道路设计与养护标准模型 4页

现代路面管理第三十八章第三十八章道路设计与养护标准模型38．1背景道路设计与养护标准模型(简称HDM)是由世界银行发展起来，对道路改建和养护对策的方案选挥进行经济分析的一个普遍适用的工具。HDM应用经验关系来预测路面使用性能和车辆营运费用。这些关系是由肯尼亚的道路运输和研究实验室以及巴西的GEIPOT和德克萨斯州研究和发展基金会经过大量数据采集后建立起来的。在印度和加勒比海进行的研究主要是提供数据来发展和标定HDM。世界银行发展了HDM这一最新方法。HDM可被应用于网级和项目级水平。它特别适合于用来对路面补强、小修、提高平整度等措施进行经济效益的分析。下文概述模型的基本概念和结构。38．2模型的描述HDM模型的基本概念非常简单。如图38．1所示。发生在不同时间的三个相关的费用通过贴现率转换为并加在一起。费用由首次预测的需消耗资源的数量乘以单位成本来决定。模型中考虑了道路修建费、养护费和用户费。车辆运行速度是决定车辆营运费用的一个主要因素。车速通过综合的概率型函数来估算，考虑了道路的几何设计、表面状况、车辆类型和驾驶员行为。HDM模型用来对各种对策作费用比较和经济评价，包括不同时间段的对策。它适用于一个给定的项目或是整个路网。它能够对大量的可选方案快速预测其在30年内的总费用，并以假定的不同贴现率把将来的费用转换为现值以便决策者选择费用最低的方案。此外，决策者也可以采用收益率、净现值或初期费用等办法进行比较。模型的其它用途，比如说，应用费用预算模型，可能估算设计和养护方案的路面残值。对于多年预算控制下的整个道路系统，它将减小总的贴现费用或增加净现值。除了对可选方案进行比较，模型还可用于敏感性分析。它检测模型中包含关键变量，如单位成本交通增长率、贴现率和行程时间费用的变异对方案选择的影响。表38．1从输出要求、限值、输出信息等方面对模型的适用范围作了规定。表38．1HDM-Ⅲ模型的输入与输出·61· 现代路面管理第三十八章输入限值连线特征(已建道路和环境因素)20条连线修建项目和费用(各连线加宽和新建标准)50个项目，每个项目最多历时5年养护标准和单位成本30条标准车队特征和单位成本9种车型交通量、交通分布和增长率20组外部费用和效益20组连线选择100研究、经济比较和敏感性分析的数量5种研究，经济比较的方案不超过50个研究、经济比较和敏感性分析的数量报告要求最多500个分析期30年续表38．1输出路面养护概况年路面养护费用年交通量年道路状况年用户费和资源消耗可选方案的经济和外汇价格可选方案的费用比较通过贴现率对方案比较进行概述从表38．1可见，模型能够用来计算二十条不同的道路连线，每一条连线包含十个不同设计标准和环境状况的路段。每一条连线可有一个不同的交通量。另外，不同的养护标准可用于不同的路段。在任何时候，任何路段均可被升级(例如，从土路到砾石路，或从砾石路到铺面路)。道路可改线或加宽。计算机运行一次，可对五十个方案进行比较。当然，为了进行比较，模型必须对各种情况给出详细说明，包括修建计划、设计标准、养护及用于分析的政策，以及单位成本、设计交通量、环境状况。由于在编译这些输入信息时存在错误的可能，模型包含了一个通用的检查程序。它能检查出输入信息的格式错误和内部的不一致性。当发现这样的错误或不一致性时，以及程序超出使用范围时，计算机自动给出警告信息。一旦某一明显的输入错误被改正过来，模型即可预估车速、车辆行驶中各种资源的消耗以及各种组合中道路的损坏和养护资源的消耗。不同设计方案所需的道路修建费用可以由模型预估，当存在许多特殊情况时，也可由使用者直接指定。当修建、养护和车辆营运费都已估算出，使用者指定的价格和单位成本即可用来决定财政和经济费用。然后从相对效益、现值和收益率方面进行比较。在指定哪些结果写入报告中，使用者有一个大的选择范围。对一条连引导进行方案选择，共模型的建立如图38．2所示。由于一些模型关系具有高度复杂的非线性形式，在HDM·61· 现代路面管理第三十八章中采用模拟方法而不是其它正规的优化技术。模型中用到的“优化”仅仅是对那些经贴现后具有较高净收益的一组可选方案进行选择。38．2．1模型的背景在肯尼亚和巴西，研究的第一步就是量测每一试验路段恒定的特征值，它包括道路的几何特性，例如宽度，尺寸、坡降和曲率。更为重要的是要决定路面每一层的特性。它包括强度、各层厚度、粒径分布、密度、含水量和塑性。在两地的研究中，路面强度均以结构数SN表示，它来源于AASHO试验路。肯尼亚和巴西用于计算SN的方法略有不同。在巴西，连接材料的结构系数是建立于水泥稳定料的抗压强度和地沥青砼及沥青粘结料的回弹模型基础之上的。但是，在两地的研究中，土路、砾石路的层间系数以及土基对SN的贡献，都是建立在CBR试验基础之上的。在各地的研究过程中，定期检查每一试验路段的状况。另外，两地都对相同类型的参数进行评估，即裂缝、坑槽、车辙深度、粗糙度和路表弯沉。但是关于这一点，在量测仪器和模型概念上有一点值得注意的分歧，特别是关于定义和分析裂缝、坑槽，以及定义和量测路表粗糙度。这一点导致在使用性能预测公式的形成中出现相当大的不同。肯尼亚的公式是连续函数形式，每一种路面损坏函数与其它函数相互独立。换句话说，即各种损坏模式平行发展，这形成了相对直接了当的函数形式，但是它遗漏了路面损坏中的一些因果关系。巴西的研究建立于事件的因果关系之上，但是这样做导致了不连续性，增加了计算错误。38．2．2路面损坏与养护结果肯尼亚和巴西的研究提高了我们预测通常养护制度下路面损坏状况的能力，特别是提供了这样一种定量关系：在咱面使用寿命期末，能够给出合理的结果。除了对持续损坏路面进行重复养护后产生的影响需进一步研究外，可选的养护对策对未铺装路面产生的影响可以很好地定量表示，对铺装路面也可以合理地定量表示。对于铺路面，巴西研究建立了一种适用于一般养护下新建道路的关系模型。模型中重要的因素是增量形式以及交通和时间变量。在巴西的研究中，粗糙度和裂缝的预测产非简单的校对模型。在裂缝和表面剥落关系模型中，尽管修建经验和材料特性在路网分析中不能简单地定量表示，但它们具有重要影响，因此建议采用分段的线性模式。养护对铺路面损坏速率的影响，还不能很好地定量表示。在巴西的研究中，养护前后的主要区别在于裂缝。但是，排除模型中定量表示的初期影响，在提高平整方面的一些显著的不同可以通过强度参数的变化得以很好地量化。近来在具尼亚进行的研究显示了在明显可以忽略的强度变化下进行多次路面填缝可以显著减少路面不平整。因此需要研究持续养护后的影响。在肯尼亚和巴西的研究中，忽略了降水对铺路面的影响。对于未铺路面，肯尼亚的研究显示了降水对砾石路面砾石损失的微小影响，而巴西的研究同时显示了降水对粗糙度和砾石损失的微小影响。在铺路面模型中，相对较小的降水量影响不适用于高降水量地区或是低强度降水气候，这一方面需进一步研究。裂缝数量影响路面车辙深度和粗糙度。这一点可从路面各导受到水的渗透这现象中得以很好的理解。38．2．3模型的标定·61· 现代路面管理第三十八章如前文所指出，某些一般性的模型，如材料使用性能、车辆营运状况以及表面粗糙度对一车辆运行速度和营运费用的影响，可被用于气候条件大致相同的不同国家。但是，模型中的参数需要另行确定，以便更好地反映各地的不同情况。在HDMⅢ程序中，至少要对路面损坏系数作出适当调节，以便与实际情况相符。38．3小结世界各地情况不同，为了反映这样一系列广泛而复杂的现象，我们必须注意到：相对于其它模型而言，有些模型较好理解，有些较好确定。寿命周期费用模型还不成熟，需要进一步的研究：(1)改进和加强各种预测模型的可靠性，在模型中要能够反映其它重要现象，特别是交通阻塞；(2)估算模型的传递能力和进一步提高模型在不同的物理和经济环境下的可靠性。·61·