道路表面水膜厚度对摩擦系数的影响研究

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1、道路表面水膜厚度对摩擦系数的影响研究学号：080606122姓名：俞力超（南京林业大学土木工程学院交通土建工程系）摘要：本文主要研究了道路表面水膜厚度的影响因素，水膜对轮胎与路面接触的影响。关键词:降雨；路表水膜厚度;动力滑水1国内外发展现状降雨在公路表面汇集的水流问题，属于水文学研究的范畴。水文学中的坡面水流是指，流域在发生降雨情况下，降雨扣除植物截留、填洼和下渗等损失后，沿坡地地面流动的一种水流。坡面水流不受边坡的约束而沿重力的分量方向流动，不仅降雨强度和降雨历时影响坡面水流，而且坡面特性也影响坡面水流的流态。降雨在路面上引起的

2、水流运动，不发生截留和填洼，比水文学中的坡面水流影响因素要少。在水文学中，坡面水流属于产汇流理论的一个分支，它的研究是箍着产汇流理论的发展而发展。产汇流理论是在19世纪以后逐步建立和发展起来的，1856年达西提出的渗流力学的基本理论——达西定律，以及1871年圣维南导出的明渠缓变不恒定流的基本微分方程组——圣维南方程组，为研究产汇流理论的地面水流、河道水流、土壤中水流和地下水水流的运动规律奠定了理论基础。此后，坡面流在理论和试验方面都得到了深入的研究和发展。水文学中，坡面水流的运动波特征用圣维南方程组来描述。对于二维矩形坡面，在其宽

3、度方向取单位长度，就可以转化为一维坡面，其运动波可用下面的圣维南方程组描述:方程组(1-1)没有解析解，因此，在坡面流情况下一般总是根据具体情况对此进行合理的简化，然后求其解析解或者数值解。简化求解上述的方程组，有两种模型。一种是通过水文学途径得到的集总式运动波模型。另一种是通过水力学途径得到的分散式运动波模型。水文学解法是用水量平衡方程代替圣维南方程组中的第一个方程，用蓄量方程来代替第二个方程。早在1944年，依扎德就根据规整的铺砌坡面上的试验资料，证明上述的近似代替方法是可行的。根据水量平衡方程和蓄量方程可以解出坡面水流上涨段和

4、退水段的解析解。水力学解法是对圣维南方程组无因次化，引入运动流数岸，把偏微分方程组变为常微分方程组，并且作变量代换，然后将新变量对应的线性微分方程按幂级数展开求解，最后得到近似的解析解。由于圣维南方程组没有解析解，只能通过简化得到近似的解析解，就有学者利用数学方法得剑方程组的数值解。坡面流的数值解包括有限差分解和有限元解，有限差分法和有限元法在坡面流的数值解方面得到广泛的应用。有限差分法求解坡面水流有两种方法，一是特征线差分法，就是首先将圣维南方程组转化为特征线方程，然后再用差分法求解；二是直接差分法，这种方法是采用矩形网格直接对圣

5、维南方程组进行显式或者隐式差分，隐式差分是无条件稳定的，显式差分时必须选定矩形网格的尺寸满足柯朗条件，才能稳定求解。坡面流的有限元解是应用伽辽金法，把坡面流的定解问题写成对应的积分形式。将原问题较复杂的求解区域划分为较规则的子区域．然后对各单元进行分析得到单元矩阵，使基本微分方程变成代数方程，加入求解问题的边界条件，求解总体代数方程，得到问题的解。此外，还可以通过模拟试验的途径，研究坡面水流的机制。国外从事这方面的试验工作比较早。1946年美国的伊萨德利用水槽研究了均匀降雨条件下的坡面漫流，得出了可以用假设的出流与蓄量关系代替动力方

6、程的结论。1955年日本京都大学岩恒雄一利用长24m，宽19．6m的铝制水稽，研究侧向均匀供水的地表径流机制。匈牙利的涅姆斯、苏联齐蒙特和捷克的涅迈茨等对这方面也做了研究。1971年，美国的Smith和Woohiser在室内研究了渗透地表上的坡面流过程””，试验所用士槽尺寸为12．1×0．05×I．22m。我国动力水文试验比较少，但也取得了不少成果。水利水电科学院朱咸等利用室内不透水流域模型检验单位线假定的试验研究，不仅首先由试验证实了汇流现象的非线性，而且为实际生产中的非线性改正提供了基本依据。铁道科学院西南研究所的吴学鹏等通过不

7、透水表面汇流试验，分析比较了坡面汇流的各种理论和计算方法。中国科学院地理研究所、南京水文水资源研究所、黄河水利委员会合作进行的大型土柱入渗试验，揭示了降雨入渗过程的若干规律。西安理工大学的沈晋等针对西北黄土地区的坡面，进行了坡面降雨产流试验和模拟研究，通过试验详细观测分析了降雨过程中坡面表层土壤水分运动产流过程，研究了黄土坡面的入渗特性和漫流特征。吴彰春等在1995年对坡面汇流进行了试验研究，通过室内模拟的降雨汇流试验，分析了降雨强度、雨型、坡面形状、坡度和粗糙度等因素对坡面汇流的影内，着重探讨了雨强与洪峰流量及汇流时间的关系、雨型

8、对洪峰流量的影响规律等问题，对坡面汇流的理论研究及小流域的径流计算都具有现实的意义。在我国北方黄土地区和南方花岗岩地区修建公路、铁路时，由于线路工程开挖路堑，使天然条件下较为缓’漫的自然侵蚀过程在很短的时间内迅速转变为工程性加速冲刷过