CN116910875A - 一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于基础设施绿色可持续产品评价技术领域，并公开了一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，包括：获取沥青路面参数并进行沥青路面服役性能仿真，得到路面服役性期指标，进行沥青路面技术状况评价指标仿真，得到沥青路面技术状况评价指标；对沥青路面技术状况评价指标进行判断，得到不同养护工程方案，获取各个养护工程和沥青路面运营阶段的环境排放量化数据，进行沥青路面运维阶段的环境影响评价，得到各个养护工程的环境影响归一化评价结果并进行比较，确定生态效益最优的沥青路面养护规划方案。本发明技术方案能够对沥青路面运维阶段的服役性能进行合理的量化预测，实现考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划。
Description
技术领域
本发明属于基础设施绿色可持续产品评价技术领域，特别是涉及一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法。
背景技术
科技的进步在给人类带来便捷的同时也带来了一系列的环境问题。对于交通领域而言，我国目前公路总里程规模位居世界第一，而沥青路面作为高等级公路的铺装首选，其在路面建设、养护和运营阶段均会造成大量的污染物排放。因此，如何定量评价沥青路面运维阶段的环境影响也是道路领域的重要任务。
目前，对于沥青路面的养护作业，主要通过逐年的路面状况实测数据进行实施，而无法做到在路面建成前进行合理的养护预测和规划，进而更无法进行运维阶段的环境影响比较研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，包括：
获取沥青路面参数数据，基于所述沥青路面参数数据进行沥青路面服役性能仿真，得到路面服役性期指标数据，对所述路面服役性期指标数据进行沥青路面技术状况评价指标仿真，得到沥青路面技术状况评价指标数据；
对所述沥青路面技术状况评价指标数据进行判断，得到不同养护工程方案，分别获取各个养护工程的环境排放量化数据；
获取沥青路面运营阶段的环境排放量化数据，基于所述沥青路面养护工程的环境排放量化数据和所述各个养护工程的环境排放量化数据进行沥青路面运维阶段的环境影响评价，得到各个养护工程的环境影响归一化评价结果，对所述各个养护工程的环境影响归一化评价结果进行比较，确定生态效益最优的沥青路面养护规划方案。
可选的，所述沥青路面参数数据包括沥青路面服役过程中的交通荷载参数、气候参数和材料性能参数。
可选的，所述路面服役性期指标数据包括路面服役性期的裂缝、车辙和平整度。
可选的，所述沥青路面技术状况评价指标数据包括路面平整度指标、路面车辙指标、路面损坏指标和路面使用性能指数；
其中，获取所述路面平整度指标和所述路面车辙指标的过程包括：
获取公路技术状况评定标准资料数据，通过所述公路技术状况评定标准资料数据获取所述所述路面平整度指标和所述路面车辙指标；
获取所述路面损坏指标的计算公式为：
式中：i为路面损坏类型，包括横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝；a0,a1为沥青路面分别采用15.00和0.412；Ai为第i类路面损坏的累计面积，其中横向、纵向裂缝为长度×0.2m；A为路面总面积；wi为路面损坏的换算系数，轻型损害为0.6，重型损害为1.0；
获取所述路面使用性能指数的计算公式为：
PQI＝wPCIPCI+wRQIRQI+wRDIRDI
式中：wPCI,wRQI,wRDI为路面平整度指标PCI、路面车辙指标RQI、路面损坏指标RDI在路面使用性能指数PQI中的权重，对于高速公路和一级公路分别为0.40、0.45、0.15，对于二、三、四级公路分别为0.6、0.4、0。
可选的，获取所述各个养护工程的环境排放量化数据的过程包括：
对沥青路面技术状况评价指标数据中各个指标的曲线进行判断，基于判断结果得到养护工程时机以及所述不同养护工程方案；
其中，所述不同养护工程方案包括无养护方案、预防性养护方案和矫正性养护方案，其中根据规范确定的养护方案为矫正性养护方案，在运维期多进行一次罩面养护工程的为预防性养护方案；
通过资料调研或工程实测，确定各个养护工程的环境排放量化数据，包括所实施养护工程的原材料生产、运输和施工全过程的环境排放清单。
可选的，获取所述沥青路面运营阶段的环境排放量化数据的计算过程为；
式中：i为路面运营期的车辆类型；ΔF为计算月的车辆平均额外油耗总量；Fi′为单辆第i种车型在路面初始IRI下所计算油耗情况；Fi为单辆第i种车型在测算月的IRI下所计算油耗情况；ni为第i种车型整月通过研究路段的车辆数；ρi为第i种车型所用燃油的密度；
获取单位燃油的污染物排放数据，基于单位燃油的污染物排放数据和沥青路面运营期的车辆总额外油耗获取所述沥青路面运营阶段的环境排放量化数据。
可选的，获取各个养护工程的环境影响归一化评价结果的过程包括：
对各个养护工程和沥青路面运营阶段的环境排放量化数据进行不同环境影响指标的特征化计算，得到环境影响指标的特征化结果并对特征化结果进行归一化处理，得到各个养护工程的环境影响归一化评价结果，完成沥青路面结构环境负荷的定量评价；
其中，获取各个养护工程的环境影响归一化评价结果的计算公式包括：
式中，j＝1,2,3,4,5分别表示温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化；z为污染物项目数量；Ej为沥青路面运维期第j项环境影响指标的特征化结果；Ei为沥青路面运维期污染物i的排放量；TFji为计算j环境影响指标时，第i种污染物对应的特征化因子，特征化因子可通过ReCiPe环境影响评价方法查询得到；Nj表示第j项环境影响的归一化结果；Fj表示第j项环境影响的归一化系数。
本发明的技术效果为：
本发明提供的一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法包括获取沥青路面参数数据，基于所述沥青路面参数数据进行沥青路面服役性能仿真，得到路面服役性期指标数据，对所述路面服役性期指标数据进行沥青路面技术状况评价指标仿真，得到沥青路面技术状况评价指标数据；对所述沥青路面技术状况评价指标数据进行判断，得到不同养护工程方案，分别获取各个养护工程的环境排放量化数据；获取沥青路面运营阶段的环境排放量化数据，基于所述沥青路面养护工程的环境排放量化数据和所述各个养护工程的环境排放量化数据进行沥青路面运维阶段的环境影响评价，得到各个养护工程的环境影响归一化评价结果，对所述各个养护工程的环境影响归一化评价结果进行比较，确定生态效益最优的沥青路面养护规划方案。
本发明针对沥青路面运维期的生态效益评价无法在路面建设前进行定量预测的问题，提供一种考虑路面交通荷载、气候和材料性能的沥青路面运维期的服役性能预测方法，并基于路面技术状况仿真结果，定量沥青路面养护工程和运营两阶段的环境影响，最终实现考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划，本发明对沥青路面运维阶段的服役性能进行合理的量化预测，并对沥青路面养护方案之间的环境影响和生态效益进行评价分析，对沥青路面服役期的绿色维养有着重要的参考价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法的流程图；
图2是本发明实施例中的沥青路面服役性期的裂缝、车辙和平整度结果；
图3是本发明实施例中的沥青路面服役性能指标仿真结果；
图4是本发明实施例中的沥青路面运营阶段平整度仿真结果；
图5是本发明实施例中的沥青路面运维期生态效益归一化结果对比图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
如图1-图5所示，本实施例中提供了一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，包括：
获取沥青路面参数数据，基于所述沥青路面参数数据进行沥青路面服役性能仿真，得到路面服役性期指标数据，对所述路面服役性期指标数据进行沥青路面技术状况评价指标仿真，得到沥青路面技术状况评价指标数据；对所述沥青路面技术状况评价指标数据进行判断，得到不同养护工程方案，分别获取各个养护工程的环境排放量化数据；获取沥青路面运营阶段的环境排放量化数据，基于所述沥青路面养护工程的环境排放量化数据和所述各个养护工程的环境排放量化数据进行沥青路面运维阶段的环境影响评价，得到各个养护工程的环境影响归一化评价结果，对所述各个养护工程的环境影响归一化评价结果进行比较，确定生态效益最优的沥青路面养护规划方案。
步骤一，收集沥青路面参数，进行沥青路面服役性能仿真；
选定沥青路面服役性能仿真软件，确定沥青路面服役过程中的交通荷载参数，气候参数和材料性能参数，通过仿真软件计算得到路面服役性期的裂缝、车辙和平整度等指标结果。
步骤二，进行沥青路面技术状况评价指标仿真；
根据《公路技术状况评定标准》(JTG5210-2018)中的路面技术状况评定方法，将路面服役期仿真得到的裂缝、车辙和平整度结果整合计算得到路面平整度(RQI)、路面车辙(RDI)、路面损坏(PCI)和路面使用性能指数(PQI)。其中RQI和RDI指标参考《公路技术状况评定标准》(JTG5210-2018)中的计算公式，其中PCI的计算方法如公式(1)所示：
式中：i—路面损坏类型，包括横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝；a0，a1沥青路面分别采用15.00和0.412；Ai—第i类路面损坏的累计面积，其中横向、纵向裂缝为长度×0.2m(m2)；A—路面总面积(m2)；wi—路面损坏的换算系数，轻型损害为0.6，重型损害为1.0；
其中PQI的计算方法如公式(2)所示：
PQI＝wPCIPCI+wRQIRQI+wRDIRDI (2)
式中：
wPCI，wRQI，wRDI—PCI、RQI、RDI在PQI中的权重，对于高速公路和一级公路分别为0.40、0.45、0.15，对于二、三、四级公路分别为0.6、0.4、0。
步骤三，进行沥青路面养护工程的环境排放量化；
根据《公路沥青路面养护技术规范》(JTG5142-2019)的要求，通过步骤二仿真得到的沥青路面RQI、RDI、PCI、PQI的曲线判断养护工程时机和具体的养护工程方案。其中包含无养护方案、预防性养护方案和矫正性养护方案，其中根据规范确定的养护方案为矫正性养护方案，在运维期多进行一次罩面养护工程的为预防性养护方案。通过资料调研或工程实测，确定所实施养护工程的原材料生产、运输和施工全过程的环境排放清单。
步骤四，进行沥青路面运营阶段的环境排放量化；
对于沥青路面运营阶段的环境影响，以路面建成时IRI所计算的各车型油耗为基准值，计算由于路面IRI值逐月增加所导致的车辆油耗增量的差值，所造成的环境影响定义为沥青路面运营阶段，由于服役状况下降所导致的环境负荷，具体计算方法如公式(3)所示。
式中：i为路面运营期的车辆类型；ΔF为计算月的车辆平均额外油耗总量(kg)；Fi′为单辆第i种车型在路面初始IRI下所计算油耗情况(L/100km)；Fi为单辆第i种车型在测算月的IRI下所计算油耗情况(L/100km)；ni为第i种车型整月通过研究路段的车辆数；ρi为第i种车型所用燃油的密度(kg/L)；
得到沥青路面运营期的车辆总额外油耗之后，通过单位燃油的污染物排放数据，得到沥青路面运营期的总环境排放清单。
步骤五，进行沥青路面运维阶段的环境影响评价；
将上述沥青路面运维期排放结果划分到温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化五种环境影响中，进行各个环境影响的特征化计算，以反映沥青路面运维期的各物质所造成特定环境影响的潜值，具体的计算方法如公式(4)所示：
式中，j＝1，2，3，4，5分别表示温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化；z—为污染物项目数量；Ej—为沥青路面运维期第j项环境影响指标的特征化结果；Ei—为沥青路面运维期污染物i的排放量；TFji—为计算j环境影响指标时，第i种污染物对应的特征化因子(kgeq/kg)，特征化因子可通过ReCiPe环境影响评价方法查询得到。
在沥青路面运维期环境影响特征化评价后，为进一步对五种环境影响之间的相对大小进行比较，对特征化结果进行归一化处理，使其环境影响结果转化为相同量纲，具体的计算方法如公式(5)所示：
式中，Nj表示第j项环境影响的归一化结果；Fj表示第j项环境影响的归一化系数。
步骤六，确定生态效益最优的沥青路面养护规划方案；
比较沥青路面运维期无养护方案、预防性养护方案和矫正性养护方案之间的生态效益差异，结合经济性确定沥青路面最佳养护方案。
以我国北方某省高速公路沥青路面项目工程中，我国高速的典型沥青路面结构为例，上面层为4cm的SBS改性沥青混凝土，中面层及下面层分别为6cm和8cm的基质沥青混凝土，应用本发明提出的沥青路面养护规划方法，对沥青路面的服役情况进行仿真，并对不同养护方案的生态效益进行量化评价。
收集沥青路面参数，进行沥青路面服役性能仿真；
本案例对于沥青路面服役性能仿真选择MEPDG软件，其中交通荷载参数选择河北省某高速自动监测站2018年的双向年平均日交通量和车辆轴载分布系数，交通量年平均增长率假设为3％，其余参数采用MEPDG系统默认值；气候参数选择国家气象科学数据中心和河北省气候站数据中的每小时空气温度、每小时降雨量、每小时风速、每小时日照百分比、每小时相对湿度和平均地下水位数据输入软件；
材料性能参数中对于沥青胶结料的动态剪切模量输入实验室测试结果，其他性能参数则采用MEPDG软件中水平2或水平3的数据。通过仿真软件计算得到路面服役性期的裂缝、车辙和平整度等指标结果，如附图1所示。
进行沥青路面技术状况评价指标仿真；
根据《公路技术状况评定标准》(JTG5210-2018)中的路面技术状况评定方法，将路面服役期仿真得到的裂缝、车辙和平整度结果整合计算得到路面平整度(RQI)、路面车辙(RDI)、路面损坏(PCI)和路面使用性能指数(PQI)。其中RQI和RDI指标参考《公路技术状况评定标准》(JTG5210-2018)中的计算公式，其中PCI的计算方法如公式(1)所示；
最终得到沥青路面服役过程中路面平整度(RQI)、路面车辙(RDI)、路面损坏(PCI)和路面使用性能指数(PQI)指标仿真结果如附图2所示。
进行沥青路面养护工程的环境排放量化；
根据《公路沥青路面养护技术规范》(JTG5142-2019)的要求，本例两种高速公路沥青路面的养护要求，除了RDI≥75，其余三个指标均需要≥80。通过仿真得到的沥青路面RQI、RDI、PCI、PQI的曲线。对于本例沥青路面的矫正性养护方案需要在第九年进行罩面养护工程即可规范满足要求，为方案一。而预防性养护方案需要在五年和第十年进行罩面养护工程，为方案2。后续通过对罩面养护工程的排放清单调研，确定本例的两养护方案的环境排放清单如表1所示。
表1
进行沥青路面运维阶段的环境影响评价；
根据沥青路面运维期的排放特征，选择温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害和水体富营养化，作为评价沥青路面运维期环境影响量化评价的环境影响类型，并对影响因子和主要污染物进行归类，如表3所示，其中，表3为环境影响类型及主要污染物；
表3
根据选择的特征化因子，对沥青基污染物的排放数据清单进行特征化处理，通过该步骤可以将造成同种环境影响的污染物质进行合并，将清单分析的结果用特征化因子换算成统一单位。之后为进一步对比各环境影响之间的相对大小，使用归一化因子对特征化结果进行归一化处理，最终形成单一环境影响指标值，从而说明不同环境影响类型数据的对比情况。沥青路面运维期归一化指标结果如表4所示。
表4
确定生态效益最优的沥青路面养护规划方案；
根据环境影响的归一化评价结果，可以三种养护规划下的沥青路面运维期生态性能之间的差异，如附图4所示。其中归一化结果越大，代表该材料所造成的环境负荷越大，则其生态性能越差。由图可以看出，对于不同养护规划的运维期所造成的环境影响主要均为温室效应、光化学烟雾形成和酸化效益；不进行任何养护措施的沥青路面虽然没有养护工程所造成的环境影响，但整体运维阶段要比其它两方案高出32％的环境负荷，而矫正性养护方案和预防性养护方案两者虽然在养护工程和运营阶段两方面的差异较大，但总体环境影响几乎无差异。但考虑经济性，矫正性养护工程可以减少一次沥青罩面的施工，因此体现出更优的生态效益。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，其特征在于，包括：
获取沥青路面参数数据，基于所述沥青路面参数数据进行沥青路面服役性能仿真，得到路面服役性期指标数据，对所述路面服役性期指标数据进行沥青路面技术状况评价指标仿真，得到沥青路面技术状况评价指标数据；
对所述沥青路面技术状况评价指标数据进行判断，得到不同养护工程方案，分别获取各个养护工程的环境排放量化数据；
获取沥青路面运营阶段的环境排放量化数据，基于所述沥青路面养护工程的环境排放量化数据和所述各个养护工程的环境排放量化数据进行沥青路面运维阶段的环境影响评价，得到各个养护工程的环境影响归一化评价结果，对所述各个养护工程的环境影响归一化评价结果进行比较，确定生态效益最优的沥青路面养护规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，其特征在于，
所述沥青路面参数数据包括沥青路面服役过程中的交通荷载参数、气候参数和材料性能参数。
3.根据权利要求1所述的一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，其特征在于，
所述路面服役性期指标数据包括路面服役性期的裂缝、车辙和平整度。
4.根据权利要求1所述的一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，其特征在于，
所述沥青路面技术状况评价指标数据包括路面平整度指标、路面车辙指标、路面损坏指标和路面使用性能指数；
其中，获取所述路面平整度指标和所述路面车辙指标的过程包括：
获取公路技术状况评定标准资料数据，通过所述公路技术状况评定标准资料数据获取所述所述路面平整度指标和所述路面车辙指标；
获取所述路面损坏指标的计算公式为：
式中：i为路面损坏类型，包括横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝；a0,a1为沥青路面分别采用15.00和0.412；Ai为第i类路面损坏的累计面积，其中横向、纵向裂缝为长度×0.2m；A为路面总面积；wi为路面损坏的换算系数，轻型损害为0.6，重型损害为1.0；
获取所述路面使用性能指数的计算公式为：
PQI＝wPCIPCI+wRQIRQI+wRDIRDI
式中：wPCI,wRQI,wRDI为路面平整度指标PCI、路面车辙指标RQI、路面损坏指标RDI在路面使用性能指数PQI中的权重，对于高速公路和一级公路分别为0.40、0.45、0.15，对于二、三、四级公路分别为0.6、0.4、0。
5.根据权利要求1所述的一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，其特征在于，
获取所述各个养护工程的环境排放量化数据的过程包括：
对沥青路面技术状况评价指标数据中各个指标的曲线进行判断，基于判断结果得到养护工程时机以及所述不同养护工程方案；
其中，所述不同养护工程方案包括无养护方案、预防性养护方案和矫正性养护方案，其中根据规范确定的养护方案为矫正性养护方案，在运维期多进行一次罩面养护工程的为预防性养护方案；
通过资料调研或工程实测，确定各个养护工程的环境排放量化数据，包括所实施养护工程的原材料生产、运输和施工全过程的环境排放清单。
6.根据权利要求1所述的一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，其特征在于，
获取所述沥青路面运营阶段的环境排放量化数据的计算过程为；
式中：i为路面运营期的车辆类型；ΔF为计算月的车辆平均额外油耗总量；Fi′为单辆第i种车型在路面初始IRI下所计算油耗情况；Fi为单辆第i种车型在测算月的IRI下所计算油耗情况；ni为第i种车型整月通过研究路段的车辆数；ρi为第i种车型所用燃油的密度；
获取单位燃油的污染物排放数据，基于单位燃油的污染物排放数据和沥青路面运营期的车辆总额外油耗获取所述沥青路面运营阶段的环境排放量化数据。
7.根据权利要求1所述的一种考虑生态效益的沥青路面全生命周期养护规划方法，其特征在于，
获取各个养护工程的环境影响归一化评价结果的过程包括：
对各个养护工程和沥青路面运营阶段的环境排放量化数据进行不同环境影响指标的特征化计算，得到环境影响指标的特征化结果并对特征化结果进行归一化处理，得到各个养护工程的环境影响归一化评价结果，完成沥青路面结构环境负荷的定量评价；
其中，获取各个养护工程的环境影响归一化评价结果的计算公式包括：
式中，j＝1,2,3,4,5分别表示温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化；z为污染物项目数量；Ej为沥青路面运维期第j项环境影响指标的特征化结果；Ei为沥青路面运维期污染物i的排放量；TFji为计算j环境影响指标时，第i种污染物对应的特征化因子，特征化因子可通过ReCiPe环境影响评价方法查询得到；Nj表示第j项环境影响的归一化结果；Fj表示第j项环境影响的归一化系数。
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- 2023-07-26 CN CN202310920419.8A patent/CN116910875B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116910875B (zh) | 2024-03-01 |
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