2024, 41(11): 94-103
Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2024, 41(11): 94-103
10.3969/j.issn.1002-0268.2024.11.011

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收稿日期: 2024-03-22
考虑路面-轮胎-径流耦合作用的高速公路超宽路面排水设计
高雪池1 , 毕玉峰2 , 季晓歌2 , 郑志峰3 , 张军辉3     
1. 山东高速集团有限公司, 山东 济南 250101;
2. 山东高速集团有限公司创新研究院, 山东 济南 250014;
3. 长沙理工大学 交通运输工程学院, 湖南 长沙 410114
摘要: 改扩建道路日益增多, 道路的拓宽导致雨水难以快速排出路表, 滞留的积水导致车辆在制动、转弯时容易出现滑水现象, 严重影响行车安全。为降低雨天超宽路面水膜厚度, 保障雨天行车安全, 进行了路面排水结构的布局设计分析。基于ANSYS软件建立了路面-轮胎-径流简化模型开展动水压力计算, 得到行车速度为80, 100, 120 km/h时动水压力与水膜厚度的关系式, 并计算出3种速度下的临界水膜厚度值。分析了降雨强度、路拱横坡度、路面宽度、道路纵坡度对路面水膜厚度值的作用规律。通过对比水膜厚度计算值与临界值, 针对行车安全存在隐患的路段开展排水设计, 对不同布局方案的排水效果进行了评估。结果表明: 设计速度为80 km/h的高速公路, 路面水膜厚度若高于3.92 mm则需进行改善设计; 设计速度为100 km/h的高速公路, 路面水膜厚度若高于2.46 mm则需进行改善设计; 设计速度为120 km/h的高速公路, 路面水膜厚度若高于1.66 mm则需进行改善设计。提出了在车道标线处设置排水结构的排水结构布局方案: 设计速度为80 km/h的高速公路, 将横坡度设置为3%;设计速度为100 km/h的高速公路, 超过双向十车道时在中间车道线处设置1个排水结构; 设计速度为120 km/h的高速公路, 每隔2个车道设置1个排水结构。
关键词: 道路工程    排水结构布局设计    数值计算    超宽路面    水膜厚度    动水压力    
Super-wide Expressway Pavement Drainage Design Considering Road-tire-runoff Coupling Effect
GAO Xue-chi1, BI Yu-feng2, JI Xiao-ge2, ZHENG Zhi-feng3, ZHANG Jun-hui3    
1. Shandong High-speed Group Co., Ltd., Jinan, Shandong 250101, China;
2. Shandong High-Speed Group Innovation Research Institute, Jinan, Shandong 250014, China;
3. School of Traffic & Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha, Hunan 410114, China
Abstract: The increasing number of road expansion and reconstruction leads to the road widening. It is difficult for rainwater to drain quickly from the road surface. The stagnant water causes vehicles to experience hydroplaning during braking and turning, significantly affecting driving safety. To reduce the water film thickness on super-wide pavement during rainy days and ensure driving safety, the design analysis on pavement drainage structure layout was conducted. Based on ANSYS software, the simplified road-tire-runoff model was established. The relation between hydrodynamic pressure and water film thickness was derived at vehicle speeds of 80, 100, and 120 km/h. The critical water film thickness values were calculated with these 3 speeds. The influences of rainfall intensity, cross-slope gradient, pavement width, and longitudinal slope on the water film thickness were analyzed. By comparing the calculated water film thickness values with the critical values, the drainage designs were developed for the road sections with safety hazards. The drainage effects of different layout schemes were evaluated. The result indicates that for expressways with designed speed of 80 km/h, the improvement designs are necessary if the pavement water film thickness exceeds 3.92 mm; for expressways with designed speed of 100 km/h, the improvement designs are necessary if the pavement water film thickness exceeds 2.46 mm; and for expressways with designed speed of 120 km/h, the improvement designs are necessary if the pavement water film thickness exceeds 1.66 mm. The drainage structure layout scheme, setting drainage structures at lane markings, was proposed. For expressways with designed speed of 80 km/h, the cross-slope should be set at 3%; for expressways with designed speed of 100 km/h, a drainage structure should be placed at the center lane marking when exceeding ten-lane in both directions; and for expressways with designed speed of 120 km/h, a drainage structure should be installed every two lanes.
Key words: road engineering    drainage structure layout design    numerical calculation    super-wide pavement    water film thickness    hydrodynamic pressure    
0 引言

公路交通流量日益增加,既有四车道、六车道高速公路无法满足经济社会和城乡建设持续发展需求,因此,越来越多新建和改扩建高速公路工程采用八车道或以上车道设计,导致建成的超宽路面容易出现积水现象。车辆在超宽路面高速行驶时,积水存在会导致车辆在制动、转弯时容易出现滑移失去控制[1-2]。部分强降雨地区由于路表排水不畅或排水设施设置不完善,造成路面积水严重,导致雨天车辆行驶存在安全隐患。

一些学者对轮胎滑水机理和临界滑水速度开展了研究。吴琦等[3]基于Fluent软件模拟了轮胎滑水产生过程,发现具有纵横向复合花纹的轮胎最不易发生滑水。董斌等[4]利用Fluent软件模拟不同行驶条件下轮胎所受的动水压强情况,并得到动水压强的预测公式。陈磊等[5]对比了凹坑非光滑表面和光滑表面2类轮胎的抗滑水性能。Dehnad等[6]设计制造了一种新的仪器,测试不同频率的打滑现象,发现平均纹理深度每增加0.5 mm,打滑发生速度增加33%。Kumar等[7]对滑动和滚动轮胎打滑现象进行仿真模拟,发现滚动轮胎和滑动轮胎的打滑速度都随着轮胎充气压力的增大而增大。朱兴一等[8]模拟轮胎在积水路面行驶的过程中发现,积水和轮胎之间的作用经历了6个过程。王国林等[9]通过轮胎滑水的仿真计算得到不同水膜厚度下花纹沟内的水流速度,并以此解释了滑水产生机理。

马涛等[10]提出轮胎在积水路面上高速行驶时,由于轮胎和流体之间的挤压产生动水压力,当车辆以某一车速行驶时,动水压力刚好将轮胎抬起至完全脱离路面,该速度即为临界滑水速度。季天剑等[11]基于弹性流体动力润滑理论将轮胎、积水及路面作为一个润滑系统分析,模拟了小汽车轮胎的滑水过程。黄晓明等[12]通过仿真计算分析了托举力与水膜厚度及行驶速度的关系。董强柱等[13]通过Fluent软件模拟计算了不同条件下轮胎与路面水膜间生产的动水压力情况,得到了影响因素与动水压力间的回归方程,预测了不同行驶速度下的临界水膜厚度。张勐等[14]同样利用Fluent软件分析了轮胎在积水中行驶产生的动水压力与行车速度和水膜厚度间的关系。李光元等[15]利用人工降雨模拟试验建立了水泥混凝土道面水膜厚度计算模型。此外,美国国家航空航天局研究了轮胎充气压力和打滑速度之间的关系,提出了NASA模型[16]。Gallaway等[17]在打滑试验的基础上建立了Gallaway打滑方程。根据上述研究发现,不同学者对于轮胎的建模方式不同,在仿真分析时考虑的影响因素及参数不同,导致各模型计算得到的临界水膜厚度值相差较大,所以由此得到的临界水膜厚度值的可靠性难以保证。

目前道路排水设计通常未考虑路面水膜厚度,且现行《公路排水设计规范》(JTG/T D33—2012)仅对六车道及以下路面什么做出了较为全面的要求,无法满足双向八车道及以上的长距离路面排水需求,且目前对于高强度降雨条件下八车道及以上的超宽路面长距离排水问题鲜有研究。本研究针对高速公路超宽路面的积水问题,通过动水压力计算及路表径流分析,以水膜厚度进行耦合,开展高速公路超宽路面路排水结构设计研究,揭示超宽路面路表径流分布规律,以解决高强度降雨条件下超宽路面结构的排水需求,保障雨天行车安全。

1 水膜厚度计算 1.1 临界水膜厚度 1.1.1 计算充气轮胎压缩变形量

研究发现小轿车发生滑水的可能性相对较高,原因是小轿车整体较轻且行车速度通常高于重载货车。由NASA的预测方程发现轮胎滑水的风险随胎压的增大而降低[16]。根据标准《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》(GB/T 2978—2014)一般轮胎胎压为230~250 kPa,本研究设置轮胎胎压为230 kPa来分析多因素作用下的轮胎动水压力。通过对交通量情况进行调研,最终选定较为常见的225/50 R17轮胎型号做有限元分析。在行驶过程中,轮胎与地面之间的相互作用会导致轮胎产生竖向变形,该变形会导致积水无法快速排出,从而产生更大的动水压力,故需要对轮胎的竖向变形进行分析。目前轮胎的变形量通常采用经验公式计算:

(1)

式中,δ为轮胎变形量;c1为与轮胎有关的参数,子午线轮胎取1.5;W为轮胎上的荷载;S0为轮胎宽度;D为轮胎的外径;K0=15×10―3×S0+0.42;P为轮胎内压。根据式(1)计算轮胎变形量为3.31 cm。

1.1.2 计算充气轮胎接地面积

吉林工业大学与长春汽车研究所通过试验得到了轮胎接地面积。试验发现[18]轮胎变形后与地面的接触区域通常为矩形或椭圆形,当轮胎变形较大时,接触区域更接近于矩形,并且接地面积可计算为:

(2)

式中,A为轮胎接地面积;st为经验系数;B0为胎冠宽度。根据式(2)计算得到A=412.6 cm2,由此可以得到轮胎下表面约为26 cm×16 cm,并按接触面向上取4.0 cm厚度作为轮胎的计算区域。

1.1.3 建立计算模型

通过ANSYS2020中的建模软件构建物理模型,再通过Fluent中的mesh板块对模型进行网格划分,轮胎计算模型如图 1所示。实际上,高速行驶时,路表的积水和空气均为静止的,本研究进行边界条件设定时,通过将轮胎设置为静止,给水流和空气设置一个速度来冲击轮胎。边界条件的设定为:(1)定义水层的入口为速度入口,设置进口速度与车速一致,例如100 km/h的车速情况即设置入口速度为27.78 m/s;(2)定义空气的入口为速度入口,设置进口速度与车速一致,例如100 km/h的车速情况即设置入口速度为27.78 m/s;(3)设置流体域的后侧(入口对侧)及上表面为压力出口,视其与外界大气相通;(4)设置计算域的左右两侧壁面。

图 1 轮胎模型 Fig. 1 Tire model

1.1.4 不同行车速度下的动水压力计算

根据正交试验分析结果,汽车行驶速度及路表水膜厚度为影响最显著的2个因素。本研究针对水膜厚度、汽车行驶速度对轮胎-积水路面间动水压力的影响规律做进一步探究。无磨耗的新轮胎花纹深度通常约为8 mm,这种轮胎在雨天相比表面磨耗的轮胎不易发生滑水。一般经过长时间使用后,轮胎的表面花纹深度约为4 mm,计算时,以磨耗轮胎花纹深度4 mm的轮胎作分析。设置行车速度为80,100,120 km/h,轮胎花纹深度为4 mm,分别对路表水膜厚度为2,4,6,7,8,9,10,12 mm多种情况下的轮胎-积水路面间的动水压力作仿真计算,计算结果如表 1图 2所示。

表 1 100 km/h时水膜厚度与动水压力 Tab. 1 Water film thickness and hydrodynamic pressure at 100 km/h
水膜厚度/mm 2 4 6 7 8 9 10 12
动水压力/(×105 Pa) 2.214 2.673 3.216 3.457 3.674 3.952 4.323 4.743

图 2 动水压力与水膜厚度的关系 Fig. 2 Relation between hydrodynamic pressure and water film thickness

已有研究[19]表明:当轮胎和积水路面间的动水压力超过轮胎内部胎压或水膜对轮胎的升力超过轮胎载重时,轮胎将完全漂浮在水上,车辆极易发生滑水现象。据此,针对不同行车速度下动水压力与水膜厚度间的线性关系推算出汽车发生滑水时的临界水膜厚度。根据图 2结果回归得到行车速度80,100,120 km/h下动水压力与水膜厚度的关系:

(3)
(4)
(5)

式中,h为水膜厚度。据此计算得到不同行车速度下的临界水膜厚度见表 2,临界水膜厚度值随着行车速度的提高不断下降,规律与董强柱等[13]研究结论一致。

表 2 临界水膜厚度 Tab. 2 Critical water film thickness
行车速度/(km·h―1) 80 100 120
临界水膜厚度/mm 3.92 2.46 1.66

1.1.5 基于行车安全的临界水膜厚度

《海南省暴雨气象条件下公路交通安全防治技术研究》项目研究提出了不同路表水膜厚度对应的处理措施[20]。认为当水膜厚度超过2.5 mm和4.0 mm,车辆会发生部分滑水或完全滑水现象,且当路面水膜厚度超过4 mm时,车辆行驶存在安全隐患,需对道路进行改善设计,这与江守一郎[21]临界水膜厚度预测模型得到的结果十分接近。根据江守一郎的计算模型可以得到不同行车速度下的临界水膜厚度取值(见表 3)。

表 3 临界水膜厚度取值 Tab. 3 Critical water film thickness values
行车速度/(km·h―1) 水膜厚度值/mm
80 3.71
100 2.47
120 1.73

表 2的试验结果进行设计,对于设计速度为80 km/h的高速公路,若雨天路面水膜厚度超过3.92 mm则需进行改善设计,确保路面水膜厚度在3.92 mm之下,保障行车安全;对于设计速度为100 km/h的高速公路,若雨天路面水膜厚度超过2.46 mm则需进行改善设计;对于设计速度为120 km/h的高速公路,若雨天路面水膜厚度超过1.66 mm则需进行改善设计。

1.2 路面水膜特性研究 1.2.1 正交试验设计

1968年,英国的Ross和Russam观察水膜厚度提出了水膜厚度关于排水长度、降雨强度、路面坡度的计算公式[20]。1995年,美国的John Anderson提出的水膜厚度经验公式[22]同样考虑了以上因素。季天剑等[11]基于人工神经网络以排水长度、路面坡度、路面构造深度、降雨强度4个参数建立了水膜厚度的预测模型;罗京等[23]通过实测室内全尺寸路面模型在不同降雨强度和坡度下的水膜深度得到了水膜厚度预测模型,参数与季天剑的模型参数一致。本研究在此基础上研究降雨强度、路拱横坡度、路面宽度、纵坡度对路面水膜厚度的分布规律的影响。针对降雨强度、路拱横坡度、纵坡度、路面宽度这4个因素对路表水膜厚度开展数值仿真计算,采用正交试验方法进行试验方案设计,对各因素分别取3个因素,正交试验如表 4所示。

表 4 正交试验 Tab. 4 Orthogonal test
试验编号 降雨强度/(mm·min―1) 横坡度/% 纵坡度/% 路面宽度/m 最大水膜厚度/mm
1 1.5 1 1 15.0 2.317
2 1.5 2 3 18.75 1.980
3 1.5 3 5 22.50 1.827
4 2.5 1 3 22.50 3.144
5 2.5 2 5 15.0 2.242
6 2.5 3 1 18.75 2.070
7 3.5 1 5 18.75 3.446
8 3.5 2 1 22.50 2.857
9 3.5 3 3 15.0 2.192

对水膜厚度进行多元回归分析,获得各因素的影响特性,由回归分析中得到的P值来确定模型中的显著变量,P<0.05表示该变量在95%置信水平上显著。Minitab软件产生的结果见表 5。表中T值为用于评估自变量对因变量的统计显著性指标,T值绝对值越大,因素越显著。回归分析得到的水膜厚度的预测模型为:

(6)
表 5 多元回归分析结果 Tab. 5 Multiple regression analysis result
系数 系数标准误 T P 方差膨胀因子
常量 1.439 0 0.293 0 4.90 0.008
降雨强度 0.395 2 0.047 5 8.32 0.001 1
路拱横坡度 -0.469 7 0.047 5 -9.89 0.001 1
道路纵坡度 0.022 6 0.023 8 0.95 0.396 1
路面宽度 0.047 9 0.012 7 3.78 0.019 1

式中,q为降雨强度;ix为路拱横坡度;iy为道路纵坡度;l为路面宽度。

1.2.2 不同因素对路面水膜厚度的影响效果

根据表 5分析结果,分别针对降雨强度、路拱横坡度、路面宽度等因素开展单因素分析,探究水膜厚度与各因素间的关系,计算结果如图 3所示。由图可见:(1)路面水膜厚度最大值随着降雨强度的增大不断增大,随路拱横坡度的增大不断减小,随排水长度的增大不断增大;(2)设置较大的横坡值能够有效降低路面水膜厚度,结合表 3的临界水膜厚度取值发现,对于双向十车道路面,设置大于2.5%的路拱横坡度时,路面最大水膜厚度值(小于2.42 mm)低于100 km/h速度下的临界水膜厚度(2.46 mm),此时可保证车辆以100 km/h速度安全行驶;(3)由图 3(c)可见,当路面宽度超过15 m(单幅四车道以上),路面最大水膜厚度(大于2.47 mm)将超过100 km/h下的临界水膜厚度(2.46 mm),需对道路作排水改善设计,将路面水膜厚度降低至临界水膜厚度之下,当排水长度超过5 m,路面最大水膜厚度值(大于1.69 mm)超过设计速度120 km/h下的临界水膜厚度(1.66 mm),需对道路作排水改善设计。

图 3 水膜厚度与各因素间的关系 Fig. 3 Relation between water film thickness and various factors

根据《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)要求,路拱横坡度应不低于2%以满足道路横向排水需求,对于降雨强度较大的地区,可适当增大横坡度,且对于120 km/h设计速度的高速公路,最大纵坡度不得超过3%。分别建立双向八车道、十车道、十二车道等不同路面宽度的计算模型,通过Fluent软件计算得到在3.5 mm/min的降雨强度下路表最大水膜厚度值(见图 4)。对比表 3发现:对于不同宽度的超宽路面,通过增大横坡度的措施能够降低路面水膜厚度值。由图 4可见:双向八车道时横坡为3%时的最大水膜厚度(2.141 mm)比横坡为2%时(2.47 mm)降低了13.1%;双向十车道时横坡为3%时的最大水膜厚度(2.318 mm)比横坡为2%时(2.657 mm)降低了12.8%;双向十二车道时横坡为3%时的最大水膜厚度(2.47 mm)比横坡为2%时(2.836 mm)降低了12.9%;当设置横坡度为2%,双向八车道及以上的道路无法满足100 km/h设计速度的排水需求。仅通过提高横坡度的方式不能有效降低至各设计速度的临界水膜厚度值下,需要搭配适当的排水措施配合处治。

图 4 3.5 mm/min降雨强度时不同工况下的最大水膜厚度值 Fig. 4 Maximum water film thickness values under different working conditions at 3.5 mm/min rainfall intensity

2 排水设计方案

根据轮胎动水压力计算与路表径流分析耦合作用,结合表 6发现,当直线段道路采用3%路拱横坡度时,双向十二车道及以下的道路路面水膜厚度值(小于2.47 mm)均低于80 km/h设计速度下的临界水膜厚度(3.92 mm);双向十车道及以下的道路最大水膜厚度(小于2.31 mm)均能满足设计速度为100 km/h的临界水膜厚度(2.46 mm);双向四车道以上的路面最大水膜厚度(大于1.68 mm)将超过120 km/h的临界水膜厚度(1.66 mm),需进行优化设计以降低路面水膜厚度。

表 6 水膜厚度分布(单位:mm) Tab. 6 Water film thickness distribution (unit: mm)
车道数 第1车道 第2车道 第3车道 第4车道 第5车道 第6车道
双向八车道 1.264 1.682 1.926 2.141
双向十车道 1.268 1.685 1.945 2.151 2.318
双向十二车道 1.268 1.687 1.963 2.148 2.311 2.470

结合表 2表 6发现,部分车道路表水膜厚度超出临界水膜厚度值,车辆行驶中存在安全隐患,需对道路进行优化设计保证路面的水膜厚度低于临界水膜厚度。排水沥青路面具有出色的排水能力且能够有效提高临界滑水速度[24]。基于此本研究从排水长度这一影响因素入手,提出一种超宽路面排水布局设计方案将路面的排水路径缩短:在超宽路面的行车道之间的标线处采用透水沥青材料,其孔隙率约为20%。

3 不同布局效果分析 3.1 道路模型

计算通过Fluent软件进行仿真,通过DPM模型模拟降雨情况,设置EWF模型收集降落在路表的液滴计算水膜厚度。在路面指定位置设置1个渗水通道,在此处设置为20%孔隙率可以入渗部分水流进入排水基层,路面排水结构模型如图 5所示。

图 5 路面排水结构模型 Fig. 5 Pavement drainage structure model

3.2 布局方案

不同车道数的超宽路面车道标线数量也不同,设置不同数量的排水结构可以不同程度降低积水的排水长度,达到降低路表水膜厚度的目的。针对不同车道数的超宽路面,提出相应布局方案,如表 7所示。

表 7 不同路面宽度排水结构布设方案 Tab. 7 Drainage structure layout scheme with different pavement widths
车道数 排水结构数量/个 布设位置
双向八车道 1 1 2 3
2 1, 3 1, 2 2, 3
3 1, 2, 3
双向十车道 1 1 2 3 4
2 1, 2 1, 3 1, 4 2, 3 2, 4 3, 4
3 1, 2, 3 1, 2, 4 1, 3, 4 2, 3, 4
4 1, 2, 3, 4
双向十二车道 1 1 2 3 4 5
2 1, 2 1, 3 1, 4 1, 5 2, 4
3 1, 2, 3 1, 2, 4 1, 2, 5 2, 3, 4 2, 3, 5 3, 4, 5
4 1, 2, 3, 4 1, 2, 3, 5 1, 3, 4, 5 2, 3, 4, 5
5 1, 2, 3, 4, 5
注:表中布设位置1为第1车道与第2车道之间的车道线,依次类推。

3.3 不同布局方案排水效果分析

针对表 7提出的不同路面宽度下不同排水结构布局方案进行仿真计算,具体分析数量排水结构及排水结构布局位置对路面水膜厚度的影响,评估不同排水结构布局方案的排水效果。

3.3.1 双向八车道模拟结果

根据《公路路线设计规范》(JTG D20—2017),120 km/h设计速度下的道路纵坡最大值为3%,此处设置纵坡度为2%。针对双向八车道的超宽路面,道路整体设置为3%路拱横坡度及2%道路纵坡度,设置降雨强度为3.5 mm/min模拟强降雨天气,不同排水结构布设方案的路表水膜厚度分布结果如图 6所示,图题中数字1代表第1车道与第2车道之间的车道线,依次类推。计算发现:(1)仅布设一个排水结构时,路面最大水膜厚度为1.727 mm,对比未设排水结构路面最大水膜厚度(2.157 mm)减少约20%水膜厚度;(2)仅设置1个排水结构且排水结构设置在道路中间时,排水效果更佳;(3)布置2个排水结构排水效果与设置1个排水结构区别不大,不建议采用此布局方案;(4)设置3个排水结构可以将最大排水长度由四车道降低至一车道,此时路表最大水膜厚度为1.244 mm,降低42%水膜厚度。

图 6 双向八车道不同排水结构布设方案的路表水膜厚度 Fig. 6 Pavement water film thickness in various drainage structure layout schemes of bidirectional 8-lane

3.3.2 双向十车道模拟结果

同样的工况下,双向十车道不同排水结构布设方案的路表水膜厚度计算结果如图 7所示,计算发现:(1)仅设置1个排水结构布设在位于道路中部车道线处时,路面最大水膜厚度约为1.833~1.886 mm,该方案能有效减少约21%的水膜厚度。(2)建议设置2个排水结构时尽量选择在道路中间处的车道线处,此时水膜厚度最小。(3)设置3个排水结构,与仅设置2个排水结构的排水效果相差不大,不建议采纳。(4)设置4个排水结构可以将最大排水长度降低为一车道长度,此时路表最大水膜厚度为1.256 mm,能够降低42%水膜厚度,效果最佳。

图 7 双向十车道不同排水结构布设方案的路表水膜厚度 Fig. 7 Pavement water film thickness in various drainage structure layout schemes of bidirectional 10-lane

3.3.3 双向十二车道模拟结果

同样的工况下,双向十二车道不同排水结构布设方案的路表水膜厚度计算结果如图 8所示。计算发现:(1)仅设置1个排水结构时,排水结构设置在道路中央车道线处效果最优,能减少水膜厚度约23%。(2)设置2个排水结构时,方案(c)为最佳布设位置,能够有效降低34%的最大水膜厚度。(3)设置3个及4个排水结构与设置2个排水结构的排水效果相差不大,不建议采用。(4)设置5个排水结构,此时最大排水长度最短,路表最大水膜厚度降低最为明显,该布局方案能降低58%的最大水膜厚度。

图 8 双向十二车道不同排水结构布设方案的路表水膜厚度 Fig. 8 Pavement water film thickness in various drainage structure layout schemes of bidirectional 12-lane

3.4 排水结构布局方案建议

根据3.3节的计算结果发现,一般情况下,路面最大水膜厚度值随排水结构数量的增多而降低,但若排水结构布局不合理,对降低路面最大水膜厚度效果并不明显。针对表 7提出的所有布局方案,基于Fluent验证各方案下排水效果,得到最大水膜厚度值。并且在保证行车安全的前提下,本着节约资源、人力等原则,根据计算结果给出不同设计速度、不同路面宽度下的排水结构设计方案建议,如表 8所示。针对不同行车速度、不同宽幅的超宽路面,可按照表 8中的建议选取合适的排水结构布局方案。

表 8 排水结构建议方案 Tab. 8 Proposed scheme for drainage structure
车道数 不同行车速度(km/h)下排水结构布设位置
80 100 120
双向八车道 1,3或2,3
双向十车道 1,3或2,4
双向十二车道 3 2,4
注:表中1为第1车道与第2车道之间的车道线,依次类推。

4 结论

本研究通过Fluent软件计算了不同行车速度下的小汽车轮胎临界水膜厚度,并计算不同工况下的路面水膜厚度值。根据水膜厚度计算值与动水压力计算的临界值相耦合提出排水结构布局方案,并通过数值计算评估不同方案的排水效果。

(1) 通过轮胎动水压力计算建立起不同车速下的动水压力与水膜厚度间的关系,得到不同行驶速度下的临界水膜厚度值,设计速度为80 km/h时,临界水膜厚度为3.92 mm;设计速度为100 km/h时,临界水膜厚度为2.46 mm;设计速度为120 km/h时,临界水膜厚度为1.66 mm。

(2) 针对双向十二车道及以下超宽路面提出排水结构布局方案建议为:设计速度为80 km/h的道路,设置3%横坡度即可;对于设计速度为100 km/h的道路,超过双向十车道建议在中部的车道线处设置1个排水结构;对于设计速度为120 km/h的道路,建议每隔2个车道设置1个排水结构。

(3) 由于在研究临界水膜厚度时未考虑安全系数,此外在行车道标线处进行排水结构设计的方法并未在实际工程中开展应用,对于在标线处设置透水材料进行排水处治对路面结构的影响是未知的。因此后续的研究将开展考虑安全系数的临界水膜厚度研究及对行车道标线排水结构开展实地应用,实测该方案的排水效果,以及在该结构下的路面性能研究分析。

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