西藏高原地区高速公路路面结冰状态关键控制因子确定

张 昱，樊兆董，李志杰

（1.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；2.山东省路域安全与应急保障交通运输行业重点实验室，山东 济南 250102；3.山东高速集团有限公司，山东 济南 250098）

引言

恶劣气象条件引发交通事故频发、拥堵延误和中断加剧等，对公路网运行的安全性具有巨大挑战，尤其是西藏高原地区高速公路，地处高海拔。从路面结冰的原理和阶段，多角度分析路面结冰的影响因素，得出路面结冰的条件、类型和特征。通过室内的试验，研究黑冰、冰霜等路面结冰状态的形成过程和规律，找出路面结冰状态的关键控制因子，为西藏高原地区高速公路路面结冰状态预测研究提供理论基础。

1 路面结冰的特征分析

路面结冰是道路表面上积聚冰层的现象。通过分析路面结冰的原理和阶段，查出路面结冰的各种影响因素，从不同的冬季路面结冰天气过程，得出路面结冰的条件，确定不同的路面结冰类型和特征。

1.1 结冰路面对交通安全的影响

车辆行驶在结冰路面上，摩擦力大幅降低，容易失去控制，发生侧滑、侧翻、旋转和追尾等交通事故。特别是高原地区，如遇到不规律分布的残冰路面，存在很大交通安全隐患。结冰路面对西藏高原地区高速公路交通安全的影响主要表现在路面摩擦系数降低。

1.2 路面结冰原理和阶段

水结成冰是水的温度在持续降温最终结冰的过程。路面结冰的快慢，不仅与水体接触的材料性质有关，还与空气流速、外界温度差、结冰表面积、水的过冷度大小有关。结冰路面的形成，与接触的路面材质、路面温度、大气温湿度、风速、降水等多种因素都有关系。

1.3 路面结冰影响因素分析

高速公路具有线性特性，路面结构裸露在大气之中，直接承受车轮荷载作用，除气候因素影响外，还受到如沿线地形地貌、道路结构物、交通状况等其它多种因素的综合影响，引发路段结冰现象，且高海拔路段、桥梁路段、临湖路段、背阴路段等都易出现路面结冰。

1.3.1 气候因素对路面温度的影响

气候因素对路面温度的影响主要体现在大气温湿度、太阳辐射、云层覆盖、风速、降水量和蒸发量等多方面，也是决定路面温度最重要的因素。其中决定路面状况最重要的因素是太阳辐射和大气温度，而云层反射、吸收以及释放热量、风混合地面空气层等因素可有效降低路面温度变化的幅度。

1.3.2 空间因素对路面温度的影响

空间因素取决与路侧树木和建筑物的分布情况，这些因素通过遮蔽作用降低了到达路面的太阳辐射。如果路侧有较高的物体，例如树木，地面辐射就会被更多的反射回地面，降低路面变冷的速度。

1.3.3 路面材料构成对路面温度的影响

不同的路面材料对能量的吸收和发散都有不同的比率，两条不同材料的路面达到最低温度的时间也不同。道路材料的深度也是重要因素，越深温度就会越高，因此高速公路和主干道一般会比其他道路温度高，也受到车流量的影响。

1.3.4 道路结构物对路面温度的影响

桥面因为其结构以及热容量小的缘故更容易变冷。钢铁桥面会比一般路面温度降低更快，因为它有很高的热量传导性以及较差的热量保持性，这种低热容的特性会导致一些路段产生短期的结冰现象。桥面的路面温度要比周围其它路段低，因此这些区域一般被视为结冰风险路段。

1.3.5 交通因素对路面温度的影响

夜间，一定的交通流会保持路面温度，抵消一部分由于地面辐射造成的热量流失。交通流可混合地表附近的冷暖空气层，降低夜间路面的热量散失。同时，轮胎和路面之间的摩擦产生热量及引擎和排气管排放的热量会比那些有着较小交通流路段的路面温度高。

综上所述，路面结冰受到气候、空间、路面材料、结构物和交通等多种因素的综合影响，限于试验条件和数据采集的难度，主要分析受气候因素影响下路面结冰现象。

1.4 路面结冰条件

路面结冰的必要条件是路面低温。不管是哪一类路面结冰天气过程，无论是否有降水，只要路面上存在一定量的水汽，包括降雨、降雪或路面融雪、车辆尾气等因素引发的情况，当路面温度低于0 ℃时，就有可能出现路面结冰。

1.5 路面结冰类型与特征

路面结冰特征类型见表1。

表1 路面结冰类型

2 路面结冰试验研究

根据分析结果，通过室内试验，研究路面结冰状态的形成过程和规律，确定路面结冰状态形成的关键控制因子。路面结冰的主要影响因素包括：路面温度、大气温度、露点温度、相对湿度、风速、降水（降雨、降雪）等。路面结冰的形成都离不开水汽条件和路面低温。因此，在试验设计过程中，主要考虑降水量和路面温度对路面结冰形成的影响。

路面结冰室内试验中，主要控制参数确定为路面温度、降水量/水膜厚度、路面传感器输出电压值和结冰程度/结冰率。

2.1 试验设计

2.1.1 试验目的

室内试验在气象模拟试验系统中进行，目的是进行环境模拟，一是确定不同水膜厚度在低温条件下，与电压值的对应关系，确定最早出现结冰的水膜厚度。二是通过控制气象要素，观察路面结冰的形成过程和规律。确定路面结冰程度随时间的变化情况。

2.1.2 试验设备和材料

设备和材料主要包括：气象模拟试验系统及平台、路面试块及路面状态传感器、游标卡尺等。

2.1.3 试验环境

（1）结冰点温度范围：-20 ～0 ℃；（2）路面温度测量元件精度：±0.2 ℃，-3 ～75 ℃；（3）路面温度测量范围：-40 ～75 ℃；（4）可检测路面状态：路面干燥、路面潮湿、路面覆雪、路面结冰；（5）水膜厚度：最大10 mm；（6）工作温度范围：-40 ～75 ℃。

2.2 试验方案

考虑到试验条件和精度，黑冰和冰霜这两种危险而特殊的路面状态，室内试验主要模拟路面干燥、路面潮湿及路面黑冰和冰霜的情况。

2.2.1 水膜厚度试验

依据水膜厚度，将路面状态分为潮气、微湿、湿滑三种状态。水膜厚度标定试验的上限是10 mm，根据喷洒水量与喷洒面积来确定水膜厚度。

2.2.2 不同路面状态结冰程度试验

受试验条件限制，试验在路面低温且空气情况对流微弱的情况下，对路面黑冰和冰霜情况进行测试。气象模拟试验系统中路面温度控制在-10～0 ℃，对两种路面结冰状态进行测试，并观察其路面结冰程度随时间的变化情况。

2.3 试验数据与分析

2.3.1 最早出现结冰状态的水膜厚度

根据室内试验测试结果，从路面干燥到水膜厚度为10 mm 的不同状态，在-10 ～0 ℃同样的气象模拟试验系统低温条件下，水膜厚度为1 mm 的状态最早出现结冰现象，用时大约为12 min，而且此时测得的传感器输出电压值约为3.85 V。

2.3.2 不同路面状态结冰形成过程

水膜厚度为1 mm 时最易发生路面结冰，因此考虑较薄水膜厚度结冰的黑冰和冰霜两种路面状态。通过人眼观察路面结冰范围的百分比，将其作为结冰程度的监测指标，记录整个结冰形成过程随时间的变化情况。

3 结语

（1）模拟黑冰状态比冰霜状态早出现结冰现象，主要因为在模拟冰霜状态时，使用加湿器对传感器表面进行加湿，随着传感器表面水膜厚度的增加，导致结冰现象推迟。（2）路面结冰的速度呈现先慢后快的发展趋势，特别是结霜状态模拟过程表现的比较明显。而且随着结冰率的增加，即结冰表面积越大，结冰速度越快，耗时越短。（3）通过分析，将大气温度、路面温度、露点温度、相对湿度、风速、降水等条件作为路面结冰状态的关键控制因子。