山区公园式道路平面线形设计指标研究

第33卷, 第1期2008年2月

公路工程H ighway Engi n eering

V o. l 33, N o . 1F eb. , 2008

山区公园式道路平面线形设计指标研究

郭云开, 陈永雄

(长沙理工大学公路工程学院, 湖南长沙 410076)

[摘 要]随着社会物质文明的高度发展, 生态环保意识显著增强, 人们对文化、自然和健康的需求必将更高, 出行游览者与日俱增, 而公园式道路是其很好的出行通道。提出了公园式道路概念及设计理念, 并针对最常见的山区地形就山区公园式道路平面线形进行了研究, 探讨了圆曲线最小半径、直线长度以及视距要求等设计指标, 并应用在武汉市黄陂区张家湾至刘家山旅游公路改建工程, 效果良好。

[关键词]公园式道路; 平面线形; 设计指标

[中图分类号]U 412. 33 [文献标识码]A [文章编号]1002) 1205(2008) 01) 0014) 04

The Researc h on Desi gn Indexes of t he Plane A lign m ent i n

M ount ai nous Parkway

GUO Yunka, i CHEN Yongx iong

(School of H i g hw ay eng i n eering , Changsha Un i v ersity of Science and Techno l o gy , Changsha , H unan

410076, China)

[A bstract]W ith t h e high develop m ent o f soc i a lm aterial civ ilization, and people . s ecolog ical env-i r onm enta l a w areness streng thens si g nificantl y , since peop le . s de m ands for cu lture , nature and health are durab l y high , v isitors w ho go out to travel are i n creasi n g d istinctl y day by day , wh ile the parkw ay is a good travel channe. l Th is article pu ts for w ar d par kw ay concept and desi g n philosophy , and aga i n st the m ost co mm on m ountain terra i n the horizonta l a li g n m ent of parkw ay on the m ounta i n is studied by the s m allest radius of the c ircu lar curve , a straight li n e leng th and li n e -o-f sight require m en ts , and o ther design specif-i cations , t h ey are carried out applications t h e i n Rebu il d i n g Project o f Touris m H ighw ay fro m Zhang Jia W an to L i u Jia Shan in H uangp i area ofW uhan C ity , its effect i s very good .

[K ey words]par kw ay ; the p lane ali g nm en; t the design i n dexes

1 公园式道路的设计理念

公园式道路是一个新鲜名词, 但是类似的设计理念在国外很早就提出了, 早在1907年, 美国开始

组织道路工程师和园林建筑师合作设计道路, 逐渐摆脱景观设计与路线设计分离的状况。主要是在现场勘察中考虑道路线形与地貌的协调, 环境保护与景观美学, 并于1935年在康乃狄克州修建了一条世界文明, 长达61km 的美黎特观光道路(M erritt Parkw ay); 澳大利亚于上世纪初由交通部建设了沿海岸公园大道; 日本交通建设省负责设计修建了东京至横滨公园大道; 南非建成了全世界闻名的西海岸花园式大道; 这些都是公园式道路建设的初期探

[收稿日期]2007) 09) 10

[基金项目]湖北省交通厅科技项目(2006015-12)

索。德国自从20世纪30年代开始修筑高速公路以来, 十分注重研究道路与周围景观的协调问题, 并且在公路工程的实践中逐渐形成系统的道路线形理论规范。

随着我国国民生活水平的日益提高、生态环保意识显著增强、休闲时间的不断增加, 人们对文化、自然和健康的需求将持久旺盛。从改革开放到现在, 公园游览者每年都呈明显上升趋势。游览公园或开敞空间既给予我们认识自然和历史文化遗产的有利场所, 又给予我们舒缓由快节奏、高竞争的生活带来的紧张与压抑的有利机会。在这里人们充分地放松自我, 释放自我, 反璞归真。因此旅游日益受到人们的青睐, 与此同时我们也应清醒地看到, 在旅

[作者简介]郭云开(1958) ), 男, 湖南桃源人, 博士, 教授, 主要从事公路线形设计与研究。

第1期

郭云开, 等:山区公园式道路平面线形设计指标研究

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游公路建设上仍然存在着一些较为严重的问题。我国有许多旅游景点建在山区, 由于山区的地形、地质条件较为复杂, 加之一些车辆的制动性能、爬坡性能和转弯性能不能适应在山区道路上的行驶要求, 道路的交通标志、标线和安全防护工程设施欠缺或不齐全, 致使群死群伤的恶性交通事故屡有发生。同时, 在旅游公路设计过程中, 不考虑道路所处的实际环境条件, 对规范生搬硬套, 公路建成后对周围景观造成严重破坏的现象也十分普遍。所以旅游公路的建设已跟不上旅游业发展的步伐, 而公园式道路的建设在这种情况下很好地满足了需要, 公园式道路不同于一般道路, 它是一种具有特殊功能有一定特殊意义的新型景观道路。

由于/公园式道路0设计是新理念, 需要有一个很好的定义, 在这里有必要做出进一步的解释。公园式道路就是在公园、自然保护区、名胜区、历史古迹及相邻城市之间进行连接的开敞空间纽带。现代国家公园系统包括景观园林、绿化带、自然保护地、湖泊、海滩、名胜区、历史古迹及具有特殊意义的城区等。需要一种有特殊意义的道路将这些独立分割的景点连接起来, 这便是修建公园式道路的意义之所在。公园式道路的特有功能就是使人们在乘车过程中能充分享受大自然, 回归大自然。

要把分散的公园和开敞空间用公园式道路联系起来, 需要应用先进的技术手段对公园式道路进行规划、设计以寻求完善的理论和方法来指导, 为公园式道路建设提供可操作性, 从而促进公园式道路的健康快速发展。而公园式道路建设中的关键技术就是线形景观的设计。道路线形抽象为道路中线, 是一根平面上左右转折、纵断面上下起伏的三维空间曲线。线形设计是道路设计的关键, 它对汽车行驶的安全、舒适、经济以及公路的通行能力都起着决定的作用。对于公园式道路来说, 线形设计除了满足安全、舒适、经济外, 还应满足公园式道路特有的功能, 为实现其设计理念服务。

多问题还值得研究, 设计不必追求高标准, 应顺应当地地形与道路周围环境相协调, 要尽可能地体现出旅游区的自然特征。公园式道路根据其所处的地形

和用途可以分为几种类型, 譬如平原微丘区城际间公园式道路、山地地区风景区之间公园式道路、丘陵区城市至风景区公园式道路等, 本文仅仅讨论其中的一种情况, 山区公园式道路, 由于其地势起伏较大, 设计时应注意对自然环境的保护, 在确定设计指标时应注意灵活性, 我们对几个典型路段进行了外业调查, 发现山区公园式道路交通量与一般四级公路相当, 因此, 我们认为可以参照山区四级公路来确定其设计指标, 根据公园式道路的设计理念, 路线在公路网中运输功能不大, 以及路线周围地形条件, 综合考虑, 一般选取设计车速为20k m /h。选择小客车作为设计车辆。下面就山区公园式道路平面线形设计指标进行探讨。

平面线形设计是首先进行的工作, 它在纵横断面设计的前面, 是道路路线设计的基础, 它由直线、缓和曲线、圆曲线三种线形元素组成, 平面线形设计就是将这三种线形元素按一定规律、一定标准有机地组合成符合公路技术要求、安全、舒适、经济、景观和环境优美的线形。就山区公园式道路来说, 对景观和环境方面的设计提出了更高的要求, 应使路线线形与它周围的自然和人文环境相融合, 从而以一种自然平滑的形态与地形契合, 给司乘人员一种连续的、有节奏的美感。当然在设计中是综合平纵横三方面进行的。2. 1 圆曲线

这是山区公园式道路主要采用的线型元素, 在选线的过程中应主要顺应地形采用沿溪线、山脊线等, 让公路与大自然融为一体, 避免出现高路堤深路堑, 减少对自然环境的破坏, 设计中应对圆曲线半径有所限制, 不能采用过大半径, 大半径不能很好的顺应环境; 最小半径也要有限制, 圆曲线最小半径的确定是根据汽车在曲线上能安全舒适地行驶来进行的, 圆曲线最小半径的实质是汽车行使在曲线部分时所产生的离心力等横向力不超过轮胎与路面的摩阻力所允许的界限, 离心力大小与曲线半径密切相关, 半径愈小愈不利, 所以应尽可能采用较大的值,

2

根据圆曲线半径推导公式R =V /127(L +i h ), V 为行车速度, i h 为超高横坡度, L 为横向力系数, 用来衡量车辆的稳定性程度, 在给定行车速度V 的情况下, 最小半径R m i n 就取决于允许的最大横向力系数L m ax 与最大超高横坡度i h m ax 值。因此, 确定R m i n

2 山区公园式道路(Parkway) 平面线形设

计指标研究

公园式道路一般不提供快捷、高速的运输, 而是在安全、轻松的情况下给旅客增加乐趣和提供去公园、自然景观的进出口通道。交通量不会很大, 在其上行驶的主要是旅游车与小客车。据此其道路等级不必太高, 亦可不是全封闭的。关于公园式道路等级的确定是一个有争议的议题, 对于它的定位有很

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值, 首先应定出L m ax 值及i h m ax 值。2. 1. 1 最大横向力系数L m ax 的确定

公路工程33卷

的污染, 因此, 从这些方面出发, L 值以不超过0. 10~0. 15为宜。

综上所述, 横向力系数宜控制在L =0. 15以内, 以保证公路弯道的行驶条件不过分恶化, 保证乘客

乘车舒适, 最大程度上体现公园式道路设计理念。2. 1. 2 最大超高i h m ax 的确定

山区公园式道路运行车速并不大, 其离心力接近或等于0。如超高率过大, 超出轮胎与路面间的横向附着系数, 车辆有沿着路面最大合成坡度下滑的危险, 因此, 必须满足:

i h m ax =f w

式中:f w 为1a 中气候恶劣季节路面的横向附着系数。

制定最大超高坡度i h m ax 除根据道路所在地区的气候条件外, 还必须考虑到驾驶者和乘客的心理安全感。参考5公路工程技术标准6规定, 圆曲线部分的最大超高值一般取8%。

2. 1. 3 最小半径的计算

根据前面所述, 汽车在曲线段上行驶时保持稳定的必要条件是, 汽车所受横向力被车轮轮胎与路面之间的横向附着力所抵消, 若横向力大于横向附着力, 则汽车出现横向滑移。因此, 在设计时应控制横向力系数, L 不能大于横向附着系数f 即L =f 。

由此可知, 横向力系数L 实际上是受横向附着系数f 约束的, 即在不发生横向滑移前提下, L 值不会超过f 值。因此, 用f 代替L 值来计算圆曲线的最小半径才更符合实际情况。根据国外实测值, f 值一般取0. 10~0. 15, 对山区公园式道路在各种气候条件下都是足够安全的。用f 作为计算圆曲线最小半径的指标。即:R =V /127(f +i h ), 根据不同的f 值, 对应了3个不同使用要求的圆曲线最小半径, 即极限最小半径、一般最小半径和不设超高最小半径, 本文重点讨论极限最小半径。极限最小半径是各级公路对按计算行车速度行驶的车辆, 能保证其安全行车的最小允许半径。对于山区公园式道路来说, 这里确定极限最小半径时, f 的最大值取0. 15, 设计车速20km /h时, 超高横坡度取最大取值8%, 代入公式R =V /127(f +i h ) 得到R =13. 6, 取整数极限最小半径为15m, 在确定一般最小半径时参考国内外使用的经验, 采用的横向附着系数值为0. 05~0`. 06, 超高横坡度取最大取值是6%, 计算得到28, 取整数得一般最小半径30m 。

2. 2 直线

山区公园式道路不宜采用长直线, 平面上, 过于

2

2

上面提到的允许最大横向力系数L m ax 的取值, 不仅要考虑汽车在弯道上行驶时对行车的力学稳定性要求, 还要考虑乘客的舒适程度, 这是公园式道路特别要求的, 即应有较高的舒适性, 另外还应考虑汽车燃料和轮胎损耗的情况等, 减少对周围的破坏, 需经过论证才能确定下来。

¹按汽车行驶稳定性确定L m ax 值。

汽车在弯道上行驶的稳定性, 包括横向倾覆稳定性和横向滑移稳定性。由于现代汽车在设计制造时重心都比较低, 在正常情况下, 汽车在圆曲线上行驶的倾覆稳定性是得到保证的。因而圆曲线设计时, 主要应考虑汽车的横向滑移稳定, 即轮胎不应在路面上发生滑移。这就要求横向力X 应小于轮胎与路面之间的横向附着力F, 即X =F, 如果轮胎与路面之间的横向附着系数为f, 则横向附着力为F =G f, X =L G, 则若要防止汽车出现横向滑移, 设计时必须确保满足下式:L [f 。一般只要不是结冰路面f 值大于0. 2。根据实验分析, 当L =0. 15~0. 16时, 可保证汽车在干燥与潮湿的道路上以较高的速度安全行驶; 按L =0. 07设计的弯道, 在路面上结冰的情况下, 汽车也能安全行驶。

º按行车舒适性确定L 值。

横向力系数L 值的不同, 汽车在弯道上行驶时乘客也有不同的感觉。根据实验得知, 只有当L

»按燃料和轮胎消耗确定L 值。

由于横向力的影响, 行驶在曲线上的汽车比在直线段上行驶时所消耗的燃料、轮胎的磨耗, 以及机械磨损、尾气的排放等都要大一些。根据实验资料, 轮胎与燃料额外消耗见表1。

表1 L 与燃料消耗和轮胎磨耗变化关系

T ab l e 1 change re l a tions o f w ith fue l cons u m pti on and tire w ear

L 00. 050. 100. 150. 20

燃料消耗/%

[**************]

轮胎磨耗/%

[**************]

公园式道路亦要求经济性, 应减少尾气对环境

第1期

郭云开, 等:山区公园式道路平面线形设计指标研究 17

长的直线往往会让使用者觉得枯燥无味, 其几何形态灵活性差, 有僵硬而不易协调的缺点, 所以难以适应山区起伏地形的变化。所以要对直线长度进行限制, 其长度从理论上求解是很困难的, 主要根据驾驶员的视觉反应和心理承受能力来确定, 原规范指出如路段两旁景色单调, 最大直线长度宜控制在20V 以内, 亦即72s 行程, 但目前有研究指出, 司机在长直线上行驶45~55s 时, 就会出现疲劳感, 最大长度为16V, 对山区公园式道路来说, 经过道路景观设计之后, 道路路线经过地带景观丰富多样, 可以很大程度的消除视觉疲劳, 故最大直线长可以适当增大, 定为20V, 即400m, 曲线间所夹直线长度, 最小长度同向曲线间为6V (120m ), 反向为2V (40m ), 但从线形顺滑、行车的舒适性来考虑, 是不够理想的, 最好调整到以曲线直接相接。2. 3 超高加宽过渡段

山区公园式道路可不设回旋线而用超高、加宽过渡段代替, 长度可分别按山区四级超高和加宽的有关规定计算, 取其较长者, 但最短应符合渐变率为1B 15且不小于20m 的要求。公路两相邻反向圆曲线无超高、加宽时可径相衔接; 无超高有加宽时, 中间应设有长度不小于10m 的加宽缓和段。工程特殊困难路段设置超高时, 中间直线长度不得小于15m 。

2. 4 平曲线长度

基于驾驶操纵方面的考虑, 平曲线长度也应有限制, 一般应大于200m, 当山地地形条件及其它特殊情况如需要保护特殊文物而限制时, 可适当降低标准, 最小值为40m 。当路线转角等于或小于7(b ) 时, 应设置较长的平曲线, 长度应大于280m 。2. 5 山区公园式道路的视距要求

山区公园式道路一般为双车道, 应满足会车视距要求, 其长度应不小于40m , 应严格控制弯道内侧横净距对视距的影响, 减少交通肇事率。此外还应该在适当间隔内设置超车路段, 超车视距应满足大于100m , 当受地形条件和其他条件限制时, 超车视距可适当缩减, 但最小不小于70m, 必要情况下应增设交通安全标志。

总之, 平面线形应直捷、连续、顺适, 并与地形地物相适应, 与周围环境相协调。应避免连续急弯的线形, 且平曲线应有足够长度。应满足汽车行驶力学上的要求, 要充分满足旅客视觉和心理上的要求, 最大程度上实现公园式道路设计理念, 保持平面线形的均衡连贯美观。

3 实例

根据前段所述山区公园式道路平面线形设计指南, 具体探讨武汉市黄陂区张家湾至刘家山旅游路改建工程的平面线形设计情况, 本路段属于山地地区城市至景区公园式道路类型, 整条道路全长为10964. 389m, 沿线除起点处一公路左右的路段较为平坦, 其余路段海拔变化很大(从60~600m 之间), 几乎全线都在山间穿行而上, 落差相当大, 致使路线坡度设计有一定困难。该路段原来选线上很大程度采用了沿溪线、沿河线、山脊线, 越岭线采用了回头展线、螺旋展线, 使有些地方出现急弯上坡, 给驾驶带来困难, 而平面线形略显僵硬呆板, 经过改建后, 线形得到一定程度的完善, 同时充分利用当地田园风光, 还利用了山腰空旷的视野设计观景台, 进行道路景观设计, 取得了不错的效果。下面具体介绍平面线形的一些情况。

由于该路段高差落差很大, 所以采用爬山公路, 沿山脊或山腰, 采用回头展线或螺旋展线, 圆曲线半径极限最小值为15m , 一般最小值30m, 该路段有几处回头曲线半径接近15m, 在设计中我们合理地设置超高加宽缓和段, 极大的解决了乘车舒适性问题。在直线的设置上, 我们没有过分追求长直线而不顾对生态景观的保护, 除了在山下有水稻田的地方采用直线为主外, 其他均地方采用以曲线为主, 大大减少了工程量, 并且避免了一些不良线形的出现, 如断背曲线等, 充分利用了回头曲线, 以及S 型、C 型曲线等, 与地形地貌相适应, 由于道路在山头一侧上坡, 视野开阔, 最小视距40m 很容易得到了满足。其平面线形主要技术指标见表2。

表2 平面线形主要指标

T ab l e 2 The key i ndexes of p l an e ali gnm en t 指标内容

地形

设计速度/(km #h -1)

路线长度/km

平曲线极限最小半径/m平曲线一般最小半径/m最大直线长度/m平曲线长度/m视距/m

张家湾至刘家山段

山岭重丘区

20

10. [**************]

在宏观上, 我们突出了公园式道路最大的特点之一:与道路周围环境相协调, 与大自然相融合, 所以在满足行车力学特性基础上我们更加注重了对司乘人员行车舒适性的满足, 并重点进行了道路景观 (下转第27页)

第1期

张 通, 等:大跨度连续刚构桥悬臂施工期间温度场实验及分析 27

内力、变形效应。题, 给出了温度梯度关于时间t 的表达式, 该表达式可用于典型天气条件下该地区同类桥梁的施工期结构验算。

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汉:武汉理工大学, 2004. [5]

5 结论

对东营黄河大桥在主梁悬臂施工期间的典型断面, 选取典型天气进行温度场实验, 可得到以下结论:

¹太阳辐射是改变箱梁温度场的最主要因素。º顶板尤其是顶板最上缘在8~13点间温度急剧升高, 底板最下缘略有升高, 并在13~14点间温度梯度达到最大值, 而后缓慢减小; 其它测点温度变化趋势不明显。

»各时刻沿箱梁横截面的温差较小, 竖向温度梯度呈现明显的非线形特点, 基本符合我国铁路桥涵规范的计算模式, 并用该模式拟合出了各时刻的温度梯度表达式参数。

¼将各时刻温度梯度表达式中的参数A 、c 对时间t 进行了拟合, 进而将关于时间和空间的4参量温度场问题最终简化为关于时间t 的一参量问(上接第17页)

设计, 如通过植物树种的合理配置, 园林小品等进行点缀, 设置观景台为游客提供观光方便等, 真正体现了车在道中走, 人在画中游的美好意境, 这也体现了我们以人为本的道路设计理念, 使公园式道路的设计理念得到极大程度的实现, 该条旅游道路的作用主要是连接黄陂到景区清凉寨、刘家山民俗村, 是一条典型的旅游公路, 就目前调查的情况来看该条道路沿线经过的只有这两个景区, 原来景区并不是非常有名, 通过道路改建后在沿线相增加布置一些具有特色的景点和景观以美化路线及周围环境, 使得游客大量增加, 同时也带动了当地经济的发展, 取得了一举多得的不错效果。

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浑然一体, 达到最佳效果。

总之, 公园式道路设计是一门科学, 它包含着深厚的科学理性, 设计人员需不断地丰富理性知识, 持顺理性思维; 同时公园式道路设计又是一门艺术, 蕴涵着丰富的情感。充满着爱的激情, 真情实意体现以人为本的理念, 是公园式道路设计的最高境界。随着社会的发展, 公园式道路越来越贴近人们生活, 人们对景区道路的理解已不再是单一的功能和单调的色彩, 充满舒适、安全以及人情味的公园式道路才是人们真正渴望和我们执着的追求。

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4 结语

本文讨论的是公园式道路的平面线形, 其理想的线形应该是对平、纵、横三方面综合考虑, 避免单独设计, 而且要对线形的整体效果进行考虑。公园

式道路的设计, 在考虑平纵横线形组合情况的同时, 更要注意整个线形与周围景观的配合程度, 一条完美的风景区公园式道路, 应与自然地形相协调, 充分利用周围的自然风景或人文景观, 使道路与周边环境配合得当, 相映成趣, 从而达到最理想的效果。总之, 在风景区公园式道路的线形设计上, 以流畅、协调为指导思想, 因地制宜, 采取灵活多变的措施, 让设计成果真正融入到风景区中, 使道路与周围景观