第五章.纵断面设计

高速公路规划与设计第五章纵断面设计沿道路中线竖向剖切然后展开的剖面称为道路的纵断面图，它反映了道路中线原地面的起伏情况以及路线设计的纵坡情况。路线纵断面图是一条有起伏的空间线。在纵断面图上有两条主要的线：—条是地面线，它是根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线；一条是设计线，它是经过技术上、经济上以及美学上等多方面比较后设计人员定出一条具有规则形状的几何线。纵断面设计线是由直线和竖曲线组成的。直线（即均匀坡度线）有上坡和下坡，是用坡度和水平长度表示的。坡长为直线段的水平投影长。两直坡的变坡点处为平顺行车及必要的视距设置竖曲线，按坡度转折形式的不同，竖曲线有凹有凸，用半径大小和水平投影长度表示。纵断面设计——纵坡设计纵坡设计的一般要求1.纵坡设计必须满足《标准》的各项规定。2.为保证车辆能以一定速度安全顺适地行驶，纵坡应具一定的平顺性，起伏不宜过大和过于频繁。尽量避免采用极限纵坡值，合理安排缓和坡段，不宜连续采用极限长度的陡坡夹最短长度的缓坡。连续上坡或下坡路段，应避免设置反坡段。越岭线垭口附近的纵坡应尽量缓一些。3.纵坡设计应对沿线地形、地下管线、地质、水文、气候和排水等综合考虑，视具体情况加以处理，以保证路基的稳定和道路通畅。4.一般情况下纵坡设计应考虑填挖平衡，尽量使挖方运作就近路段填方，以减少借方和废方，降低造价和节省用地。纵断面设计——纵坡设计5.平原微丘区地下水埋深较浅，或池塘、湖泊分布较广，纵坡除应满足最小纵坡要求外，还应满足最小填土高度要求，保证路基稳定。6.对连接段纵坡，如大、中桥引道及隧道两端接线等，纵坡应和缓，避免产生突变。7.在实地调查基础上，充分考虑通道、农田水利等方面的要求。纵断面设计——纵坡设计最大纵坡最大纵坡是指道路容许采用的最大坡度值，它是高速公路线形设计控制的一项重要指标。纵坡的大小将直接影响路线的长短、使用质量、行车安全、运输成本和工程造价。因此，纵坡大小的取值必须要通过全面分析，综合考虑后合理确定。高速公路上最大纵坡的确定主要取决于汽车的动力性能、自然因素和工程运营经济的分析，但另一方面还必须保证行车安全。从实际调查中可知，汽车在陡坡路段下坡时，由于制动次数增多，易使制动器发热而失效，导致事故频发。纵断面设计——纵坡设计我国《标准》规定了高速公路的最大纵坡设计速度/（km/h）12010080最大纵坡/%345高速公路上车速快、密度大、安全性要求高，为此，设计时应尽可能选用小于最大纵坡的数值。当受地形条件或其他特殊情况限制时，经技术经济论证后，最大纵坡可增加1%。小桥涵处的纵坡应随路线纵坡设计，但大桥的纵坡不宜大于4%，桥头引道纵坡不大于5%，引道紧接桥头部分的线形应与桥上线形相配合。纵断面设计——纵坡设计隧道内的纵坡不应大于3%，并不小于0.3%，但短于100m的隧道其纵坡不受此限；紧接隧道洞口的路线纵坡应与隧道内纵坡相同。高速公路的中、短隧道，当条件受到限制时，经技术论证后，其最大纵坡可适当加大，但不宜大于4%。在高原地区，海拔高程对汽车的动力性能影响较大，为此，设计速度小于或等于80km/h位于海拔3000m以上的高原地区的公路，最大纵坡应根据海拔高度按表5-2进行折减。最大纵坡折减后若小于4%，则仍采用4%。海拔高度/m3000～40004000～50005000以上纵坡折减/%123纵断面设计——纵坡设计最小纵坡一般来说，为使高速公路上汽车行驶快速和安全，纵坡设计小一些总是有利的。但在挖方路段、设置边沟的低填方路段和横向排水不畅路段，为保证排水的要求，防止积水渗入路基而影响其稳定性，一般在这些路段应采用不小于0.3%的纵坡（一般情况下以采用不小于0.5%的纵坡为宜）。对于干旱地区，以及横向排水良好、不产生路面积水的路段，也可不受此最小纵坡的限制。纵断面设计——纵坡设计坡长限制坡长是指相邻两变坡点间的水平直线距离。坡长限制包括最小坡长限制和最大坡长限制两个方面的内容。1.最小坡长限制在纵坡设计中，如果坡长过短，变坡点过多，使纵坡线形呈锯齿形状，车辆行驶颠簸，频繁变化在增重和失重当中，导致乘客感觉不舒适，对路容也不美观；纵断面设计——纵坡设计我国综合考虑计算行车速度和地形条件等情况，坡长最短以不小于设计速度行驶9s的行程为宜，即：高速公路的最小坡长规定设计速度/（km/h）12010080最小坡长/m300250200纵断面设计——纵坡设计2.最大坡长限制道路纵坡的大小和坡长对汽车的正常行驶影响很大，特别是长距离的陡坡对汽车的安全行驶非常不利。高速公路当连续陡坡由几个不同坡度值的坡段组合而成时，应对纵坡长度受限制的路段采用平均坡度法进行验算。所以我国《标准》规定，各级公路不同纵坡时的最大坡长。纵断面设计——纵坡设计最大纵坡高速公路不同纵坡最大坡长纵坡坡度/%设计速度/（km/h）1201008039001000110047008009005—6007006——500纵断面设计——纵坡设计缓和坡段缓和坡段的作用主要是为了改善汽车在连续陡坡上行驶的紧张状况，避免汽车长时间低速行驶或汽车下坡产生不安全因素。因此，当陡坡的长度达到限制坡长时，应安排一段缓坡，用以恢复在陡坡上行驶所降低的速度。我国规定，连续上坡或下坡时，应在不大于规范规定的纵坡长度之间设置缓和坡段，缓和坡段的纵坡应不大于3%，其长度应符合规范最小坡长的规定。纵断面设计——纵坡设计例如，高速公路的设计速度为100km/h，一段已经设计好的5%上坡段300m，拟在按4%设置上坡段，其长度应为多少？第一坡段纵坡为5%，长度为300m，即占坡长限制值的1/2，第二坡段纵坡为4％，则其坡长不应超过800×（1﹣1/2）＝400m。也就是说5％的纵坡设计了长度300m以后，还可接着设计坡度为4％的400m坡长，然后应设置一段坡长不小于250m、纵坡小于3%的缓和坡段。纵断面设计——纵坡设计合成坡度合成坡度是指在设有超高的平曲线上，路线纵坡与超高横坡或路面横坡组合而成的最大坡度。其方向为流水方向，又称流水线坡度。合成坡度的计算公式为22横纵合iii式中：合i——合成坡度（%）；纵i——路线纵坡度（%）；横i——超高横坡度或路面横坡度（%）。纵断面设计——纵坡设计汽车在有合成坡度的路段行驶时，如果合成坡度过大，由于离心力的作用，可能引起汽车向合成坡度方向的倾斜和侧向滑移，给汽车行驶带来危险。《规范》规定高速公路的最大容许合成坡度值如表所示。设计速度/（km/h）12010080合成坡度值/%10.010.010.5纵断面设计——竖曲线设计纵断面上两个坡段的转折处，为了行车安全、舒适以及视距的需要用一段曲线缓和，我们把这一曲线称为竖曲线。竖曲线的线形有圆曲线、抛物线形的形式。通常在公路设计上使用抛物线比圆曲线方便得多，因此一般采用二次抛物线作为竖曲线。竖曲线要素计算公式纵断面上两纵坡线交点处称为变坡点。在变坡点设置的竖曲线有凹形竖曲线和凸形竖曲线两种。纵断面设计——竖曲线设计ixxky221推导得竖曲线要素竖曲线上任一点竖距Rxh22RL竖曲线外距：488222TLRERTE或纵断面设计——竖曲线设计竖曲线的最小半径在纵断面设计中，竖曲线的设计要受很多因素的限制，但对于竖曲线的最小半径和最小长度主要有三个限制因素，即汽车行驶的缓和冲击、行程时间和视距要求。1.缓和冲击汽车行驶在竖曲线上时，产生径向离心力。这个力在凹形竖曲线上是增重，在凸形竖曲线上是减重。这种增重与减重达到某种程度时，旅客就有不舒适的感觉，同时对汽车的悬挂系统也有不利影响。纵断面设计——竖曲线设计汽车在竖曲线上行驶时，离心加速度是：)/(22smRvaaVR132或纵断面设计——竖曲线设计2.行程时间不过短汽车从直坡道行驶到竖曲线上，尽管竖曲线半径较大，当坡角很小时，竖曲线长度也很短。其长度过短，汽车倏忽而过驾驶员产生变坡很急的错觉，旅客也会感到不舒适，因此，应限制汽车在竖曲线上的行程时间不过短。最短应满足3s行程。即：2.16.3minVtVL纵断面设计——竖曲线设计《标准》规定，高速公路最小竖曲线长度如表所示。3.满足视距的要求汽车在凸形竖曲线上行驶，如果半径太小，会阻挡驾驶员的视线。对于凹形竖曲线，也同样存在视距问题。因此，对竖曲线的最小半径和最小长度应加以限制。设计速度/（km/h）12010080竖曲线最小长度/m1008570纵断面设计——竖曲线设计（1）凸形竖曲线的最小半径和最小长度凸形竖曲线主要是以满足行车视距来进行控制，也就是凸形竖曲线最小长度应以满足停车视距要求为主，按竖曲线长度和停车视距的关系分为两种情况，如图所示。纵断面设计——竖曲线设计TS＜L当RtRdh2221211RtRdh222222221112tRhd22222tRhd则则ltRhldt211112211llRht)(2)(22222lLtRhlLdt222lLlLRhtlLRhLlRhtLtST21212得由由得视距长度纵断面设计——竖曲线设计0dldSTLhhhl2112)(2)(221221LhhLhhLRST42)(22221minTTShhSL式中：h1——驾驶员的视线高，一般为1.2m；h2——障碍物高，一般为0.1m;w——竖曲线的变坡角；R——竖曲线半径（m）。令解得纵断面设计——竖曲线设计TSL当Rdh2211Rdh2222112Rhd222Rhd)(2)(2212121hhLhhRddST44)(2222212minTTTSRShhSL则则纵断面设计——竖曲线设计比较以上两种情况，显然（5-12）计算结果大于式（5-11），应将后式作为有效的控制。根据缓和冲击、行驶时间及视距要求三个限制因素，可计算出高速公路各设计速度时的凸形竖曲线最小半径和最小长度。竖曲线最小长度相当于各级道路设计速度的3s行程。如表所示。设计速度/（km/h）停车视距/m缓和冲击视距要求采用值《标准》规定值/m竖曲线半径竖曲线最小长度一般值最小值一般值最小值12021040001102511000170001100025010010016027786400650010000650021085801101778302530004500300017070纵断面设计——竖曲线设计（2）凹形竖曲线最小半径和最小长度凹形竖曲线的最小长度，应满足两种视距的要求：一是保证夜间行车安全，前灯照明应有足够的距离；二是保证跨线桥下行车有足够的视距。TS＜L当LSlT由图2)2(22)(tan22LSRlRlLShTT纵断面设计——竖曲线设计求解上式，得：)tan(2minTTShSL式中：TS——停车视距，m；h——车前照灯的高度，一般为0.75m；——车前照灯光束扩散角，一般为1.5°。代入已知数据得：)026.075.0(2minTTSSL纵断面设计——竖曲线设计TSL当LSRSShTTT22tan22求解上式，得：)tan(22minTTShSL代入已知数据得：TTSSL0524.05.12min显然应以后式作为有效控制。纵断面设计——竖曲线设计2）跨线桥下行车视距要求当：如图所示。TS＜Lmax1212minmaxmaxmax421(1)(1)2ThhhhhLShhh式中：maxh——桥下设计净空，mh5.4max；1h——驾驶员视线高度，mh5.11;2h——障碍物高度，mh75.02将已知数据代入，则92.262minTSL纵断面设计——竖曲线设计TSL当22max1max2min)(2)(2hhhhSLT将已知数据代入，则92.262minTSL各式，