高速公路连续长大下坡路段线形优化理论与方法研究

宋楚君

摘要 随着我国交通运输和城市化进程的高速发展，高速公路所承担交通任务量也越来越繁重。文章主要基于高速公路在连续长大下坡路情况下，研究公路线形优化的方法。通过结合实际案例分析，优化了连续长大下坡路段线形的设计。研究结果表明：文章的优化方案有效降低了交通事故发生率、提高了交通流畅度，证明该减速下坡车道的设计达到了预期效果。当坡度为1 °时，车辆速度提高了75%，距离减少了45%，所以设置减速下坡位置时，应随着道路长大下坡的坡度增加，减小距坡顶的距离。

关键词 高速公路；连续长大下坡；线性组合；减速下坡车道

中图分类号 U412.366文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0052-03

0 引言

随着社会的不断发展和交通需求的不断增长，我国的交通设施网络也在不断完善，同时交通安全的问题也日益突出，而高速公路作为现代交通网络的重要组成部分，其线形设计对道路安全、交通效率和行车舒适度等方面起着至关重要的作用[1]。传统的高速公路设计往往以平缓的坡度为主，但在实际运用中，面临着如何在下坡路段实现连续、稳定的线形设计的挑战[2]。下坡路段的线形设计直接关系到车辆行驶的安全性和舒适性，同时也对交通流的稳定性和高速公路的整体运行效果产生深远影响。因此，深入研究高速公路连续长大下坡路段线形的优化理论与方法，不仅有助于提升道路的安全性和通行效率，还能够推动高速公路设计的创新与发展。该文旨在探讨在下坡路段的线形设计中，如何通过优化理论和方法，实现连续、平稳的道路线形，以满足日益增长的交通需求和提高行车体验。

1 公路连续长大下坡路段事故影响因素

在对高速公路长大下坡路段设计中，坡度设计过大将会增加车辆的制动难度，容易造成刹车制动难以控制，最终导致交通事故的发生，因此对于高速公路长大下坡路段需要考虑诸多影响因素，比如弯道设计时如果半径过小则增加车辆的侧滑以及翻车的风险。其次对于高速公路长大下坡路段而言，路面状况的质量会严重影响行车安全，路面存在裂缝、坑洼或者积水时都会增加行车的安全性。最后是驾驶员的基本素养，需要根据不同的情况，及时准确做出最合理、最正确的选择[3]。如表1所示给出了部分国家和地区交通事故相关因素的比例，从中可以看出，造成交通事故的主要因素是驾驶人员的过失以及道路设计的不合理。

通过查阅文献，对于车辆失控的原因主要有两个方面的观点：一种观点认为坡道过长，导致刹车片过热引起车辆失控；另一种观点认为下坡坡道与曲线组合，组合不当时引起车辆失控。如图1所示，给出了计算统计法与统计法，以确定是否需要设置避险车道。基于计算的方法用于已运行或者新建的道路，而基于统计的方法只能用于已运行的道路[4]。

在连续长大下坡路段上，车辆的制动系统、转向系统以及悬挂系统都需要处于良好的工作状态。如果车辆存在制动器失灵、转向不灵活或悬挂部件松脱等问题，都会增加交通事故的发生风险。而在连续长大下坡路段，车辆速度过快，导致车辆产生较大的惯性和速度。因此，车辆的制动系统需要具备足够的制动力和耐久性，制动系统制动力不足或制动效果不佳，容易导致制动失灵，从而引发交通事故。

如图2和图3所示分别为汽车载重和超载率分析情况统计图。根据调查研究，货车车辆长期处在超载情况，严重威胁交通道路安全以及人身生命安全。因此，为了避免潜在的危险出现，在高速公路长大下坡路段应设置完善的基础设施，并且加强道路管理。特别应注重大货车，避免过多超载车辆或者车重超过55 t的车辆同时进入长大下坡路段。

在连续长大下坡路段，需要合理设计道路的坡度、曲线半径以及超高限度等要素，以确保车辆能够稳定行驶并减少制动压力。标线的设置应明确指示车辆行驶方向和车道划分，以帮助驾驶员正确判断路况和采取相应的驾驶行动。

2 高速公路连续长大下坡路段线形

2.1 车辆运行动力学分析

在高速公路连续长大下坡路段，车辆运行动力学可以帮助分析在车辆运行过程中存在的各种安全问题。车辆在行驶过程中，需要不断地消耗其动力势能，克服空气阻力与摩擦力的影响，以保持车辆的行驶稳定。而当车辆驶入下坡路段时，重心位置的偏移和质量分布的不均衡会影响车辆的稳定性和操控性。其次，当车辆过快时制动距离的增加，更加容易导致车辆失控，增加事故风险，因此只有对车辆运动行为有了足够深入的理解后，才能对车辆设计和负载配置有更为合理的规划[5]。

长大下坡路段的线形特点是路面坡度大、曲线多、视距短，这会使车辆在行驶过程中面临着重力、惯性力和摩擦力等多种受力。当车辆失控时，其各种受力会更加复杂和危险，可能导致严重事故。车辆在下坡路段上沿着坡度方向前进，如果速度过快或制动不当，重力会增加车辆的加速度和滑行距离，导致车辆失控。此外，长大下坡路段的曲线较多，车辆在转弯时会受到侧向加速度的影响，这也会增加车辆失控的风险。车辆在高速行驶时，会受到惯性力的影响，即车辆在直线运动或转弯时，由于质量的惯性作用而偏离原来的轨迹。在长大下坡路段上，如果车辆速度太快或者在曲线处转向不当，惯性力会使车辆失控，并增加车辆滑行距离和碰撞风险。长大下坡路段的路面可能存在不同程度的坑洞、凸起和摩擦系数变化等问题，这些因素都会对车辆行驶产生影响。如果路面摩擦系数降低，车辆制动距离将会增加，容易导致制动失灵和失控。同时，坑洞和凸起也会影响车辆的平稳行驶，增加失控风险。

2.2 坡段组成对货车制动器温度的影响

根据相关规范与论文研究，连续长大下坡路段需要在保证车辆安全行驶的前提下，尽可能提高交通运输的能力与效率，然而汽车在长大下坡路段，需要人为不断频繁地使用制动器进行制动，由于摩擦产生的热量无法有效散出，制动器的温度会迅速升高，进而致使制动器因温度过高而失效，给行车安全造成不必要的麻烦与风险。因此在实际设计中，需要对线路进行更加合理的设计以规避带来的危险。

2.3 坡段组成对货车行驶状态的影响

较陡的坡度会增加货车制动器的使用频率和时间，由于制动器摩擦产生的热量无法有效散出，制动器温度会迅速升高，给行车安全带来潜在风险。较小的曲线半径会导致货车在转弯时需要更加频繁地使用制动器，增加了制动器的使用次数和持续时间，从而使制动器温度升高。此外，连续长大下坡路段的长度也会对货车行驶状态产生影响，较长的下坡路段需要货车驾驶人员持续使用制动器进行制动，这将使制动器温度逐渐升高，货车行驶状态不稳定，容易出现制动失灵等安全问题。较低的路面摩擦系数会使货车在制动时产生更大的摩擦力，进而增加制动器的磨损和温度，给货车行驶状态带来一定影响。因此，在连续长大下坡路段纵断面指标优化研究中，需要充分考虑坡段的组成对货车行驶状态的影响，合理控制坡度的陡峭程度、选择合适的曲线半径、设置补偿坡段或平坡段、提高路面的摩擦系数等，以确保货车行驶安全、稳定和可靠。

3 减速下坡车道实地试验及分析

3.1 工程概况

该文选择以湖南省长沙市某国道一段长大下坡路段为研究对象，该国道为双向四车道的高速公路，全长约25 km，设计速度为120 km/h，路基宽度为26 m。由于该地区地处湖南省中部，地貌主要由侵蚀堆积河谷冲洪平原地貌和低山丘陵组成，总体呈东高西低趋势，该路段地区最高海拔为3 100 m，平均坡度为11 °。

3.2 路面材料选择实验分析

车辆长时间的连续下坡行驶会对路面造成较大的磨损，因此路面材料的耐磨性能也是实验分析的重点之一。选取一段道路，在道路上铺装试验用的集料；针对不同大小的集料，车辆运行时应至少三次不采用刹车制动，利用集料的减速效果进行减速；记录其行车时的档位情况、速度变化情况，并且丈量行车距离，通过计算得到集料的滚动阻力系数。通过模拟车辆在不同路面材料上的行驶情况，观察路面磨损情况，评估路面材料的耐久性和使用寿命。通过实验分析不同路面材料在湿润条件下的摩擦系数和抗滑性能，评估其在陡坡路段的实际应用效果。通过对不同材料的采购成本、施工成本以及维护成本的比较，结合其在实际应用中的表现，综合评估选择最优的路面材料。

3.3 减速下坡车道设置原则研究

减速下坡车道设置原则是指在高速公路连续长大下坡路段中，车道应贴近正常车道，以便车辆能够顺利地从正常车道进入减速下坡车道。其长度应根据下坡路段的坡度和长度确定，以确保车辆在行驶过程中有足够的距离进行减速和刹车。减速下坡车道的宽度应符合标准，以保证车辆在减速过程中的稳定性和安全性。

由图4可以看出，随着速度的增加，车辆距坡顶的距离下降得越缓慢。当坡度相同时，速度越快，距离坡顶的距离越近。当坡度为1 °时，速度提高了75%、距离减少了45%。当速度相同时，随着坡度的增加，曲线的曲率在增加，达到制动器衰退温度260 ℃时车辆距坡顶的距离越小。由图可知，当考虑设置减速下坡位置时，应随着长大下坡道路坡度的增加缩短距坡顶的距离。

3.4 减速下坡车道设计施工及实施效果

在减速下坡车道的设计阶段可采用线形优化的理论和方法，确定减速下坡车道的长度、宽度和坡度等参数。设计时应考虑不同车辆类型的需求，确保车辆能够顺利地减速和刹车，并提供足够的空间和距离；应采用合适的施工技术和材料，确保路面的平整度和抗滑性，以提高车辆的行驶安全性。在实施阶段，通过对交通流量、车速、事故率等指标的监测和评估，该路段的事故发生率明显降低，交通流畅度得以提高，并提升了驾驶员的行车体验。

4 结论

该文针对高速公路连续长大下坡路段线形的优化理论与方法进行研究，对每一项技术改进方案进行了详细的理论分析和数值模拟，验证和评估了各项技术方案的可行性和效果。主要得出以下结论：

（1）在减速下坡车道的施工过程中，应合理确定减速下坡车道的长度、宽度和坡度，为车辆提供足够的刹车空间和距离，降低事故风险，提高交通安全。通过对交通流量、车速、事故率等指标的监测和评估，该研究提出的方案明显降低了事故发生率，提高了交通流畅度，证明该减速下坡车道的设计和施工达到预期效果。

（2）根据试验结果分析，当坡度为1 °时，速度提高了75%、距离减少了45%。当速度相同时，随着坡度的增加，曲线的曲率在增加，达到制动器衰退温度260 ℃时车辆距坡顶的距离越小。所以，当考虑设置减速下坡位置时，应随着长大下坡道路坡度的增加缩短距坡顶的距离。

参考文献

[1]高建平，窦浩然，何云勇，等. 基于驾驶员人因的高速公路长大连续下坡路段线形组合设计方法[J]. 公路，2021（11）： 7-13.

[2]林宣财，张旭丰，王佐，等. 大型货车功重比对高速公路连续下坡路段交通安全性的影响[J]. 公路交通科技，2021（9）： 98-104.

[3]蔡鹏，尹文锋. 公路连续长大下坡路段交通安全性研究[J]. 工程建设与设计，2021（18）： 84-86+90.

[4]黄先刚. 长大连续下坡路段的安全设计要点与评价方法[J]. 中国公路，2020（14）： 118-119.

[5]吴佛. 对提升公路长大下坡路段安全通行能力的探析[J]. 工程建设与设计，2020（12）： 89-90.