55 удк 711.4: 625.72+627.8 особенности

УДК 711.4: 625.72+627.8
ОСОБЕННОСТИ ЛАНДШАФТНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В ЗОНЕ ВОДОХРАНИЛИЩ
Канд. техн. наук О.В. Михеева
(Саратовский государственный
аграрный университет
им. Н.И. Вавилова),
канд. техн. наук Э.Ю. Шмагина
(Саратовский государственный
технический университет
имени Гагарина Ю. А.)
Конт. информация: +7(905)0303893;
+7(905)3825727;
miheevaolya@gmail.com;
shmagina.e.yu@mail.ru
В статье рассмотрены основные принципы ландшафтного проектирования автомобильных дорог в зоне водохранилищ и вписывания
их в ландшафт местности. Представлены расчеты оптимального радиуса автомобильной дороги.
Ключевые слова: автомобильная дорога, ландшафтное проектирование, радиус кривой в плане, водохранилище, величина риска.
Ландшафтное проектирование автомобильных дорог является
необходимым для обеспечения психологического восприятия дороги
водителем и оценки влияния дорожных условий на режим и безопасность движения.
Как правило, установление режима движения при управлении
транспортным средством водителем определяется его восприятием обстановки на дороге и придорожной полосе в зависимости от слуховой и
зрительной ориентации, функционирования вестибулярного аппарата.
Это позволяет ему без чрезмерного напряжения учитывать все внешние
факторы, определяющие безопасность и комфорт движения [1, 2].
Для восприятия и оценки каждого такого фактора водителю требуется определенное время – время реакции. Частота смены внешних
факторов или явлений, при которой водитель свободно успевает осознать каждое из них и правильно отреагировать, индивидуальна. При
высокой частоте смены факторов часть из них не осознается в полной
мере, что может стать причиной дорожно-транспортных происшествий
(ДТП).
55
Особое внимание водителя требуется на поворотах, при этом повышение восприятия на таких участках может улучшаться за счет зеленых насаждений на придорожной полосе, различающихся по окраске
листвы.
С точки зрения дорожного проектирования, решающими являются те препятствия в плане и в профиле (как природные, так и искусственные), между которыми должна быть проложена трасса. К ним относятся элементы рельефа местности, участки неустойчивых геологических напластований – карсты, погребенные льды, водные и заболоченные поверхности, лесные массивы и сельскохозяйственные угодья,
строения и промышленные предприятия и т.д.
Классификация ландшафтов с целью проектирования дорог
должна учитывать те однородные элементы рельефа местности, которые образуют типичные группы и предопределяют принципы проложения трассы. В разных условиях наиболее характерными с этой точки
зрения элементами ландшафта могут быть формы рельефа, лесные массивы, водные поверхности и др.
Трасса дороги пролегает по местности, как бы разрезая ее. При
условии проложения дороги без учета форм рельефа в силу своих геометрически правильных очертаний она способствует негативному изменению ландшафта.
Ландшафтное проектирование автомобильных дорог заключается
в решении совокупности следующих задач:
1. Соблюдения требований к плавному сочетанию между собой
элементов трассы в целях обеспечения удобства и безопасности
высокоскоростного движения автомобилей.
2. Обеспечения (на видимых участках дороги и придорожной полосе) условий, необходимых для ясного и заблаговременного восприятия водителем возможных изменений трассы.
3. Осуществления проектирования геометрических элементов дороги на всей ее протяженности таким образом, чтобы не допускалось оптическое искажение вида отдельных участков в перспективе и обеспечивалось правильное восприятие водителем трассы.
4. Обеспечение плавного вписывания дороги и всех ее элементов в
ландшафт местности в целях повышения удобства движения.
Элементы ландшафта земной поверхности, в первую очередь
элементы рельефа, почти всегда плавные, чаще всего округленные поверхности, очертания которых связаны с процессами выветривания и
эрозии. Размещение среди них геометрически правильного земляного
полотна автомобильной дороги без серьезных нарушений их контуров
всегда требует отклонения от строгой прямолинейности проложения
56
дороги.
Согласование дороги с ландшафтом должно основываться на
внутренних закономерностях сочетания их элементов, их соотношения с
размерами сооружений самой дороги и не должно противопоставляться
обеспечению транспортно-эксплуатационных качеств сооружений.
Дорога согласовывается с ландшафтом, если она не нарушает его
форм, следует по их граничной зоне у подножья холмов, по опушкам
лесов, по трассам речных долин или вдоль естественной обычно искривленной оси ландшафта, например, водотока, идущего по долине.
Ни один проект дорог не может считаться законченным, если в
нем не будут учтены возможности обустройства территорий водохранилищ. Дороги в таких зонах отличаются следующими особенностями:
1. Пересечение водохранилищ дорогой требует разработки сложных
технических мероприятий по созданию непрерывно действующего
пути (возможное строительство дорогостоящих сооружений, таких
как мосты большой протяженности, значительной высоты, подводные тоннели);
2. Обустройство берегов водохранилищ является важным видом работ
в первые годы их функционирования, и поэтому реализация всех
укрепительных мероприятий должна осуществляться безотлагательно на начальном этапе строительства. Для того чтобы судить о
том, насколько существенны изменения характера деформаций русла и поймы под влиянием регулирования стока воды и наносов, всегда необходимо знать, какие формы имел русловой процесс в естественных условиях, какими факторами определялись его основные
местные особенности [3].
Чтобы сеть дорог у водохранилища функционировала на должном уровне, при трассировании следует учитывать движение большегрузных транспортных средств (автопоезда). Кроме того, особого внимания требует обеспечение движения автотранспорта в обоих направлениях [4].
Превращение простой схемы необходимых дорог (в виде прямых
линий) в реальную представляет собой трудную задачу, которая может
быть решена только на основе учета рельефа местности и процессов,
развивающихся под воздействием переработки его берегов.
Правильное представление о процессе формирования берегов
может быть получено путем внедрения и научного сопровождения региональных систем управления [5], последовательного изучения различных фаз изменения контуров природных водохранилищ на реках.
Такие водоемы возникают из-за случайной запруды, превращающей
речной режим в озерный. Они существуют продолжительное время (от
57
нескольких десятков до тысячи лет) и исчезают после прорыва естественной запруды.
Рассмотрим пример автомобильной дороги II категории в зоне
плотины, ее ширина по гребню составляет 15 м. Гребень плотин конструируют из условий строительных работ и эксплуатации самой плотины, необходимости обеспечения проезда транспортных средств, в том
числе и сельскохозяйственной техники. Ширина же гребня плотины зависит от категории дороги. Водозаборный гидроузел функционирует в
условиях взаимодействия его с речным потоком. В связи с этим его конструкция должна отвечать требованиям и условиям работы сооружений
гидроузла, определяемых режимом речного потока [6].
Целью представленной в данной статье работы является определение оптимального радиуса круговой кривой на участке зоны влияния
водохранилища. От оптимального радиуса в значительной степени зависит комфорт и безопасность движения на данном участке автомобильной дороги.
Проектируя силы, действующие на автомобиль и поверхность
дороги, получим в общем случае величину действующей на автомобиль
суммарной силы:
где
P = C ⋅ cos α ± G ⋅ sin α ,
(1)
Р – поперечная сила, стремящаяся сдвинуть автомобиль с дороги.
Подставляя в формулу значение центробежной силы, получаем
выражение поперечной силы:
P≅
G ⋅ v2
± G ⋅i
g⋅R
(2)
или, разделив обе части уравнения на вес автомобиля, получаем:
P
v2
=
± i.
G g⋅R
(3)
Обозначив отношение P/G через µ, получаем:
μ=
v2
v2
± i или R =
g⋅R
g ⋅ (μ ± i )
.
(4)
Величина радиуса закругления зависит не от абсолютной величины поперечной силы Р, а от ее отношения к весу автомобиля. Это отношение µ называют коэффициентом поперечной силы. Установлено,
58
что величина µ влияет на ощущения пассажиров и водителя транспортного средства.
При проектировании рекомендуется рассчитывать радиусы кривых исходя из условий создания удобств для пассажиров.
Поперечная сила стремится сдвинуть автомобиль от центра кривой наружу. Это может произойти, если поперечная сила превысит силу
сопротивления поверхности покрытия боковому сдвигу. Из этого условия определяют устойчивость автомобиля против заноса.
Удерживающая сила при боковом скольжении шин по поверхности дороги равна произведению давления, нормального к поверхности
дороги, на коэффициент бокового сцепления ϕ 2 .
Положение автомобиля на кривой будет устойчивым, если поперечная сила Р, стремящаяся сдвинуть автомобиль, меньше силы бокового трения, т.е.:

G ⋅ v2 
P ≤ T =  G ±
⋅ i  ⋅ ϕ2 .
g ⋅ R 

(5)
Откуда:
R≥
v2
g ⋅ (ϕ 2 ± i )
.
(6)
В плоскости касания шины колеса с поверхностью дороги, помимо тяговой силы F или тормозного усилия T, действуют поперечная
сила P и поперечная реакция покрытия.
Для равновесия должно быть соблюдено условие:
Q 2 = F 2 + P 2 = (G ⋅ ϕ1 ) + (G ⋅ ϕ 2 ) = (G ⋅ ϕ ) ,
2
2
2
(7)
Откуда:
ϕ 2 = ϕ12 + ϕ 22 ,
где
φ1– коэффициент тяговой или тормозной силы;
φ2 – коэффициент сопротивления покрытия сдвигу.
Коэффициент сопротивления покрытия сдвигу определяется
формулой:
ϕ = ϕ12 + ϕ 22 .
59
(8)
Поперечная реакция, удерживающая автомобиль от скольжения,
равна:
μ =ϕ2 .
(9)
Для обеспечения плавности движения транспорта при больших
скоростях радиусы кривых должны назначаться, возможно, большими,
чтобы избежать устройства (виража) односкатного поперечного профиля [7].
Радиус кривой в плане (R) с заданной величиной риска потери
устойчивости автомобиля определяют по формуле:
R = RM + U ⋅ σ R2 + σ М2 ,
(10)
где
RM – минимальная величина радиуса кривой в плане, составляющая 50% риску потери устойчивости, м;
U – подынтегральная функция, устанавливаемая в зависимости от
величины принятого риска;
σR – допуск на отклонение радиуса кривой в плане, зависящий от
точности разбивочных и строительно-монтажных работ, м;
σM – среднее квадратическое отклонение минимального радиуса
кривой в плане, м.
Минимальная величина радиуса кривой в плане с заданной
величиной риска потери устойчивости автомобиля определяется по
формуле:
R=
(
v2
127 ⋅ ϕ12 − μ х2 + iв
),
(11)
где
v2 – скорость движения, км/ч;
μx – коэффициент тяговой силы;
iB – уклон виража;
φ1 – продольная составляющая коэффициента сцепления при тяговом усилии.
Среднее квадратичное отклонение минимального радиуса зависит от параметров υ, µ, φ:
60
σ min =
(
v
127 ⋅ ϕ12 − μ x2
)
(
)
⋅ 4 ⋅ ϕ12 − μ x2 ⋅ σ v2 +
(
)
v2
⋅ ϕ12 ⋅ σ ϕ2 − μ x2 ⋅ σ μ2x ,
2
2
ϕ1 − μ x
(12)
где
σv – среднее квадратическое отклонение скорости движения:
σ v= 2,2 + 0,22 ⋅ (v − 10) ;
σφ –
сцепления:
среднее
квадратическое
отклонение
(13)
коэффициента
v+5
;
v2
φ – средняя величина коэффициента сцепления;
σ ϕ = 10 ⋅ ϕ ⋅ (1 − ϕ 2 )⋅
(14)
σμх – среднее квадратическое отклонение коэффициента тяговой
силы:
σ μх =
 К ⋅ F ⋅v  2
2
 ⋅ σ v ,
⋅ σ 2f + σ i2 + 
К сц
 6,5 ⋅ m ⋅ g 
(15)
где
σf – среднее квадратическое отклонение коэффициента сопротивления качению;
σi – среднее квадратическое отклонение продольного уклона;
K – коэффициент обтекаемости лобовой площади автомобиля;
F – лобовая площадь, м2;
m – масса автомобиля, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
Kcц – коэффициент сцепления веса, зависящий от условий сцепления ведущих колес с поверхностью дороги [8].
В ходе исследований, выполненных авторами, был определен
проектный радиус в плане. Для дорог II-й категории радиус кривой в
плане должен быть не менее 800 м. Данные расчета приведены в
табл. 1, 2.
61
Таблица 1
Исходные данные к расчету проектного радиуса
автомобильной дороги в плане
Расчетная
скорость,
υ, км/ч
Продольный
уклон, i
Масса
транспорта,
m, кг
Лобовая
площадь,
F, м2
Коэффициент
обтекаемости,
К, кг/м3
Коэффициент
сцепления веса,
Ксц
Риск
потери
устойчивости, r
Скорость
ветра, υв
Уклон
виража, iв
120
0,04
1820
2,3
0,3
0,523
1·10-4
0
0,04
Таблица 2
Средние квадратические отклонения
φ1
σφ
σv
f
µx
Минимальный радиус
потери устойчивости,
Rм
0,56
0,03
6,5
0,035
0,44
200,1
Функция Лапласа определяется из выражения:
Ф = 0,5 − r .
(16)
Среднее квадратическое отклонение коэффициента сцепления
определяется по формуле [6]:
σ f = 0,3 ⋅ f v .
(17)
Среднее квадратическое отклонение продольного уклона равно:
σ i = 0,22 ⋅ i .
(18)
Тогда радиус кривой в плане определяется по выражению:
R = RM + 3,72 ⋅ σ R2 + σ 2M .
Данные расчета представлены в табл. 3.
62
(19)
Таблица 3
Определение проектного радиуса автомобильной дороги в плане
Функция
Лапласа,
Ф
σR
σf
σi
σμx
σM
Проектный
радиус
в плане, R, м
0,49
2,11
0,01
0,02
0,11
198,0
2529,43
Проектный радиус согласно расчетам больше минимального радиуса потери устойчивости и больше минимально допустимого радиуса
для автомобильных дорог II-й категории, что соответствует нормам
проектирования [9].
Дороги, удачно вписанные в ландшафт местности, являются более привлекательными и безопасными для движения, так как частая
смена пейзажей способствует концентрации внимания водителей.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Бабков В. Ф. Сочетание автомобильных дорог с ландшафтом /
В.Ф. Бабков. – М.: Высшая школа, 1964. – 66 с.
Кокодеева Н.Е. Обеспечение безопасности автомобильных дорог
с учетом теории риска / Н.Е. Кокодеева // Строительные материалы. – 2009. – № 11. – С. 80-81.
Михеева О. В. Прогноз деформаций русла в створе плотины (на
примере Чапаевского водохранилища Ершовского района Саратовской области) / О.В. Михеева, Н.М. Колосова, З.П. Иванова //
Научное обозрение. – 2013. – №11. – С. 38-43.
Трескинский С. А. Дороги в зонах водохранилищ / С. А. Трескинский. – М.: Высшая школа, 1966. – 47 с.
Затинацкий С. В. Разработка и создание информационносоветующей службы обеспечения ресурсосберегающего нормирования
орошения
сельскохозяйственных
культур
/
С.В. Затинацкий, О.В. Михеева // Научная жизнь. – 2012. – №3. –
С. 132-134.
Михеева О. В. К вопросу об использовании ковшовых водозаборов
на малых реках / О.В. Михеева // Научная жизнь. – 2012. – №3. –
С. 143-149.
63
7.
8.
9.
Меркулов Е. А.
Городские дороги: учеб. для вузов. /
Е.А. Меркулов. – М.: Высшая школа, 1973. – 455 с.
Столяров В.В. Теория риска в проектировании плана дороги и
организации движения: учеб. пособие / В.В. Столяров // Саратов: Изд-во Саратовского гос. тенх. ун-та, 1995. – 83 с.
Кокодеева Н. Е. Таможенный союз: Нормативное обеспечение /
Н.Е. Кокодеева, В.В. Столяров // Стандарты и качество. –
2011. – № 8. – С. 22-27.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Babkov V. F. Sochetanie avtomobil'nyh dorog s landshaftom /
V.F. Babkov. – M.: Vysshaja shkola, 1964. – 66 s.
Kokodeeva N.E. Obespechenie bezopasnosti avtomobil'nyh dorog s
uchetom teorii riska / N.E. Kokodeeva // Stroitel'nye materialy. –
2009. – # 11. – S. 80-81.
Miheeva O. V. Prognoz deformacij rusla v stvore plotiny (na primere
Chapaevskogo vodohranilishha Ershovskogo rajona Saratovskoj oblasti) / O.V. Miheeva, N.M. Kolosova, Z.P. Ivanova // Nauchnoe obozrenie. – 2013. – #11. – S. 38-43.
Treskinskij S. A. Dorogi v zonah vodohranilishh / S. A. Treskinskij. –
M.: Vysshaja shkola, 1966. – 47 s.
Zatinackij S. V. Razrabotka i sozdanie informacionno-sovetujushhej
sluzhby obespechenija resursosberegajushhego normirovanija oroshenija sel'skohozjajstvennyh kul'tur / S.V. Zatinackij, O.V. Miheeva //
Nauchnaja zhizn'. – 2012. – #3. – S. 132-134.
Miheeva O. V. K voprosu ob ispol'zovanii kovshovyh vodozaborov na
malyh rekah / O.V. Miheeva // Nauchnaja zhizn'. – 2012. – #3. –
S. 143-149.
Merkulov E. A. Gorodskie dorogi: ucheb. dlja vuzov. / E.A. Merkulov.
– M.: Vysshaja shkola, 1973. – 455 s.
Stoljarov V.V. Teorija riska v proektirovanii plana dorogi i organizacii dvizhenija: ucheb. posobie / V.V. Stoljarov // Saratov: Izd-vo
Saratovskogo gos. tenh. un-ta, 1995. – 83 s.
Kokodeeva N. E. Tamozhennyj sojuz: Normativnoe obespechenie /
N. E. Kokodeeva, V. V.Stoljarov // Standarty i kachestvo. – 2011. –
# 8. – S. 22-27.
64
............................................................................................................................
ROAD LANDSCAPE DESIGN PECULIARITIES
IN WATER RESERVOIRS AREA
Ph. D. (Tech.) O.V. Mikheyevа
(Saratov State Agrarian University
named after N.I. Vavilov),
Ph. D. (Tech.) E.Yu. Shmagina
(Saratov State Technical University
named after Yu.A. Gagarin)
Contact information: +7(905)0303893;
+7(905)3825727;
miheevaolya@gmail.com;
shmagina.e.yu@mail.ru
This article concerns the basic principles of landscape design for
roads in the water reservoir zone and their integrating into the landscape.
The calculations of road optimum radius are presented.
Key words: road, landscape design, horizontal curve radius, water reservoir,
risk magnitude.
Рецензент: канд. техн. наук Н.А. Лушников (ФГУП «РОСДОРНИИ»)
Статья поступила 17.01.2014 г.
65