雨天高速公路安全車速及關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)研究

1、雨天高速公路安全車速及關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)研究朋1 ，成衛(wèi)2 ，席建鋒2 ，閆玉嬌3孫( 1. 吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130022; 2. 昆明理工大學(xué)，昆明 650224;3. 沈陽(yáng)佳實(shí)司法鑒定所，沈陽(yáng) 110023)摘 要: 由于道路交通環(huán)境對(duì)車輛通行及安全影響的復(fù)雜性，很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范既有其較好的適用性，又有其脫離實(shí)際的地方，往往多是根據(jù)管理經(jīng)驗(yàn)確定公路安全車速和關(guān)閉的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏量化的依據(jù)與合理性 為此，采用定性與定 量相結(jié)合的方法，分別建立了降雨強(qiáng)度與水膜厚度、能見度以及路面摩擦系數(shù)的關(guān)系; 通過比較彎道路段車輛側(cè)滑 與安全制動(dòng)距離下的臨界車速，建立了不同降雨強(qiáng)度下的高速公路安全臨界車速計(jì)算模型 以某路段為

2、例，給出了 不同降雨強(qiáng)度下的安全車速和相應(yīng)的交通管制措施 研究結(jié)論為高速公路交通管理部門開展安全運(yùn)營(yíng)工作提供了 可行方法和現(xiàn)實(shí)的依據(jù)關(guān)鍵詞: 高速公路; 降雨強(qiáng)度; 安全車速; 關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)志碼:文章編號(hào): 1008-2522( 2014) 01-08-05U 4Aesearch on Expressway Safe Speed and Closure Standard in ainyDaySUN Peng，CHENG Wei，XI Jian-feng，YAN Yu-jiao( 1. Jilin University，Changchun 130022;2. Kunming Uni

3、versity of Science and Technology，Kunming 650224;3. Shenyang JiashiJudicial Authentication Institute，Shenyang 110023)Abstract: Because of the complexity of the road traffic environment on the vehicles and securityimplications， many management standards are good applicable as well quite impracticable

4、 The relationship between rainfall intensity and thickness of water film visibility and road surface friction coefficient are established，by using a combination of qualitative and quantitative methods The model of highway safety critical speed is building up under different rainfall intensity by com

5、paring the curve road vehicle sideslip and safety critical speed under braking distance In case study，the safe speed and the corresponding traffic control measures are given quickly It provides a useful tool and practical basis for the highway traffic management departments to carry out safety opera

6、tion measuresKey words: expressway; rainfall intensity; safe speed; closure standard在高速公路上行車，一旦遇到雨天等不良天氣，駕駛員由于較難準(zhǔn)確地判斷周邊道路交通狀態(tài)，因 此很難選擇合適的速度來保障通行安全; 當(dāng)降雨強(qiáng) 度較大時(shí)，雨天行車的危險(xiǎn)性就大大增加，高速公路 管理部門常常采取安全警告或者直接關(guān)閉道路的方式以預(yù)防交通事故的發(fā)生 然而，降雨天氣惡劣程度與行車安全速度究竟是何種關(guān)系，在什么天氣條 件下需要關(guān)閉道路并不是那么顯而易見 于是，很 多高速公路交通管理部門就采取較為保守的辦法， 一遇到異常天氣情況便關(guān)

7、閉道路，為地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)收稿日期: 2014-01-06基金項(xiàng)目:作者簡(jiǎn)介:云南省科技廳社會(huì)發(fā)展科技計(jì)劃項(xiàng)目( 2009CA031-4) 成 衛(wèi)( 1972) ，男，廣州人，教授，博士，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂艵-mail: chengwei_ding 163 com第 1 期孫 朋，等: 雨天高速公路安全車速及關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)研究9發(fā)展造成一定的損失; 也有些高速公路交通管理部門比較冒險(xiǎn)，一味追求高效益而忽視了安全的重要 性，釀成了很多交通事故慘劇雨天行車尤其是在降雨較大的情況下，行車安 全主要來自能見度和路面摩擦系數(shù)的變化 首先是 降雨時(shí)，空氣中有水滴存在會(huì)使空氣的能見度降低， 從而引起駕駛員的

8、視野不開闊、對(duì)于道路上的一些 標(biāo)志提示信息等辨識(shí)能力差 在強(qiáng)降雨天氣時(shí)，大 量雨水堆積到擋風(fēng)玻璃上使 駕駛員的視距急劇下 降，駕駛員所能見到的范圍也急劇降低 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 表明，當(dāng)降雨量達(dá)到中雨時(shí)，高速公路的能見度就會(huì) 小于 1 km，車輛行車安全受 到 嚴(yán) 重 影 響，行 車 存 在 很大的安全隱患 在車速較快情況下，當(dāng)路面上積 水以后還會(huì)形成反射，使駕駛員很難辨清路面上的標(biāo)志標(biāo)線1 強(qiáng)降雨對(duì)于能見度和行車安全影響會(huì) 更加嚴(yán)重 其次，當(dāng)開始降雨時(shí)，雨水與路面的塵土 混雜在一起會(huì)形成一種混合劑，此種混合劑具有潤(rùn) 滑作用使路面的摩擦系數(shù)降低從而影響車輛制動(dòng)性 能 當(dāng)降雨比較大路面上積水逐漸增多時(shí)，車

9、輛在 高速行駛時(shí)輪胎與路面之間會(huì)存在一層水膜，當(dāng)水 不能及時(shí)排開時(shí)水的阻力就會(huì)使輪胎上浮，水膜厚 度繼續(xù)增加就會(huì)形成比較可怕的滑水現(xiàn)象，此時(shí)路 面行車速度稍微過大時(shí)就會(huì)形成車輛的側(cè)滑甚至側(cè) 翻現(xiàn)象，引起車輛的失控2坡面坡度( % ) ; q 為降雨強(qiáng)度( mm / min) ; TD 為路面構(gòu)造深度: 0. 1 mm在計(jì)算時(shí)，取 設(shè) 計(jì) 速 度 為 120 km / h，取 高 速 公 路最大縱坡 3% ，根據(jù)高速公路瀝青路面抗滑性能 指標(biāo)竣工驗(yàn)收要求構(gòu)造深度 TD 為 0. 55 mm，根據(jù)高速公路排水設(shè)計(jì)相關(guān)要求，每隔 30 50 m 設(shè)置橫向 排水管，計(jì)算排水長(zhǎng)度取 50 m 根據(jù)式 (

10、 1 ) 計(jì)算降雨強(qiáng)度與水膜的關(guān)系如下h = 0. 125 8 L0. 671 5 i 0. 314 7 q0. 779 6 TD0. 726 1 = 0. 398 q0. 778 6( 2)又根據(jù)我國(guó)降雨強(qiáng)度的劃定，可得表 1 所示降雨量與水膜厚度的關(guān)系表 1 降雨量與水膜厚度的關(guān)系降雨強(qiáng)度 mm / d降雨強(qiáng)度 mm / min水膜厚度 / mm1025501002500. 006 90. 170. 0350. 0670. 170. 070 60. 142 40. 249 80. 423 80. 552降雨量與路面摩擦系數(shù)關(guān)系雨天會(huì)在高速公路路面形成一定的積水，改變 路面的狀況，降低路面摩

11、擦系數(shù)從而使車輛的制動(dòng) 性能減弱、行車的危險(xiǎn)性增加 此時(shí)，如果車輛按照 正常的駕駛行為轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加減速等很容易造成車 輛的橫向滑移、失控甚至側(cè)翻等嚴(yán)重的交通事故，存 在嚴(yán)重的行車安全隱患車輛在有積水的路面上行駛時(shí)，輪胎與路面的 接觸( 見圖 1) 可以分為 3 個(gè)區(qū)域: A 是水膜區(qū)域; C 是主要接觸區(qū)域提供主要的摩擦力; B 是兩者的過 渡區(qū)域 A、B、C 區(qū)域的大小主要取決于車輛輪胎的 幾何特性、車輛行駛速度以及路面粗糙程度等因素， 當(dāng) C 區(qū)域的面積較大時(shí)車輛可以較安全地行駛，反 之，車輛就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的“滑水現(xiàn)象”根據(jù)流體力學(xué)與牛頓定律，對(duì)車輛在有水的柏 油路面行駛時(shí)的摩擦系數(shù)進(jìn)行數(shù)

12、學(xué)建模，確定水膜21降雨量與水膜厚度的關(guān)系降雨開始一段時(shí)間后，路面出現(xiàn)積水，車輪胎面的花紋空隙由于被雨水填滿而變得光滑，水膜來不及從磨光的車輪輪胎下擠出，會(huì)在轉(zhuǎn)動(dòng)的輪胎下聚 攏，形成楔形，使該處的動(dòng)水壓力超過車輪的壓力 隨著楔形長(zhǎng)度的增加，輪胎與路面的接觸面積不斷 減小，附著系數(shù)也急劇下降，最終使得車輛與路面的 接觸完全破 壞，輪胎在行駛時(shí)根本不能接觸地面 形成的水膜使前輪失去可控性能，引起制動(dòng)發(fā)生困 難，容易形成滑水 因此，降雨強(qiáng)度與水膜厚度關(guān)系 對(duì)道路行車安全有很大的影響水膜厚度的形成主要受降雨強(qiáng)度、坡面長(zhǎng)度、坡 面坡度和路面粗糙度的影響，是一個(gè)高度非線性、空間分布的過程 東南大學(xué)的季天劍

13、3根據(jù)我國(guó)路面 結(jié)構(gòu)情況，將道路的構(gòu)造以參數(shù)的形式體現(xiàn)于研究 之中，利用回歸分析得到水膜厚度的回歸方程式h = 0. 125 8 L0. 671 5 i 0. 314 7 q0. 779 6 TD0. 726 1( 1)式中: h 為水膜厚度 ( mm) ; L 為 坡 面 長(zhǎng) 度 ( m) ; i 為圖 1 路面有積水時(shí)車輛輪胎接觸地面的 3 個(gè)區(qū)域道路交通與 安 全2014 年10對(duì)輪胎的摩擦系數(shù)可由下式計(jì)算求得雨 在 分布的基礎(chǔ)上引入了形狀 因 子，即Gamma 分布MP22 vA p0 k 22vA p0 k = F = 2 k me DN( D) = N0 D( 5)( 3)=WW2

14、kW結(jié)合雨滴的譜分布函數(shù)，m 為單位體積內(nèi)群雨滴的消光系數(shù)( cm 1 ) 為式中: 為水的動(dòng)力黏度( Pas) ; V 為汽車的運(yùn)動(dòng)速度( m / s) ; A 為輪胎的接地面積( m2 ) ; h 為滑水時(shí)水 膜厚度( mm) ; W 為輪胎荷載( N) N0 Dme D2( D，m) Drain =ext602 N0 ( m + 5 ) ( 6)3降雨量與能見度的關(guān)系m + 5降雨強(qiáng)度( mm / h) 為在降雨天，影響能見度的主要因素是降雨強(qiáng)度不同的降雨強(qiáng)度，能見度也就不同 對(duì)降雨強(qiáng)度與 能見度 的關(guān)系問題已有 所 研 究，西南交通大學(xué)何 杰4利用 MP 分布，由公式推導(dǎo)降雨強(qiáng)度與能見

15、度 的關(guān)系 MP 分布是由 Marshall 和 Palmer 提出的，其 形式為42. 28 10 N0 ( m + 5) =( 7)m + 5如果不考慮氣溶膠粒子等其他大氣粒子的影 響，將式( 5 ) ( 7 ) 聯(lián)立，可以得到能見度 H( 單位:km) 與降雨強(qiáng)度的關(guān)系為13. 76 ( m + 5 ) D( 8) = 4. 1 0. 21N( D) = N0 eH12 ( m + 3)( 4)短時(shí)強(qiáng)降雨大多數(shù)產(chǎn)生在暴雨天氣過程中，隨著降雨強(qiáng)度 的 增 大，能見度急劇減小，危 及 行 車 安 全 根據(jù) 20072008 年滬寧高速公路 自 動(dòng) 監(jiān) 測(cè) 站 檢測(cè)到的多次降雨過程，以每分鐘的

16、降雨強(qiáng)度和能 見度為單位，建立降雨強(qiáng)度與能見度的對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)閾 值關(guān)系( 見表 2) N0 = 8 000式中: D 為雨滴的直徑 ( mm) ; N為 濃度; 為尺度參 數(shù)該譜分布具有一般雨滴譜的特點(diǎn)，對(duì)于穩(wěn)定降 雨擬合效果較好，并且使用于比較穩(wěn)定的層狀云降表 2 降雨強(qiáng)度與能見度對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)閾值表降雨強(qiáng)度 / ( mmh 1 )1 min 降雨強(qiáng)度 / ( mmmin 1 )能見度區(qū)間值 / m能見度可能降低至 / m51015200. 4 0. 60. 7 1. 01. 1 2. 0 2. 01 000 500300 500100 30010015050 100表 2

17、表明，當(dāng) 1 h 降水量大于 10 mm，其中 1 min的降雨強(qiáng)度達(dá) 0. 7 1. 0 mm 時(shí)，公路沿線能見度值 就能迅速降至 500 m 以下; 當(dāng) 1 h 雨量達(dá) 15 mm 以 上，其中 1 min 降雨強(qiáng)度達(dá) 1. 1 2. 0 mm 時(shí)，能見度 即可降至 200 m 左右; 一旦 1 min 降雨強(qiáng)度大于 2. 0 mm 時(shí)，能見度將降至 100 m 左右些，二者的關(guān)系為 = 0. 97s + 0. 08( 9)機(jī)動(dòng)車整車質(zhì)量為 G，彎道曲率半徑為 ，那么作用在整車質(zhì)心 C 上的離心慣性力 F 等于質(zhì)量乘g轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心加速度，即v2G( 10)Fg = man = g4臨界安全

18、車速模型隨著車速 v 的增加，離心慣性力迅速增加，當(dāng)它達(dá)到輪胎與路面間橫向最大摩擦力 Fy 時(shí)，路面上出 現(xiàn)側(cè)滑的擦印，此時(shí)的車速稱為側(cè)滑時(shí)的臨界速度， 用 v 表示，于是可根據(jù)4. 1基于側(cè)滑的臨界車速模型當(dāng)機(jī)動(dòng)車正常行駛至高速公路彎道路段時(shí)，在 摩擦系數(shù)很小的情況下，一旦速度過大就極容易發(fā)生側(cè)滑或者側(cè)翻事故 當(dāng)車輪出現(xiàn)橫向滑動(dòng)而縱向并沒有制動(dòng)時(shí)，路面對(duì)車輪的滑動(dòng)摩擦系數(shù)稱為橫 向附著系數(shù) ，它比縱向滑動(dòng)附著系數(shù) s 略 大 一v2G = G( 11)g所以側(cè)滑的臨界速度第 1 期孫朋，等:雨天高速公路安全車速及關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)研究112max t + iyv( t) = V( 14)v =1 i

19、g( 12)02t槡iy對(duì)式( 14) 積分，可得車輛在該階段所行駛的路程式中 為整車橫向的附著系數(shù)( 15)Si = V0 t1其中 max 為最大制動(dòng)減速度4. 2基于車輛制動(dòng)距離的安全車速模型安全距離模型最基本的關(guān)系是尋找一個(gè)特定的在車輛處于制動(dòng) te 階段，制動(dòng)減速度恒為 此階段車輛所行駛過的距離安全跟車距離，可通過經(jīng)典牛頓運(yùn)動(dòng)定理導(dǎo)出5V2t2V t 0 0 i max i Se = 2+( 16)23max因此車輛總的制動(dòng)距離為前 3 個(gè)階段所行駛的距離之和，大小為22tiV0max tiS = V0 tr + 2 + 2( 17)24max2max ti圖 2 減速度隨時(shí)間的變化

20、圖因?yàn)?ti 的值很小，的值就更小，所以可以24圖 2 為車輛制動(dòng)過程中減速度隨時(shí)間的 變 化圖 設(shè) tr 為駕駛員反應(yīng)時(shí)間與制動(dòng)器協(xié)調(diào) 時(shí) 間 之 和，一般 取 值 為 0. 8 1. 0 s; ti 為減速度的增 長(zhǎng) 時(shí) 間，一般取值為 0. 1 0. 2 s; te 為制動(dòng)過程中持續(xù)時(shí) 間，對(duì)應(yīng)各個(gè) 時(shí) 間 階 段，車輛行駛的路程分別設(shè)為 Sr 、Si 、Se 在 tr 階段，駕駛員處于反應(yīng)階段，此 過 程 中 車 輛速度不發(fā)生變化，因此，車輛所行駛的距離忽略不計(jì)因此上式可簡(jiǎn)化為2tiV0S = V0 tr + 2 + 2( 18)max依據(jù)不同降雨強(qiáng)度的能見度作為已知條件即可求得相應(yīng)的

21、安全車速5雨天限速標(biāo)準(zhǔn)建立選取 長(zhǎng) 營(yíng) 高 速 K261 + 50 處 的 彎 道 為 分 析 實(shí)例 該路段的設(shè)計(jì)參數(shù)為: 單向兩車道，車道寬度為3. 75 m，超高 5. 2% ，車道分割線虛實(shí)比例為 9 6( 單 位 m) ，彎道半徑為 1 450 m 車輛輪胎取為基本的185 /7013 子 午 線 輪 胎，該輪胎的基本參數(shù)如表 3所示Sr = V0tr( 13)在車輛制動(dòng) ti 階段，假設(shè)制動(dòng)減速度與時(shí)間成線性增長(zhǎng)關(guān)系，從零線性增長(zhǎng)到車輛的最大制動(dòng)減速度，則在 ti 階 段 任 意 時(shí) 刻，車 輛 的 速 度 值 v ( t ) 滿足表 3 子午線輪胎參數(shù)新胎充氣后主要尺寸 / mm規(guī)

22、格最大負(fù)荷能力 / kg相應(yīng)氣壓 / kPa斷面寬 3%外直徑 1%185 /70131855905302705. 1基于側(cè)滑的臨界車速計(jì)算根據(jù)雨天實(shí)際雨量的大小，選擇大雨條件下水 膜厚度與摩擦系數(shù)的換算關(guān)系，可得一定水膜厚度 下的摩擦系數(shù)與側(cè)滑速度代入已知數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算得到基于車輛側(cè)滑的不同降雨強(qiáng)度下的安全臨界速度5. 2基于車輛制動(dòng)距離的安全車速13. 76 ( m + 5 ) H2 ( m + 3)22 p0 h( 20) =V22WhtS = V0 tr + +i022maxv = + iy ( 19)1 i g槡帶入已知數(shù)據(jù)計(jì)算得到基于車輛制動(dòng)距離與能見度的安全臨界車速綜上所述，在同一降

23、雨強(qiáng)度下，比對(duì)式 ( 19 ) 和( 20) 的計(jì)算結(jié)果，取較小值作為限速標(biāo)準(zhǔn) 經(jīng)計(jì)算，y = v =3. 6道 路 交 通 與 安 全2014 年12不同降雨強(qiáng)度下的安全臨界車速見表 4 所示表 4降雨等級(jí)、能見度與水膜厚度之間的關(guān)系降雨等級(jí)1 h 雨強(qiáng) /mmmin 1限速建議值kmh 1交通管制措施能見度區(qū)間水膜厚度小雨小到中雨 中雨2. 52. 5 2. 62. 6 8. 01 50080 1 500( 0，0. 071)0. 071，0. 14)706560實(shí)時(shí)監(jiān)控道路交通情況，做好處理各類交通事件的準(zhǔn)備中到大雨大雨8. 0 8. 18. 1 15. 9300 8000. 14，0. 24)5550需要在收費(fèi)站處設(shè)置警示牌，并由收費(fèi)人員提醒小心駕駛大到暴雨暴雨15. 9 1650 3000. 24，0. 86)4030加強(qiáng)路段巡查，發(fā)放提醒卡，設(shè)置提示標(biāo)志大暴雨特大暴雨16500. 86， )建議關(guān)閉限制車輛駛?cè)?，?shí)施