雨天公路水膜厚度模型验证及行车安全性.doc

雨天公路水膜厚度模型验证及行车安全王祎祚 李光元 张泽去邓鹏空军工程大学航空航天工程学院摘要：针对雨天行车道路表面产生水膜，易使车辆打滑发生交通事故的问题，采用人 工模拟降雨试验，获得了水泥混凝土路表水膜厚度回归方程，验证了国内外现 有水膜厚度计算模型结果表明：路表水膜厚度随降雨强度和排水长度的增大而 增大，随路面坡度的增大而减小;相同条件下，水泥混凝土路表水膜厚度值高于 沥青路面水膜厚度值，其原因主要是水泥混凝土的亲水性导致路表水分子流动 阻力増大，水分子积聚增多，使水膜厚度增大对西安地区不同暴雨重现期下高 速公路水膜厚度值进行计算，结果表明在五年重现期暴雨强度1. 954 mm • min 1 下，路表水膜厚度值不超过滑水速度发生时的临界水膜厚度值2. 35 mm,设计时 速80 km - hH可保证雨天行车安全关键词：水泥混凝土路而;沥青路而;水膜厚度;降雨试验;回归模型;亲水性;行车 安全；作者简介：王祎祚(1993—),硕士研究生研究方向:机场设计理论与优化 E-mail:yizuowang@163. com收稿日期：2017年3月23日基金：省部级基金(AKJ12B018)资助Verification of Water Film Depth Model and Highway Traffic Safety in Rainy DayWANG Yi-zuo LI Guang-yuan ZHANG Ze-yao DENG PengAeronautics and Astronautics EngineeringCollege, Air Force Engineering University;Abstract：For the water film on the rainy road surface which is easy to make the vehicle slip causes traffic accidents, the regression equation of water film thickness of cement con ere te road surface was obt ained by artificial simulated rainfal 1 test, and the exi sting calculation models of water film thickncss arc verified. The results show that the thickness of the surface water film increases with the increase of rainfall intensity and drainage length, and decreases with the increase of slope;under the same conditions, the thickness value of cement concrete road surface water film is higher than that of asphal t pavement. The reason is that the hydrophi 1 ici ty of cemc nt concr etc leads to the in crease of water rcsis tancc of water surface, leads to the accumulation of the surface water molecules increases. The results show that under the rainstorm intensity of 1. 954 nun • min 1 in the five-year reconstruction period, the thickness of the surface water film does not exceed the critical water film thickness 2. 35 mm when the water-skiing velocity occurs. The dcsign speed of 80 km • h 1 can cnsure the safety of rainy days.Keyword：cement concrete pavement; asphalt pavement; water f订m thickness; rainfal1 test; regression model; hydrophilie; driving safety;Received： 2017 年 3 月 23 日 雨天环境下行车，会使道路表面产生水膜。

路表水膜会降低汽车与路面之间的附 着性能，使得路面表面的摩擦系数大大降低，导致轮胎容易发生滑水现象，严 重威胁行车安全［1,2］目前，国内外已有多种路表水膜厚度计算模型Ross和 Russam£31®过试验获得路表水膜厚度数据，提岀了有关水膜厚度计算公式 Anderson［4］与Galloway等提出的水膜厚度公式均为经验公式，受试验结果 影响较大Wambold等凹的经验公式中参数仅在排水长度为11 m时确定，应用 受到极大限制季天剑m和罗京等宜通过试验的方法回归出水膜厚度公式，但 试验材料均为沥青路面，水泥路面的公式适用性还有待进一步验证研究雨天路 面水膜对行车安全性的影响异常重要，需要对现有模型进行验证分析，通过控 制行车路而的水膜厚度来寻求实现安全行车的途径本文首先通过人工模拟降南试验，测量了水泥混凝土路表水膜厚度值，获得了 不同降雨强度、不同排水长度和不同坡度下的水膜厚度试骑数据，回归出了水膜 厚度计算模型，验证并校核了国内外现有的典型路表水膜厚度经验公式，校对 了公式结果；并分析原因在此基础上使用回归模型预估了西安地区不同降雨重 现期降雨强度下的公路路表水膜厚度值，对雨天道路上行车安全性进行了分析。

1水膜厚度回归模型1.1试验概况本试验通过人工模拟降用装置模拟不同强度的降用，调节水泥混凝土道面试验 台坡度，测量其路表水膜厚度获得水膜厚度试验数据人工模拟降雨装置降雨区尺寸为12 mX9 m,降雨设备在室内安置，因此降雨不 受外界自然条件的影响［9］人工模拟降雨装置如图1所示水泥混凝土道面试验台设计尺寸为6mX2m,道面板厚度为0. 1 m,在槽钢内直 接施工成型设计配合比按照《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30-2003)要求进行设计［10］,满足现有公路的性能要求水泥混凝土道面试 验台如图2所示图 1 人工模拟降雨装置 Fig. 1 Artificial simulation of rainfall device 下载原图图 2 水泥混凝土道而试验台 Fig. 2 Cement concrete pavcmcnt test rig 下 载原图 通过在水泥混凝土路面试验台上进行人工模拟降雨试验，选取了 2.0, 2. 5, 3.0 mm • min三个不同降雨强度，1、2、3、4、5 m五个不同排水长度及0. 5° 1°、 24°五个不同坡度作为水膜厚度影响因素，使用探针法获得了不同因 素下的水膜厚度试验数据。

部分试验数据如表1所示表1水膜厚度试验数据Table 1 Water film thickness data 下载原表对试验数据进行冋归分析，得到了水泥混凝土路面在不同影响因素下的水膜厚 度回归方程：式(1)中，h为水膜厚度，nmi;i为降雨强度，mm-min; 1为排水长度，为 W 为坡度，(° ) o1. 2误差分析数据处理过程中，部分测量值标准化残差的绝对值大于2,这表明它们可能是 异常值，如图3所示的最左端的两个条形正态概率图显示了一个与正态分布一 致的近似线性的模式左下角的3个点可能是异常值，如图4所示通过找出异常观测值并进行误差分析，发现异常水膜厚度值与邻近值相比，出 现了明显的数值偏大或偏小分析误差原因，一是由于路表溅起的水花使得人工 读数产生误差;二是未考虑雨滴末速度对水膜厚度的影响造成的图 3 水膜厚度残差直方图 Fig. 3 Histogram of residual film thickness 下 载原图图4水膜厚度残差正态概率图Fig. 4 Normal probability of water film thickness residual 下载原图2路面水膜厚度模型验证2. 1水膜厚度回归模型对比目前，中国季天剑和罗京等宜通过沥青路而水膜厚度试验，获得了沥青路 面水膜厚度回归方程。

国外水膜厚度经验公式中，Ross和RussamRl通过试验数据为英国道路研究实验 室(RRIJ建立了水膜厚度冋归模型对比分析相同条件下几种模型计算得到的 水膜深度结果，可以得到哪些模型能够满足国内水膜厚度预测要求，对各模型 预测结果进行对比验证各模型对比结果如图5所示图5 (a)中，在研究降雨强度变化对路面水膜厚度影响时，路面表面构造深度 取值为0. 3 mm,排水长度为3 m,坡度为3. 5%,改变降雨强度大小，获得各模 型水膜厚度计算值由图5 (a)知，相同条件下，本文水膜厚度模型计算值明 显高于其他3种模型;3种沥青路面回归模型水膜厚度值较为接近，但仍存在差 异其中，季天剑模型计算值最高，罗京模型计算值居中，而英国Ross模型计 算的水膜厚度值最小；在变化趋势上，本文模型与季天剑模型变化趋势较为一致, 水膜厚度随降雨强度增加增长趋势明显，罗京模型与Ross模型水膜厚度计算值 随降雨强度增加增长趋势缓慢图5各回归模型对比结果Fig. 5 Comparison of rcgrcssion models 下载 原图图5 (b)表明在路面表面构造深度取0. 3 min,降雨强度取2 min • min,坡度取 3. 5%的情况下，各模型变化趋势与改变降雨强度水膜厚度变化趋势基木一致， 即水膜厚度随排水长度增加而增加，但与图5 (a)相比，季天剑模型与本文模 型增长趋势略有减缓。

图5 (c)表明在路而表而构造深度取0. 3 mm,降雨强度取2 mm • min,排水长 度取3 ni的情况下，随坡度的增加，Ross模型水膜厚度变化不明显，季天剑模 型、罗京模型与木文模型水膜厚度下降趋势相一致，即坡度较小时水膜厚度减小 明显，后期减小速率明显放缓2.2水膜厚度值差异原因分析模型对比结果表明，相同条件下，水泥混凝土路面水膜厚度变化趋势与沥青路 面基本一致，但其水膜厚度值明显高于沥青路面从材料性质的角度分析，可能 与水泥混凝土与沥青材料的亲水性与憎水性差异有关理论表明，水分与不同的材料表面接触时，其相互作用的结果是不同的水泥混 凝土为亲水性材料，浸润性较好，其润湿边角6小于90材料表面水分子Z 间的内聚力小于水分子与材料表而分子之间的相互吸引力，水分子能够牢牢吸 附在材料表面;而沥青为憎水性材料，其润湿边角()大于90°，使沥青表面水 分子之间的内聚力大于水分子与材料表面分子之间的吸引力，材料表面不会被 水浸润亲水性与憎水性示意图如图6所示［11］图6亲水性与憎水性示意图Fig. 6 Hydrophilic andhydrophobic schematic 下载原图所以，根据水泥混凝土的亲水性与沥青的憎水性，可将两种材料路表水膜形成 的过程分析如下。

对于水泥混凝土路面，降落在路面上的雨水，受到分子力、毛管力和重力的作用, 不断向下运动进入路面内部，产生下渗曲下渗水主要在分子力的作用下，被 水泥混凝土颗粒吸附，随后下。