Design of Expressway and Interchange西华大学交通与汽车工程学院西华大学交通与汽车工程学院 交通工程教研室交通工程教研室第六章第六章 高速公路纵断面设计高速公路纵断面设计1关于平面线形的几个问题回旋线的方程如何表示？其各参数的含义是什么看图回答问题主要内容纵坡设计竖曲线设计爬坡车道避险车道和紧急停车带纵断面线形设计和绘图 路线纵断面定义路线纵断面定义：沿中线竖直剖切再行：沿中线竖直剖切再行展开的断面。它是一条有起伏的空间线。展开的断面。它是一条有起伏的空间线。 反映路线在纵断面上的形状、位置及尺寸的图形称为路线纵断面图。路线纵断面图是道路设计的重要技术图表之一，它主要反映路线起伏、纵坡与原地面的填挖关系等情况，把道路的纵断面图和平面图、横断面图结合起来，就能够完整的表达出道路的空间位置和立体线形。纵断面图上有两条主要的连续线形纵断面图上有两条主要的连续线形 1 1、地面线、地面线：根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线，反映了沿着中线地面地形的起伏变化情况规则的折线，反映了沿着中线地面地形的起伏变化情况。 2 2、设计线：、设计线：经过技术上、经济上以及美学上等多方面经过技术上、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，反映了比较后设计人员定出一条具有规则形状的几何线，反映了道路路线的起伏变化情况。它由直线和曲线组成。道路路线的起伏变化情况。它由直线和曲线组成。 路线纵断面图纵断面设计的主要任务就是根据汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件及工程经济性等，研究道路在纵断面上起伏及空间要素的大小及组合，以达到行车安全迅速、运输经济合理及乘客感觉舒适的目的。纵断面线形几何要素纵断面线形几何要素 Back下一页下一页上一页上一页平平坡坡线线纵断面线形纵断面线形坡坡线线竖竖曲曲线线在平面线形初定之后，结合地形、地物、环境和土石方在平面线形初定之后，结合地形、地物、环境和土石方工程量等条件，将几何要素进行合理组合，满足行车安工程量等条件，将几何要素进行合理组合，满足行车安全、舒适、与环境协调、工程经济的要求。全、舒适、与环境协调、工程经济的要求。 10纵断面断面设计线 直坡段直坡段坡度两坡度两变坡高差坡高差/平距平距上坡上坡为正正下坡下坡为负平坡平坡为0坡坡长：纵坡斜坡斜线距离距离竖曲曲线段段凸型凸型竖曲曲线凹型凹型竖曲曲线半径半径R长度度L竖距距h道路直道路直线的坡度和的坡度和长度影响着汽度影响着汽车的行的行驶速度和运速度和运输的的经济以及行以及行车的安全，它的安全，它们的一些的一些临界界值的确定和必要的限的确定和必要的限制，是以通行的制，是以通行的汽汽车类型及行型及行驶性能性能来决定的。来决定的。6.1 纵坡设计纵坡设计的一般要求最大纵坡理想的最大纵坡和不限长度的最大纵坡最小纵坡坡长限制缓和坡段其他坡段标准汽车的运动方程式汽车的运动方程式汽车在道路上行驶时，必须有足够的驱动力来克服各种行驶阻力。当驱动力与各种行驶阻力之代数和相等的时候，称为驱动平衡。其驱动平衡方程式（也称汽车的运动方程式）为 T=R=Rw+RR+RI一、纵坡设计的一般要求一、纵坡设计的一般要求纵坡设计必须满足公路工程技术标准、公路路线设计规范各项规定。纵坡应具有一定的平顺性，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。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一般情况下纵坡设计应考虑路基工程的填挖平衡，以减少借方和废方，降低造价和节省道路用地平原微丘地下水埋深较浅，或池塘、湖泊分布较广，纵坡除应满足最小坡度要求外，还应满足最小填土高度要求，保证路基稳定对连接段纵坡，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。在交叉口前后的道路应平缓一些，以是考虑安全，二是考虑交叉口竖向设计在实地调查基础上，公路应充分考虑通道、农田水利等方面的要求；城市道路应充分考虑管线综合的要求二、最大纵坡纵坡度纵坡度:路线纵断面上同一坡段两点间的高差路线纵断面上同一坡段两点间的高差与其水平距离之比，以百分率表示。包括最与其水平距离之比，以百分率表示。包括最大纵坡度和最小纵坡度之间的各种坡度。大纵坡度和最小纵坡度之间的各种坡度。最大纵坡度最大纵坡度：公路线形设计控制的一项重要指：公路线形设计控制的一项重要指标，它直接影响到路线的长度、使用品质、标，它直接影响到路线的长度、使用品质、行车安全、运输成本、和工程造价行车安全、运输成本、和工程造价最小纵坡度最小纵坡度：是为排水而规定的最小值。：是为排水而规定的最小值。纵坡度表示方法： 纵坡度的表示方式不用角度，而用百分数（）道路上的纵坡对汽车行驶不造成困难 。路线前进水平距离路线前进水平距离520520米，克服高差米，克服高差1313米，米，则纵坡为则纵坡为？%2.5%纵坡度纵坡度Back下一页下一页上一页上一页纵坡度影响特点纵坡度影响特点（1）坡度大小的影响）坡度大小的影响不同的纵坡对事故有不同的影响，不同的纵坡对事故有不同的影响， 纵坡度纵坡度i2或或i-1，事，事故率明显增加，可见坡度越大，对交通安全的影响也越大故率明显增加，可见坡度越大，对交通安全的影响也越大 （2）上坡与下坡影响的区别）上坡与下坡影响的区别车辆行驶过程中往往需要紧急刹车。由于下坡行驶的制动距离车辆行驶过程中往往需要紧急刹车。由于下坡行驶的制动距离要比上坡行驶的长，因此下坡事故数要比上坡事故数多；上下要比上坡行驶的长，因此下坡事故数要比上坡事故数多；上下坡行车条件的差别，在较小纵坡条件下就有所反映。坡行车条件的差别，在较小纵坡条件下就有所反映。（3）采取安全措施对坡度安全性的影响）采取安全措施对坡度安全性的影响采取的安全措施大体有设置醒目的交通标志、交通信号控制、采取的安全措施大体有设置醒目的交通标志、交通信号控制、增加车道等，主要目的是提醒驾驶员保持警惕，要求驾驶员控增加车道等，主要目的是提醒驾驶员保持警惕，要求驾驶员控制车速，以及改善道路条件以分流交通量、减少冲突点。制车速，以及改善道路条件以分流交通量、减少冲突点。 20最最大大纵纵坡坡：是是指指在在纵纵坡坡设设计计时时各各级级道道路路允允许许使使用用的的最最大大坡坡度度值。值。影响因素：影响因素： 汽车的动力特性汽车的动力特性：汽车在规定速度下的爬坡能力。：汽车在规定速度下的爬坡能力。道路等级道路等级：等级高，行驶速度大，要求坡度阻力尽量小。：等级高，行驶速度大，要求坡度阻力尽量小。自然条件自然条件：海拔高程、气候（积雪寒冷等）。：海拔高程、气候（积雪寒冷等）。最最大大纵纵坡坡的的大大小小将将直直接接影影响响路路线线的的长长短短、使使用用质质量量、行行车车安安全以及运营成本和工程的经济性全以及运营成本和工程的经济性最大纵坡纵坡度大小的优劣：纵坡度大小的优劣： 坡坡度度大大：行行车车困困难难：上上坡坡速速度度低低，下下坡坡较较危危险险；山山区公路可缩短里程，降低造价。区公路可缩短里程，降低造价。. .最大纵坡的确定最大纵坡的确定 标准标准采用的代表车型是载重采用的代表车型是载重8t8t的东风重型货车（功率的东风重型货车（功率/ /重量比为重量比为9.3W/kg9.3W/kg）。）。 根据根据D DV V曲线和公式曲线和公式 ， 就可以确定最大纵坡。就可以确定最大纵坡。 公路工程技术标准在制定路线最大纵坡时考虑的三方面因素汽车山坡行驶的爬坡能力汽车下坡行驶的安全性考虑畜力车及雨雪冰滑时汽车上下坡的行驶要求3%、4%的最大纵坡适合于高速公路和一级公路8%、9%的最大纵坡设计速度小于30km/h的公路5%、6%、7%的最大纵坡适合设计速度40-80km/h最大纵坡应使小客车能以相当于平坦路段上的平均行驶速度上坡，载重汽车则大致以设计速度的50%的速度上坡。1. 1. 设设计计速速度度为为120km120kmh h、l00kml00kmh h、80km80kmh h的的高高速速公公路路受受地地形形条条件件或或其其他他特特殊殊情情况况限限制制时时，经经技技术术经经济济论论证证，最大纵坡值可增加最大纵坡值可增加1 1。2. 2. 公公路路改改建建中中，设设计计速速度度为为40km40kmh h、30km30kmh h、20km20kmh h的的利利用用原原有有公公路路的的路路段段，经经技技术术经经济济论论证证，最最大大纵纵坡坡值值可增加可增加1 1。n标准标准各级公路最大纵坡的规定各级公路最大纵坡的规定设计速度设计速度（km/h）1201008060403020最大纵坡（%） 3 4 5 6 7 8 93%的纵坡4%的纵坡高原最大纵坡1 1高原为什么纵坡要折减高原为什么纵坡要折减在高海拔地区，因空气密度下降而使汽车在高海拔地区，因空气密度下降而使汽车发动机的功率、汽车的驱动力以及空气阻发动机的功率、汽车的驱动力以及空气阻力降低，导致汽车的爬坡能力下降。另外力降低，导致汽车的爬坡能力下降。另外，汽车水箱中的水易于沸腾而破坏冷却系，汽车水箱中的水易于沸腾而破坏冷却系统。统。高原纵坡折减高原纵坡折减桥上及桥头路线纵坡隧道纵坡n最小纵坡：最小纵坡：各级公路在特殊情况下容许使用的最小坡度值。各级公路在特殊情况下容许使用的最小坡度值。n最小纵坡值最小纵坡值：0.3%0.3%，一般情况下，一般情况下0.5%0.5%为宜。为宜。n适用条件适用条件：横向排水不畅路段：长路堑、桥梁、隧道、设超：横向排水不畅路段：长路堑、桥梁、隧道、设超高的平曲线、路肩设截水墙等。高的平曲线、路肩设截水墙等。n当当必必须须设设计计平平坡坡（0%0%）或或小小于于0.3%0.3%的的纵纵坡坡时时，边边沟沟应应作作纵纵向向排水设计。排水设计。n 在在弯弯道道超超高高横横坡坡渐渐变变段段上上，为为使使行行车车道道外外侧侧边边缘缘不不出出现现反反坡，设计最小纵坡不宜小于超高允许渐变率。坡，设计最小纵坡不宜小于超高允许渐变率。n 干旱少雨地区最小纵坡可不受上述限制。干旱少雨地区最小纵坡可不受上述限制。五、最小纵坡五、最小纵坡六、坡长限制 坡长坡长是纵断面上相邻两变坡点间的长度。是纵断面上相邻两变坡点间的长度。 坡长限制，坡长限制，主要是对较陡纵坡的最大长度和一般纵坡的最小主要是对较陡纵坡的最大长度和一般纵坡的最小长度加以限制。长度加以限制。 1.1.最小坡长最小坡长 （1 1）规定最小坡长的原因）规定最小坡长的原因 纵断面上若变坡点过多，纵向起伏变化频繁影响了行车的纵断面上若变坡点过多，纵向起伏变化频繁影响了行车的舒适和安全；舒适和安全； 相邻变坡点之间的距离不宜过短，以便插入适当的竖曲线相邻变坡点之间的距离不宜过短，以便插入适当的竖曲线来缓和纵坡的要求，同时也便于平纵面线形的合理组合与布置。来缓和纵坡的要求，同时也便于平纵面线形的合理组合与布置。 （2 2）最小坡长要求）最小坡长要求 最小坡长通常规定汽车以设计速度行驶最小坡长通常规定汽车以设计速度行驶9s9s15s15s的行程为宜。的行程为宜。2.5V4.2V公路最小 坡长值 2.2.最大坡长的限制最大坡长的限制 （1 1）限制最大坡长的原因）限制最大坡长的原因 汽车在长距离的陡坡上行驶时，行车速度会显著下降，汽车在长距离的陡坡上行驶时，行车速度会显著下降，甚至要换低速挡克服坡度阻力，使车辆间相互干扰增加，通行甚至要换低速挡克服坡度阻力，使车辆间相互干扰增加，通行能力下降多。易使水箱沸腾，爬坡无力。能力下降多。易使水箱沸腾，爬坡无力。 下坡时，则因坡度过陡，坡段过长频繁刹车，影响行车下坡时，则因坡度过陡，坡段过长频繁刹车，影响行车安全。安全。 （2 2）最大坡长限制计算与规定）最大坡长限制计算与规定 纵坡长度限制主要是依据纵坡长度限制主要是依据8t 8t 载重车（功率载重车（功率/ /重量比是重量比是9.3W/kg9.3W/kg） 的爬坡性能曲线，同时考虑坡底的的爬坡性能曲线，同时考虑坡底的入口速度与允许入口速度与允许速度差速度差确定的。确定的。 标准采用入口的运行速度是通过调查得到的，允许速度差为标准采用入口的运行速度是通过调查得到的，允许速度差为20km/h20km/h。标准中所规定的坡长限制是变坡点间的直线距离。标准中所规定的坡长限制是变坡点间的直线距离。 设计速度速度(km/h)1201008060403020纵坡坡坡坡度度(%)390010001100120047008009001000110011001200560070080090090010006500600700700800750050060083004009200 连连续续上上坡坡或或下下坡坡时时，应应在在不不大大于于规规定定的的限限制制纵纵坡坡长长度度范范围围内内，设设置置缓缓和和坡坡段段。缓缓和和坡坡段段的的纵纵坡坡应应不不大大于于 3 3 % % ， 其其 长长 度度 应应 符符 合合 最最 小小 纵纵 坡坡 长长 度度 的的 规规 定定 。八、平均纵坡八、平均纵坡n平均纵坡平均纵坡是指一定长度的路段纵向所克服的高差是指一定长度的路段纵向所克服的高差H H与水平与水平距离之比（连续升坡或降坡路段）。距离之比（连续升坡或降坡路段）。标标准准规规定定：越越岭岭路路线线连连续续上上坡坡( (或或下下坡坡) )路路段段，相相对对高高差差为为200200500m500m时时，平平均均纵纵坡坡不不应应大大于于5.55.5；相相对对高高差大于差大于500m500m时，平均纵坡不应大于时，平均纵坡不应大于5 5。任意连续任意连续3km3km路段平均纵坡不应大于路段平均纵坡不应大于5.55.5。城城市市道道路路的的平平均均纵纵坡坡按按上上述述规规定定减减少少1.0%1.0%。对对于于海海拔拔3000m3000m以以上上的的高高原原地地区区，平平均均纵纵坡坡应应较较规规定定值值减减少少0.5%0.5%1.0%1.0%。平均纵坡作用平均纵坡作用（1 1）在山区高差较大地区，尽管最大纵坡、坡长限制、）在山区高差较大地区，尽管最大纵坡、坡长限制、缓和坡段及最短坡长等均满足缓和坡段及最短坡长等均满足标准标准规定，但为了防规定，但为了防止交替使用极限长度的最大纵坡和最短长度的缓坡形成止交替使用极限长度的最大纵坡和最短长度的缓坡形成“台阶式台阶式”纵断面线形，应对路线最高点与最低点之间纵断面线形，应对路线最高点与最低点之间的平均坡度加以限制，以提高行车质量。的平均坡度加以限制，以提高行车质量。（2 2）汽车在长上坡上行驶，会长时间地使用二档，造成）汽车在长上坡上行驶，会长时间地使用二档，造成发动机长时间发热，导致车辆水箱沸腾；下坡则频繁刹发动机长时间发热，导致车辆水箱沸腾；下坡则频繁刹车，司机驾驶紧张，也易引起不良后果。车，司机驾驶紧张，也易引起不良后果。1.1.定义：定义：合成坡度是指由路线纵坡与弯道超高横坡或路合成坡度是指由路线纵坡与弯道超高横坡或路拱横坡组合而成的坡度，其方向即流水线方向。拱横坡组合而成的坡度，其方向即流水线方向。合成坡度的计算公式为：合成坡度的计算公式为：九、合成坡度九、合成坡度n式中：式中：I I合成坡度（合成坡度（% %）；）；n i ih h超高横坡度或路拱横坡度（超高横坡度或路拱横坡度（% %）；）；n i iz z路线设计纵坡坡度（路线设计纵坡坡度（% %）。）。控制合成坡度的目的控制合成坡度的目的将合成坡度控制在一定范围内，目的是控将合成坡度控制在一定范围内，目的是控制急弯和陡坡的组合，防止车辆在弯道上制急弯和陡坡的组合，防止车辆在弯道上行驶时由于合成坡度过大而引起的不适和行驶时由于合成坡度过大而引起的不适和危险。危险。 n （1 1）最大允许合成坡度值：最大允许合成坡度值： 2 2合成坡度指标合成坡度指标 （2 2）最小合成坡度：）最小合成坡度：n最小合成坡度不宜小于最小合成坡度不宜小于0.5%0.5%。n当当合合成成坡坡度度小小于于0.50.5时时，应应采采取取综综合合排排水水措措施施，以保证路面排水畅通。以保证路面排水畅通。缓坡区当连续纵坡大于5%，应在期间设置不大于3%的缓和坡段，其长度不应小于100mTHE END43