第五章高速公路纵断面设计.docx

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第五章高速公路纵断面设计

第五章高速公路纵断面设计

第一节概述

定义：

沿着道路中线竖向剖面的展开图即为路线纵断面。

纵断面设计：

在路线纵断面图上研究路线线位高度及坡度变化情况的过程。

任务：

研究纵断面线形的几何构成及其大小与长度。

依据：

汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件以及工程经济性等。

路线纵断面图构成：

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；

设计线：

路线上各点路基设计高程的连续。

地面高程：

中线上地面点高程。

设计高程：

一般公路，路基未设加宽超高前的路肩边缘的高程。

设分隔带公路，一般为分隔带外边缘。

路基高度：

横断面上设计高程与地面高程之高差。

路堤：

设计高程大于地面高程。

路堑：

设计高程小于地面高程。

纵断面设计内容：

坡度及坡长、竖曲线

第二节纵坡及坡长设计

一、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xx或下坡路段，应避免设置反坡段。

xx线哑口附近的纵坡应尽量缓一些。

3．纵坡设计应对沿线地面、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，以保证道路的稳定与通畅

4．一般情况下山岭重丘区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。

——即纵向填挖平衡设计。

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，还应满足最小填上高度要求，保证路基稳定。

——即包线设计。

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。

交叉处前后的纵坡应平缓一些，

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。

二、最大纵坡

最大纵坡：

是指在纵坡设计时各级道路允许使用的最大坡度值。

影响因素：

汽车的动力特性：

汽车在规定速度下的爬坡能力。

道路等级：

等级高，行驶速度大，要求坡度阻力尽量小。

自然条件：

海拔高程、气候（积雪寒冷等）。

纵坡度大小的优劣：

坡度大：

行车困难：

上坡速度低，下坡较危险。

山区公路可缩短里程，降低造价。

各级公路最大纵坡的规定（表5-2）

三、xx纵坡折减

四、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。

最小纵坡值：

0.3%，一般情况下0.5%为宜。

适用条件：

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。

当必须设计平坡（0%）或小于0.3%的纵坡时，边沟应作纵向排水设计。

干旱少雨地区最小纵坡可不受上述限制。

五、坡长限制

内容：

最小坡长限制：

任何路段

最大坡长：

xx路段

1．最短坡长限制

《标准》规定，各级公路最短坡长不应小于2.5Vm。

2．最大坡长限制

《标准》规定各级公路最大坡长限制。

六、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H与路线长度L之比（连续升坡或降坡路段）。

《标准》规定：

xx路线连续xx（或xx）路段，

相对高差为200～500m时，平均纵坡不应大于5.5％；

相对高差大于500m时，平均纵坡不应大于5％。

任意连续3km路段平均纵坡不应大于5.5％。

七、合成坡度

1.定义：

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。

合成坡度的计算公式为：

2．合成坡度指标

1）最大合成坡度：

10％

2）最小合成坡度：

最小合成坡度不宜小于0.5%。

当合成坡度小于0.5时，应采取综合排水措施，以保证路面排水畅通。

3.合成坡度指标的控制作用：

控制xx与急弯的重合；

xx与设超高平曲线的配合问题。

第三节竖曲线

1．定义：

纵断面上两个坡段的转折处，为了便于行车用一段曲线来缓和，称为竖曲线。

变坡点：

相邻两条坡度线的交点。

变坡角：

相邻两条坡度线的坡角差，通常用坡度值之差代替，用ω表示，即

ω=α2-α1≈tgα2-tgα1=i2-i1

2．竖曲线的作用：

（1）其缓冲作用：

以平缓曲线取代折线可消除汽车在变坡点的突变。

（2）保证公路纵向的行车视距：

凸形：

纵坡变化大时，盲区较大。

凹形：

下穿式立体交叉的下线。

3.竖曲线的线形

《规范》规定采用二次抛物线作为竖曲线的线形。

抛物线的纵轴保持直立，且与两相邻纵坡线相切。

一、竖曲线要素的计算公式

1．竖曲线的基本方程式：

设变坡点相邻两纵坡坡度分别为i1和i2。

抛物线竖曲线有两种可能的形式：

（1）包含抛物线底（顶）部；

（2）不含抛物线底（顶）部。

2．竖曲线诸要素计算公式

（1）竖曲线xxL或竖曲线半径R：

（2）竖曲线切线xxT：

（3）竖曲线外距E：

（4）竖曲线上任一点竖距h：

二、竖曲线的最小半径

（一）竖曲线设计限制因素

1．缓和冲击

汽车在竖曲线上行驶时其离心加速度为:

2．时间行程不过短

最短应满足3s行程。

3．满足视距的要求：

凸形竖曲线：

坡顶视线受阻

凹形竖曲线：

下穿立交

4.凸形竖曲线主要控制因素：

行车视距。

凹形竖曲线的主要控制因素：

缓和冲击力。

（二）凸形竖曲线最小半径和最小长度表5-7表5-10

凸形竖曲线最小长度应以满足视距要求为主。

按竖曲线长度L和停车视距ST的关系分为两种情况。

1．当L

2．当L>ST:

（三）凹形竖曲线最小半径和最小长度表5-8表5-10

设置凹竖曲线的主要目的是缓和行车时的离心力，确定凹竖曲线半径时，应以离心加速度为控制指标。

凹形竖曲线的最小半径、长度，除满足缓和离心力要求外，还应考虑两种视距的要求：

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。

《标准》规定竖曲线的最小长度应满足3s行程要求。

三、逐桩设计高程计算

1．纵断面设计成果：

变坡点桩号BPD

变坡点设计高程H

竖曲线半径R

2．竖曲线要素的计算公式：

变坡角ω=i2-i1

曲线长：

L=Rω

切线长：

T=L/2=Rω/2

外距：

纵距：

竖曲线起点桩号:

QD=BPD-T

竖曲线终点桩号:

ZD=BPD+T

3.逐桩设计高程计算

切线高程：

设计高程：

HS=HT±y

（凸竖曲线取“-”，凹竖曲线取“+”）

第四节视觉分析及道路平、纵线形组合设计

一、视觉分析

1．视觉分析的意义

视觉分析：

从视觉心理出发，对道路的空间线形及其与周围自然景观和沿线建筑的协调等进行研究分析，以保持视觉的连续性，使行车具有足够的舒适感和安全感的综合设计称为视觉分析。

2．视觉与车速的动态规律

（1）驾驶员的注意力集中和心理紧张的程度随着车速的增加而增加。

（2）驾驶员的注意力集中点随着车速增加而向远方移动。

当车速增加97km／h时，他的注意力集中点在前方600m以外的某一点。

（3）当车速超过97km／h时，对前景细节的视觉开始模糊起来。

（4）驾驶者的周界感随车速的增加而减少。

当车速达到72km/h时，驾驶者可以看到公路两侧视角30～40°的范围，

而当车速增加到97km/h时，视角减至20°以下。

当车速再增加，驾驶者的注意力随之引向景象中心而置两侧于不顾。

3．视觉评价方法

二、道路平、纵线形组合设计

适用条件：

（1）当设计速度大于或等于60km/h时，必须注重平、纵的合理组合；

（2）当设计速度小于或等于40km/h时，在条件允许情况下力求做到各种线于要素的合理组合，并尽量避免和减轻不利组合。

（一）平、纵组合的设计原则

1．应在视觉上能自然地引导驾驶员的视线，并保持视觉的连续性。

2．注意保持平、纵线形的技术指标大小应均衡,使线形在视觉上、心理上保持协调。

3．选择组合得当的合成坡度，以利于路面排水和行车安全。

4．应注意线形与自然环境和景观的配合与协调。

（二）平、纵线形组合设计要点：

1、各种直线和曲线组合的立体线形要素

2.直线与纵断面的组合

（1）平面直线与纵面直线组合（纵坡不变的直线）

（2）平面直线与竖曲线组合要素（凸凹型直线、凹型直线）

直线上一次变坡是很好的平、纵组合，从美学观点讲以包括一个凸型竖曲线为好，而包括一个凹型线次之；

直线中短距离内二次以上变坡会形成反复凸凹的“驼峰”和“凹陷”。

（3）直线与纵断面应避免的组合

暗凹

纵断面上：

避免能看到纵坡起伏三次以上

3.平曲线与纵断面的组合

（1）平曲线与纵面直线组合

组合时要注意平曲线半径与纵坡度协调，要避免急弯与陡坡相重合。

（2）平曲线与竖曲线的组合

①平曲线与竖曲线应相互重合，且平曲线应稍长于竖曲线。

平竖曲线顶点重合，且平包竖。

竖曲线的起终点最好分别放在平曲线的两个缓和曲线内，其中任一点都不要放在缓和曲线以外的直线上，也不要放在圆弧段之内。

平、竖曲线重合如果平曲线的中点与竖曲线的顶（底）点位置错开不超过平曲线长度的四分之一时，仍然可以获得比较满意的外观。

若做不到平、竖曲线较好的组合（顶点的重合），则宁可把平竖曲线分开相当距离（不小于3s行程），使平曲线位于直坡段或竖曲线位于直线上。

若平、竖曲线半径都很大，则平、竖位置可不受上述限制。

②平曲线与竖曲线大小应保持均衡

半径：

竖曲线半径大约为平曲线半径的10～20倍时

xx：

平曲线应稍长于竖曲线

平曲线和竖曲线其中一方大而平缓，那么另一方就不要形成多而小。

一个长的平曲线内有两个以上竖曲线，或一个大的竖曲线含有两个以上平曲线，看上去非常别扭。

③暗、明弯与凸、凹竖曲线

暗弯与凸形竖曲线及明弯与凹形竖曲线的组合是合理的，悦目的。

注意避免“暗凹”组合。

④平、竖曲线应避免的组合

要避免使凸形竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部与反向平曲线的拐点重合。

跳跃

小半径竖曲线不宜与缓和曲线相重叠。

计算行车速度≥40km/h的道路，应避免在凸形竖曲线顶部或凹形竖曲线底部插入小半径的平曲线

在长平曲线内，要尽量设计成直坡线，避免设置短的、半径小的竖曲线。

避免在一个平曲线上连续出现多个凹、凸竖曲线

平、竖曲线半径都很小时不宜重合；此时应将两者分开，把二者拉开相当距离，使平曲线位于直坡段或竖曲线位于直线上。

（三）平、纵线形组合与景观的协调配合

内容：

充分利用自然景观

人造景观设计

线形与景观的配合应遵循以下原则：

1．应在道路的规划、选线、设计、施工全过程中重视景观要求，尤其在规划和选线阶段，比如对风景旅游区、自然保护区、名胜古迹区、文物保护区等景点和其它特殊地区，一般以绕避为主。

2．尽量少破坏沿线自然景观，避免深挖高填。

3．应能提供视野的多样性，力求与周围的风景自然地融为一体。

4．不得已时，可采用修整、植草皮、种树等措施加以补救。

5．条件允许时，以适当放缓边坡或将其变坡点修整圆滑，以使边坡接近于自然地面形状，增进路容美观。

6．应进行综合绿化处理，避免形式和内容上的单一化，将绿化视作引导视线、点缀风景以及改造环境的一种技术措施进行专门设计。

第五节纵断面设计方法及纵断面图

一、纵断面设计要点

（一）关于纵坡极限值的运用

根据汽车动力特性和考虑经济等因素制定的极限值，设计时不可轻易采用应留有余地。

一般讲，纵坡缓些为好，但为了路面和边沟排水，最小纵坡不应低于0.3%～0.5%。

（二）关于最短坡长

坡长不宜过短，以不小于计算行车速度9秒的行程为宜。

对连续起伏的路段，坡度应尽量小，坡长和竖曲线应争取到极限值的一倍或二倍以上，避免锯齿形的纵断面。

（三）各种地形条件下的纵坡设计

1．xx、微丘区：

保证最小填土高度，作包线设计。

2．xx、xx：

按纵向填挖平衡设计。

（四）关于竖曲线半径的选用

一般情况下：

竖曲线应选用较大半径为xx。

坡差小时：

应尽量采用大的竖曲线半径。

条件受限制时：

可采用一般最小值

特殊困难情况下：

方可用极限最小值。

有条件时：

宜采用表4-20规定的满足视觉要求的最小半径

同向曲线：

相邻两个同向凹形或凸形竖曲线，特别是同向凹形竖曲线之间，如直坡段不长应合并为单曲线或复曲线，避免出现断背曲线。

反向曲线：

相邻反向竖曲线之间，为使增重与减重间和缓过渡，中间最好插入一段直坡段。

若两竖曲线半径接近极限值时，这段直坡段至少应为计算行车速度的3s行程。

当半径比较大时，亦可直接连接。

二、纵断面设计方法步骤及注意问题

（一）纵断面设计方法与步骤

1．准备工作：

（1）应收集有关设计资料：

①里程桩号和地面高程；②平面设计成果；③沿线地质资料等。

（2）点绘地面线，填写有关内容。

2．标注高程控制点：

①路线起、终点；②越岭哑口；③重要桥涵；④最小填土高度；⑤最大挖深；

⑥沿溪线的洪水位；⑦隧道进出口；⑧平面交叉和立体交叉点；⑨铁路道口；

⑩城镇规划控制标高以及受其它因素限制路线必须通过的标高控制点等。

xx道路的“经济点”或“挖方点”等。

3．试坡：

根据地形起伏情况及高程控制点，初拟纵坡线。

4．调整：

按平纵配合要求及《标准》执行情况等进行检查调整。

5．核对：

典型横断面核对。

6．xx：

确定变坡点位置及变坡点高程或纵坡度。

精度要求：

变坡点桩号：

一般要调整到10m的整桩号上

坡度值：

精确到小数点两位，即0.00%

变坡点高程：

精确到小数点三位，即0.000

中桩高程：

精确到小数点两位，即0.00

7.竖曲线设计：

确定半径、计算竖曲线要素

8.设计高程计算：

从起点由纵坡度连续推算变坡点设计高程；

逐桩计算设计高程。

（二）纵坡设计应注意的问题

1．设置回头曲线地段，拉坡时应按回头曲线技术标准先定出该地段的纵坡，然后从两端接坡，应注意在回头曲线地段下宜设竖曲线。

2．大、中桥上不宜设置竖曲线（特别是凹竖曲线），桥头两端竖曲线的起、终点应设在桥头10m以外。

但特殊大桥为保证纵向排水，可在桥上设置凸竖曲线。

3．小桥涵允许设在斜坡地段或竖曲线上，为保证行车平顺，应尽量避免在小桥涵处出现“陀峰式”纵坡。

三、纵断面图的绘制

比例尺：

横坐标采用1:

2000（城市道路采用1:

500～1:

1000）

纵坐标采用1:

200（城市道路为1:

50～1:

100）。

纵断面图组成：

上部：

主要用来绘制地面线和纵坡设计线。

标注竖曲线及其要素；

坡度及坡长（有时标在下部）；

沿线桥涵及人工构造物的位置、结构类型、孔数和孔径；

与道路、铁路交叉的桩号及路名；

沿线跨越的河流名称、桩号、常水位和最高洪水位；

水准点位置、编号和标高；

断链桩位置、桩号及长短链关系等。

下部：

主要用来填写有关内容，

自下而上分别填写：

超高；直线及平曲线；里程桩号；地面高程；设计高程；填、挖高度；土壤地质说明。