第８卷第１期南通航运职业技术学院学报Ｖ０１．８Ｎｏ．１２００９年３月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＮ’Ｉ’０ＮＧＶＯＣＡ，１１０ＮＡＬ＆’ＩＥＣＨＮｌＣＡＬＳＨⅡ’ＰＩＮＧＣＯＩ皿ＧＥＭ盯．２００９
沥青路面的雨天行车安全性分析
张瑶。程迎迎
（东南大学交通学院。江苏南京２１００９６）
摘要：针对沥青路面的路表轮胎行车滑水，提出了行车的－Ｉ盏界水膜厚度概念，利用动量定理进行了临界水膜厚度计算公式推导，计算了不同行车速度下的路表临界水膜厚度，经与国外的极限车速计算经验公式对比，验证了其可靠性，并以降雨的路表水膜厚度为依据，分析了以临界水膜厚度作为道路结构设计控制指标的行车安全性，提出了增加安全性的工程技术改善措施．
关键词：行车安全；临界水膜厚度；动量定理；路表水膜厚度
中图分类号：Ｕ４９２．８文献标识码：Ａ
０引言
降雨不仅增加行车困难，更易诱发交通事故。目前传统密级配沥青混凝土路面的降水主要通过表面径流排除，路表有水膜形成。由于水膜的润滑作用，车辆行驶时轮胎与路面的附着系数显著降低，并容易出现制动失控、转向不灵，导致汽车偏离正常的行驶方向或发生侧滑、追尾。同时轮胎作用也容易产生溅水和喷雾，影响跟随车辆的能见度，造成事故危险性增大。【１】因此，研究路面雨天水膜对行车安全性的影响显得异常重要，需要通过控制行车路面的水膜厚度来寻求实现安全行车的途径。
国外对路面轮胎滑水研究得较多，主要从分析发生滑水现象时的临界速度入手，有的通过试验得出经验公式，也有的经力学推导得出理论公式。１９９２年Ｍｏｕｎｃｅ和Ｂａｒｔｏｓｋｅｗｉｔｚ提出水膜厚度小于２．５ｍｍ的滑水速度公式为闭：
ｖｐ－－－－９６．８４（ＷＤ）ｅ甥（１）
其中ＷＤ为在凹凸不平面上的水膜厚度（Ｉｒ吼）。
国内对路面雨天行车研究也主要以发生滑水现象时行车的临界车速为切入点，为车速限制等行车安全性控制提供理论帮助。但随着现代社会经济的发展，客观上需要运输能力和交通条件进一步的提高。除非遇特大暴雨等情况，否则已不再是综合考虑雨天限制车速是行车安全措施，但是，雨天行车条件如需进一步改善，应通过道路结构设计，使得道路允许车速得到相应的提高。本文以安全行车的路表临界水膜厚度分析为基础，寻求特定行车速度下的行车安全性判断与控制的方法。
１降雨水膜影响及临界水膜厚度分析
只要路表覆盖有一定的水膜，车辆在其上快速行驶时，轮胎与路面间实际接触区域内的水就有可能未被完全排出，流体的压力会使轮胎上浮，在一定程度上，必定存在轮胎与路面接触的脱空，从而降低轮胎在路面上的附着能力，当水膜较厚或行车速度较快时，容易发生不完全滑水或部分滑水。刚
假设轮胎接地压力等于轮胎充气压力并均匀分布，则车轮在有水膜覆盖路面上的滑跑可看成是路面和厚度均匀、宽度为Ｗ（等于胎面宽度）的水膜以高速Ｖ冲击胎面，从前方进入的水被路表面和胎面拦住，并从胎面的两侧流出。阁由于流体各剖面都有大气压作用，由流体力学可知，各剖面处水速亦皆为Ｖ。当水膜对轮胎造成的浮力刚好等于轮胎荷重且造成轮胎刚好失去路面直接支撑时，此时路表水膜厚度即为临界水膜厚收稿日期：２００８一ｌｌ－１３
基金项目：江苏省交通科学研究计划资助项目（项目编号：０５Ｙ２９）。作者简介：张瑶（１９６９一），男，江苏涟水人。东南大学交通学院博士生。
第１期张瑶。程迎迎：沥青路面的雨天行车安全性分析８１度。
当水膜较厚时，由于水膜与胎面的接触面积较大，此时水膜对胎面作用的平均压力无须大于轮胎充气压力，水膜作用合力的垂直分量便可大于车轮负载，将轮胎举起，导致滑水。此时车辆轮胎滑水的胎面受力分析如图１所示。
图ｌ水膜较厚时胎面受力分析
取轮胎微段ｄＯ表面所影响水进行分析，沿ｘ方向应用动量定理，有：幔－－ｍ－五“－一ｍ百ｖ１，ｍ为ｄｔ时间内车行距离ｖｄｔ、水深ｒｄｏｓｉｎ０以及车轮宽Ｗ内的水的质量。水撞轮胎后Ｖ２＝Ｏ，ｄＦＸ．ｐｗＣｒｓｉｎｏｄ０，故：ｄＦｘ＝．ｐｗｖＺｒｃｏｓｏｄ０。对其在水深范围内积分即可得到水膜对行车轮胎的上浮作用力，即：
Ｆｙ＝Ｉ一—ｐｗｖ‘ｒｅｏｓｏｄ０＝ｐｗｖ＂、／２ｒｈ－－ｈ＂（２）Ｊ０
当Ｆ印时，车轮将处于临界滑水状态，即：
ｏｗｖ＂Ｖ２ｒｈ—ｂ＿＝Ｇ
由此解得轮胎滑水的临界水膜厚度公式为：
厂；＿————７丁——了（３）ｈ临＝ｒ一、／ｒ‘一（ｊ与）‘
Ｖｐｗｖ（４）
当路表水膜厚度较小时，容易造成胎面平板状变形，水膜也容易流动变化，只有在车速非常大或车辆非常轻时才易形成滑水，但按胎面出现平板状变形同样可推导得到公式“）。
相关研究表明，小轿车在雨天容易发生滑水，而载重货车则不易发生滑水，式“）也明确的反映了这点，所以在路面安全行车控制中应选用较容易发生滑水的小轿车进行水膜分析。以我国常见的桑塔纳２０００小轿车的相关数据进行计算，可得到车辆以８０ｋｍ／ｈ速度行驶在密级配沥青混凝土路面上时安全行车的允许水膜厚度不超过２．３５ｍｍ。按式（４）算得不同行车速度下临界水膜厚度如表１所示，将其代入Ｍｏｕｎｃｅ滑水速度公式可得到相应的极限行车速度，将其与拟定行车速度比较可发现其基本吻合，这说明本公式具可靠性。
表１临界水膜厚度及相应水膜下的极限车速
２路表降雨的水膜厚度估算
由谢才公式ｖ－＝Ｃ恒和曼宁公式ｃ＝｝Ｒ１撕可得出ｖ＿｝Ｉ，Ｊ忱。根据坡面水流的动量方程，已知坡面坡度等于摩擦比降，而摩擦比降就是谢才公式中的水力坡度。对于单宽的坡面水流，断面的水力半径就是水
流的深度，上式又可以写为：Ｖ＿｝ｂ？ｉｏ抛。网则单宽坡面水流的流量计算公式为：Ｑ＝ｌ儿ｈ５尼ｉｏＩ／２。将其代入连续
南通航运职业技术学院学报
１／２２００９年
性方程得：ｑｌ＝¨
Ｈ＾１．２ｔｏ量纲后将上式改写为：
ｈ降＝１．３５８９（兰静）粥ｉ０（５）
式中：ｈ降为坡面降雨水膜厚度（ｒａｍ），ｑ为降雨稳定后道路横断面某点的漫流流量（ｃｍ＝／ｓ），ｌ为横断面上沿坡面距道路中心线的距离（ｍ），ｎ为粗糙系数，ｉ。为坡面坡度。
用式（５）可进行路表水深的估算。其中：粗糙系数是表示坡面粗糙程度的参数，试验表明，在降雨过程中，粗糙系数的取值和明渠不同，它不仅表示坡面的粗糙程度，而且也受雨滴作用的影响。根据实验，建议密级配沥青混凝土路面取０．０１５，漫流流量ｑ应由降雨强度Ｗ（ｃｒｎ／ｓ）和距道路分水岭的位置ｌ（ｅｒａ）来确定，对相对渠化交通特征明显的高速公路可计算小车车道的外侧轮迹带的漫流流量，并代入式（５）计算出对行车安全影响较大的特征路表位置的水膜厚度，进行行车安全性评估。
如以长江下游典型双向四车道或六车道高速公路为例，小车的行车道为从左向右的第二个车道，可按该车道右侧轮迹带进行水膜厚度的估算，其距左边缘距离约为７．３ｍ，该区域降雨强度按２．５ｍｍ／ｍｉｎ考虑时特征位置的径流量为：ｑ＇－ｗｌ＝Ｏ．００４２ｘ７３０＝３．０６６ｃｍ２／ｓ，则水膜厚度为：
（Ｏ．＋．０２）ｈ一筋８９【晋０２搿０】粥＝１．４５ｒａｍ
３沥青路面的行车安全性判断与控制
对沥青路面的雨天行车，可通过其小车道外侧轮迹带这一特征位置处的降雨水膜厚度估算，得到雨天实际路表影响行车安全的水膜厚度。根据前面得出的路表临界水膜厚度计算基础，则规定行车速度下小客车的临界水膜厚度也可获得，据此即可判断在不降低行车速度情况下是否会发生行车滑水而影响行车安全，在进行路面构造考虑时也应以此作为路面行车安全性控制的设计指标。在实际道路设计中，可针对所需要的雨天行车速度来进行路面构造的相关设计，使得路面雨天使用中路表水膜厚度小于临界厚度，以保证行车安全性。
一一＇
前面已经得出路表临界水膜厚度和降雨水膜厚度公式，通过上面的论述可知，当１．３５８９（坚｛Ｌ）拽，ｒ一
．丁
ｌｏ
、／ｆ一（与）‘时即不会发生行车滑水现象。广＝＿————了百———●
Ｖｐｗｖ
从前面实例计算结果可知，在苏南地区，当小轿车的控制行车速度为８０ｋｍｍ时，允许的临界水膜厚度为２．３５ｍｍ，如控制行车速度超过ｌＯＯｋｍ／ｈ则允许的临界水膜厚度不足ｌｍｍ，而实际沥青路面在强降雨情况下特征位置处的瞬时水膜厚度一般都在ｌｍｍ以上，此时就不适宜以高于ｌＯＯｋｍ／ｈ的车速行驶。对高等级公路沥青路面而言，如果要满足强降雨情况下不降低行车速度而保证行车安全的要求，就需要对车辆轮胎和路面的排水性能进行很大程度的改善。改善路面的排水性能，一方面可以从路面坡度入手，另一方面可从路表构造深度和泄水通路着手。前者对路表水膜的厚度改善效果较小，后者才是解决问题的根本途径。可通过修建ＳＭＡ表层、ＯＧＦＣ表层等增加路表构造深度，以路表宏观沟槽进行排水，从而降低路表粗糙系数值，减小轮胎与路表接触面以上的水膜厚度，也可以通过修建排水性沥青路面实现路面表层的内部排水来加以解决。目前针对高速公路路面排水问题，日本等国家正在研究并应用排水性沥青路面，我国也已有一些排水性沥青路面的应用实例，但要解决所有问题，还需进行进一步的深入研究。
４结束语
本文通过路表积水对行驶车辆轮胎的作用分析，以出现轮胎滑水为临界状态，提出了路表临界水膜概念，并对路面行车的临界水膜厚度进行了计算公式推导。通过将计算得到的临界水膜厚度代入国外极限行车速度公式，得到了与拟定车速相吻合的结果，从而验证了公式的可靠性。通过路表降雨的水膜厚度估算公式分
第１期张瑶。程迎迎：沥青路面的雨天行车安全性分析
析，提出了降雨水膜的厚度估算公式，并将其与临界水膜厚度比较来判断沥青路面的雨天行车安全性，用以指导沥青路面在雨天不降低行车速度情况下的路面安全设计。
参考文献：
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【２】ＭｏｕｎｃｅＪｏｈｎ，Ｂａｒｔｏｓｋｅｗｉｔｚ
１１７．Ｔ．ＨｙｄｒｏｐｌａｎｉｎｇａｎｄｒｏａｄｗａｙｔｏｒｔｌｉａｂｉｌｉｔｙＭｏｕｎｃｅ【Ｊ】．ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＲｅｃｏｒｄ，１９８１（１４０１）
［３】季天剑。黄晓明，刘清泉．部分滑水对路面附着系数的影响叨．交通运输工程学报，２００３，３（４）：１０・１２．
【４】季天剑，黄晓明，刘清泉，等．沥青路面表面水膜厚度ｉｇ验－［ｙ］．公路交通科技，２００４，２１（２１）：１４・１７．
【５】余治国，李曙林，朱青云．机轮动力滑水机理分析叨．空军工程大学学报，２００４，５（５）：９．１１．
［６】罗惕乾．流体力学［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００３．
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＳａｆｅｔｙＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＤｒｉｖｉｎｇ
ＲａｉｎｙＣｏｎｄｉｔｉｏｎ
ＺＨＡＮＧＦａｎ，ＣＨＥＮＧＹｉｎｇ－弭ｎｇｏｎＡｓｐｈａｌｔＰａｖｅｍｅｎｔｉｎ
（ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＣｏｌｌｅｇｅ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｈｙｄｒｏｐｌａｎｉｎｇｆｏｒｄｒｉｖｉｎｇｉｎｒａｉｎｙｄａｙｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｃｏｎｃｅｐ・ｔｉｏｎｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｗａｔｅｒｆｉｌｍ，ａｎｄｄｅｒｉｖａｔｅｓｆｏｒｍｕｌａｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｃｒｉｔｉｃａｌｗａｔｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎｔｈｅｒｏａｄｓｕｒｆａｃｅｂａｓｅｄ
ｓｐｅｅｄｓ
ｔｉａｌａｒｅ０ｎｍｏｍｅｎｔｕｍｔｈｅｏｒｅｍ．Ｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｗａｔｅｒｆｉｌｍｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｉｖｉｎｇｇｉｖｅｎ，ａｎｄｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｉｓｒｅｌｉａｂｌｅｂｙｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｖａｌｕｅｓｆｒｏｍｆｏｒｅｉｇｎｅｘｐｅｆｉｅｎ－ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｓｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｆｏｒｍｕｌａ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．ｋｎｏｗｌｅｄｇｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ
ｓｕｒｆａｃｅｗａｔｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎｔｈｅｒｏａｄｉｓｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆａｓｐｈａｌｔｐａｖｅｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｏｆ也ｅｃｒｉｔｉｃａｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｗａｔｅｒｆｉｌｍｇｉｖｅｎｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．耽ｅｐａｐｅｒｆｉｎａｌｌｙｇｉｖｅｓｓｏｍｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅ
ｓａｆｅｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅａｓｐｈａｌｔｐａｖｅｍｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｒｉｖｉｎｇｓａｆｅｔｙ；Ｃｒｉｔｉｃａｌ
ｒｏａｄｓｕｒｆａｃｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｗａｔｅｒｆｉｌｍ；Ｍｏｍｅｎｔｕｍｔｈｅｏｒｅｍ；Ｗａｔｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎｔｈｅ
（上接第５７页）
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎＦａｕｌｔＤｉａｇｎｏｓｉｓｏｆＭａｒｉｎｅＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅ
ＢａｓｅｄｏｎＳｕｐｐｏｒｔＶｅｃｔｏｒＭａｃｈｉｎｅ
ＷＥＩＷｅｉｌ，ＺＨＡＮＹｕ－ｌｏｎ９１，ＺＨＡＯＢｅｉ－ｃｏｎ９２，ＨｕｅＣｈｏｎｇ－ｆｕｌ
（Ｉ．Ｄｅｐｔ．ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｔｉｍｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ
２．Ｓｈａｎｇｈａｉ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＩ－ＩａｉｈｕａＳｈｉｐｐｉｎｇ２００１３５，Ｃｈｉｎａ；Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００８２，Ｃｈｉｎａ）ＳＶＭ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓｔｈｅｆａｕｌｔｍｏｄｅｌｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄｔｈｅｏｒｉｅｓ．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔＳＶＭｃｏｕｌｄｆｕｌｆｉｌｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｉｎａｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓｍａＨｓａｍｐｌｅｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｐｐｏｓｅｄｔｏｈａｖｅａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＶＭ（ＳｕｐｐｏｒｔＶｅｃｔｏｒＭａｃｈｉｎｅ）；Ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；Ｄｉｅｓｄｅｎｇｉｎｅ；Ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓ
沥青路面的雨天行车安全性分析
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：张璠， 程迎迎， ZHANG Fan， CHENG Ying-ying东南大学,交通学院,江苏,南京,210096南通航运职业技术学院学报JOURNAL OF NANTONG VOCATIONAL & TECHNICAL SHPPING COLLEGE2009,8(1)1次
参考文献(6条)
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6. 罗惕乾 流体力学 2003
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2. 张义. 高建平. 贾海燕. ZHANG Yi. GAO Jian-ping. JIA Hai-yan 降雨对高速公路行车安全的影响及对策[期刊论文]-西部交通科技2008(2)
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10. 刘洪凯. 刘怡. 李德强 雨天道路的安全驾驶[期刊论文]-汽车运用2010(6)
引证文献(1条)
1. 于蕾. 张金喜 浅谈路面性能间断性对行车安全的影响[期刊论文]-中国科技信息 2013(13)
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第８卷第１期南通航运职业技术学院学报Ｖ０１．８Ｎｏ．１２００９年３月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＮ’Ｉ’０ＮＧＶＯＣＡ，１１０ＮＡＬ＆’ＩＥＣＨＮｌＣＡＬＳＨⅡ’ＰＩＮＧＣＯＩ皿ＧＥＭ盯．２００９
沥青路面的雨天行车安全性分析
张瑶。程迎迎
（东南大学交通学院。江苏南京２１００９６）
摘要：针对沥青路面的路表轮胎行车滑水，提出了行车的－Ｉ盏界水膜厚度概念，利用动量定理进行了临界水膜厚度计算公式推导，计算了不同行车速度下的路表临界水膜厚度，经与国外的极限车速计算经验公式对比，验证了其可靠性，并以降雨的路表水膜厚度为依据，分析了以临界水膜厚度作为道路结构设计控制指标的行车安全性，提出了增加安全性的工程技术改善措施．
关键词：行车安全；临界水膜厚度；动量定理；路表水膜厚度
中图分类号：Ｕ４９２．８文献标识码：Ａ
０引言
降雨不仅增加行车困难，更易诱发交通事故。目前传统密级配沥青混凝土路面的降水主要通过表面径流排除，路表有水膜形成。由于水膜的润滑作用，车辆行驶时轮胎与路面的附着系数显著降低，并容易出现制动失控、转向不灵，导致汽车偏离正常的行驶方向或发生侧滑、追尾。同时轮胎作用也容易产生溅水和喷雾，影响跟随车辆的能见度，造成事故危险性增大。【１】因此，研究路面雨天水膜对行车安全性的影响显得异常重要，需要通过控制行车路面的水膜厚度来寻求实现安全行车的途径。
国外对路面轮胎滑水研究得较多，主要从分析发生滑水现象时的临界速度入手，有的通过试验得出经验公式，也有的经力学推导得出理论公式。１９９２年Ｍｏｕｎｃｅ和Ｂａｒｔｏｓｋｅｗｉｔｚ提出水膜厚度小于２．５ｍｍ的滑水速度公式为闭：
ｖｐ－－－－９６．８４（ＷＤ）ｅ甥（１）
其中ＷＤ为在凹凸不平面上的水膜厚度（Ｉｒ吼）。
国内对路面雨天行车研究也主要以发生滑水现象时行车的临界车速为切入点，为车速限制等行车安全性控制提供理论帮助。但随着现代社会经济的发展，客观上需要运输能力和交通条件进一步的提高。除非遇特大暴雨等情况，否则已不再是综合考虑雨天限制车速是行车安全措施，但是，雨天行车条件如需进一步改善，应通过道路结构设计，使得道路允许车速得到相应的提高。本文以安全行车的路表临界水膜厚度分析为基础，寻求特定行车速度下的行车安全性判断与控制的方法。
１降雨水膜影响及临界水膜厚度分析
只要路表覆盖有一定的水膜，车辆在其上快速行驶时，轮胎与路面间实际接触区域内的水就有可能未被完全排出，流体的压力会使轮胎上浮，在一定程度上，必定存在轮胎与路面接触的脱空，从而降低轮胎在路面上的附着能力，当水膜较厚或行车速度较快时，容易发生不完全滑水或部分滑水。刚
假设轮胎接地压力等于轮胎充气压力并均匀分布，则车轮在有水膜覆盖路面上的滑跑可看成是路面和厚度均匀、宽度为Ｗ（等于胎面宽度）的水膜以高速Ｖ冲击胎面，从前方进入的水被路表面和胎面拦住，并从胎面的两侧流出。阁由于流体各剖面都有大气压作用，由流体力学可知，各剖面处水速亦皆为Ｖ。当水膜对轮胎造成的浮力刚好等于轮胎荷重且造成轮胎刚好失去路面直接支撑时，此时路表水膜厚度即为临界水膜厚收稿日期：２００８一ｌｌ－１３
基金项目：江苏省交通科学研究计划资助项目（项目编号：０５Ｙ２９）。作者简介：张瑶（１９６９一），男，江苏涟水人。东南大学交通学院博士生。
第１期张瑶。程迎迎：沥青路面的雨天行车安全性分析８１度。
当水膜较厚时，由于水膜与胎面的接触面积较大，此时水膜对胎面作用的平均压力无须大于轮胎充气压力，水膜作用合力的垂直分量便可大于车轮负载，将轮胎举起，导致滑水。此时车辆轮胎滑水的胎面受力分析如图１所示。
图ｌ水膜较厚时胎面受力分析
取轮胎微段ｄＯ表面所影响水进行分析，沿ｘ方向应用动量定理，有：幔－－ｍ－五“－一ｍ百ｖ１，ｍ为ｄｔ时间内车行距离ｖｄｔ、水深ｒｄｏｓｉｎ０以及车轮宽Ｗ内的水的质量。水撞轮胎后Ｖ２＝Ｏ，ｄＦＸ．ｐｗＣｒｓｉｎｏｄ０，故：ｄＦｘ＝．ｐｗｖＺｒｃｏｓｏｄ０。对其在水深范围内积分即可得到水膜对行车轮胎的上浮作用力，即：
Ｆｙ＝Ｉ一—ｐｗｖ‘ｒｅｏｓｏｄ０＝ｐｗｖ＂、／２ｒｈ－－ｈ＂（２）Ｊ０
当Ｆ印时，车轮将处于临界滑水状态，即：
ｏｗｖ＂Ｖ２ｒｈ—ｂ＿＝Ｇ
由此解得轮胎滑水的临界水膜厚度公式为：
厂；＿————７丁——了（３）ｈ临＝ｒ一、／ｒ‘一（ｊ与）‘
Ｖｐｗｖ（４）
当路表水膜厚度较小时，容易造成胎面平板状变形，水膜也容易流动变化，只有在车速非常大或车辆非常轻时才易形成滑水，但按胎面出现平板状变形同样可推导得到公式“）。
相关研究表明，小轿车在雨天容易发生滑水，而载重货车则不易发生滑水，式“）也明确的反映了这点，所以在路面安全行车控制中应选用较容易发生滑水的小轿车进行水膜分析。以我国常见的桑塔纳２０００小轿车的相关数据进行计算，可得到车辆以８０ｋｍ／ｈ速度行驶在密级配沥青混凝土路面上时安全行车的允许水膜厚度不超过２．３５ｍｍ。按式（４）算得不同行车速度下临界水膜厚度如表１所示，将其代入Ｍｏｕｎｃｅ滑水速度公式可得到相应的极限行车速度，将其与拟定行车速度比较可发现其基本吻合，这说明本公式具可靠性。
表１临界水膜厚度及相应水膜下的极限车速
２路表降雨的水膜厚度估算
由谢才公式ｖ－＝Ｃ恒和曼宁公式ｃ＝｝Ｒ１撕可得出ｖ＿｝Ｉ，Ｊ忱。根据坡面水流的动量方程，已知坡面坡度等于摩擦比降，而摩擦比降就是谢才公式中的水力坡度。对于单宽的坡面水流，断面的水力半径就是水
流的深度，上式又可以写为：Ｖ＿｝ｂ？ｉｏ抛。网则单宽坡面水流的流量计算公式为：Ｑ＝ｌ儿ｈ５尼ｉｏＩ／２。将其代入连续
南通航运职业技术学院学报
１／２２００９年
性方程得：ｑｌ＝¨
Ｈ＾１．２ｔｏ量纲后将上式改写为：
ｈ降＝１．３５８９（兰静）粥ｉ０（５）
式中：ｈ降为坡面降雨水膜厚度（ｒａｍ），ｑ为降雨稳定后道路横断面某点的漫流流量（ｃｍ＝／ｓ），ｌ为横断面上沿坡面距道路中心线的距离（ｍ），ｎ为粗糙系数，ｉ。为坡面坡度。
用式（５）可进行路表水深的估算。其中：粗糙系数是表示坡面粗糙程度的参数，试验表明，在降雨过程中，粗糙系数的取值和明渠不同，它不仅表示坡面的粗糙程度，而且也受雨滴作用的影响。根据实验，建议密级配沥青混凝土路面取０．０１５，漫流流量ｑ应由降雨强度Ｗ（ｃｒｎ／ｓ）和距道路分水岭的位置ｌ（ｅｒａ）来确定，对相对渠化交通特征明显的高速公路可计算小车车道的外侧轮迹带的漫流流量，并代入式（５）计算出对行车安全影响较大的特征路表位置的水膜厚度，进行行车安全性评估。
如以长江下游典型双向四车道或六车道高速公路为例，小车的行车道为从左向右的第二个车道，可按该车道右侧轮迹带进行水膜厚度的估算，其距左边缘距离约为７．３ｍ，该区域降雨强度按２．５ｍｍ／ｍｉｎ考虑时特征位置的径流量为：ｑ＇－ｗｌ＝Ｏ．００４２ｘ７３０＝３．０６６ｃｍ２／ｓ，则水膜厚度为：
（Ｏ．＋．０２）ｈ一筋８９【晋０２搿０】粥＝１．４５ｒａｍ
３沥青路面的行车安全性判断与控制
对沥青路面的雨天行车，可通过其小车道外侧轮迹带这一特征位置处的降雨水膜厚度估算，得到雨天实际路表影响行车安全的水膜厚度。根据前面得出的路表临界水膜厚度计算基础，则规定行车速度下小客车的临界水膜厚度也可获得，据此即可判断在不降低行车速度情况下是否会发生行车滑水而影响行车安全，在进行路面构造考虑时也应以此作为路面行车安全性控制的设计指标。在实际道路设计中，可针对所需要的雨天行车速度来进行路面构造的相关设计，使得路面雨天使用中路表水膜厚度小于临界厚度，以保证行车安全性。
一一＇
前面已经得出路表临界水膜厚度和降雨水膜厚度公式，通过上面的论述可知，当１．３５８９（坚｛Ｌ）拽，ｒ一
．丁
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、／ｆ一（与）‘时即不会发生行车滑水现象。广＝＿————了百———●
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从前面实例计算结果可知，在苏南地区，当小轿车的控制行车速度为８０ｋｍｍ时，允许的临界水膜厚度为２．３５ｍｍ，如控制行车速度超过ｌＯＯｋｍ／ｈ则允许的临界水膜厚度不足ｌｍｍ，而实际沥青路面在强降雨情况下特征位置处的瞬时水膜厚度一般都在ｌｍｍ以上，此时就不适宜以高于ｌＯＯｋｍ／ｈ的车速行驶。对高等级公路沥青路面而言，如果要满足强降雨情况下不降低行车速度而保证行车安全的要求，就需要对车辆轮胎和路面的排水性能进行很大程度的改善。改善路面的排水性能，一方面可以从路面坡度入手，另一方面可从路表构造深度和泄水通路着手。前者对路表水膜的厚度改善效果较小，后者才是解决问题的根本途径。可通过修建ＳＭＡ表层、ＯＧＦＣ表层等增加路表构造深度，以路表宏观沟槽进行排水，从而降低路表粗糙系数值，减小轮胎与路表接触面以上的水膜厚度，也可以通过修建排水性沥青路面实现路面表层的内部排水来加以解决。目前针对高速公路路面排水问题，日本等国家正在研究并应用排水性沥青路面，我国也已有一些排水性沥青路面的应用实例，但要解决所有问题，还需进行进一步的深入研究。
４结束语
本文通过路表积水对行驶车辆轮胎的作用分析，以出现轮胎滑水为临界状态，提出了路表临界水膜概念，并对路面行车的临界水膜厚度进行了计算公式推导。通过将计算得到的临界水膜厚度代入国外极限行车速度公式，得到了与拟定车速相吻合的结果，从而验证了公式的可靠性。通过路表降雨的水膜厚度估算公式分
第１期张瑶。程迎迎：沥青路面的雨天行车安全性分析
析，提出了降雨水膜的厚度估算公式，并将其与临界水膜厚度比较来判断沥青路面的雨天行车安全性，用以指导沥青路面在雨天不降低行车速度情况下的路面安全设计。
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（上接第５７页）
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＶＭ（ＳｕｐｐｏｒｔＶｅｃｔｏｒＭａｃｈｉｎｅ）；Ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；Ｄｉｅｓｄｅｎｇｉｎｅ；Ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓ
沥青路面的雨天行车安全性分析
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英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：张璠， 程迎迎， ZHANG Fan， CHENG Ying-ying东南大学,交通学院,江苏,南京,210096南通航运职业技术学院学报JOURNAL OF NANTONG VOCATIONAL & TECHNICAL SHPPING COLLEGE2009,8(1)1次
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