大型水電站重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文劍鋒，楊鵬程，楊子舟（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南長沙410000）

大型水電站重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文劍鋒，楊鵬程，楊子舟（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南長沙410000）

由于大型水電站施工作業(yè)范圍大，車輛量較多，這就意味著車載負(fù)荷大，因此需要對大型水電站的交通參數(shù)、結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析，制定科學(xué)合理的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，保證設(shè)計(jì)方案可滿足大型水電站重載交通運(yùn)行要求。本文就大型水電站重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，供相關(guān)人士參考。

大型水電站；重載交通；水泥混凝土；路面結(jié)構(gòu)

1 引言

近些年，重載交通設(shè)計(jì)受到了廣泛關(guān)注，重載交通是指車輛軸載偏重，胎壓偏高或者是軸載作用次數(shù)較多，交通繁忙。隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，公路運(yùn)輸不斷呈現(xiàn)出大交通量和（特）重載交通的特點(diǎn)，車輛超載已成為一個普遍存在的問題，它對道路路面的正常使用具有極大的影響，是路面使用初期產(chǎn)生各種破壞的主要原因。因此，在路面設(shè)計(jì)中必須考慮重載交通的影響。

2 重載交通下路面的主要損害類型

目前，我國超載超限運(yùn)輸車輛普遍存在，特別是大型水電站等仍有增長趨勢。據(jù)相關(guān)調(diào)查資料顯示，重載道路上通常存在著較為嚴(yán)重的車轍、裂縫等損壞現(xiàn)象。重載交通使得道路的損壞程度加大、破損期提前。①車轍。車轍是重載交通作用下路面最典型的破壞形式之一。它的出現(xiàn)不僅會縮短路面使用壽命，還會影響行車舒適性、危及行車安全。分析認(rèn)為，產(chǎn)生車轍的主要原因是混合料的經(jīng)過反復(fù)重壓產(chǎn)生較大變形。通過對重載交通下路面產(chǎn)生車轍的原因分析，深入研究抗車轍的混合料，防止或減少車轍的產(chǎn)生。②疲勞開裂。重載交通下，路面承受的累計(jì)當(dāng)量軸次增加，路面材料所能承受的疲勞應(yīng)力降低，路面結(jié)構(gòu)層就容易產(chǎn)生裂縫。重復(fù)的重荷載作用使得裂縫應(yīng)力集中，以復(fù)雜的形式自上而下擴(kuò)展，最終導(dǎo)致路面疲勞開裂。路面性能、級配、混合料的性質(zhì)以及道路的結(jié)構(gòu)形式對疲勞耐久性都有一定的影響。③其他損害。重載交通使得路面的病害提前出現(xiàn)，特別是雨季，導(dǎo)致了路面松散、剝落、坑槽等病害，水的反復(fù)作用使得路面水損害現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致道路的整體破壞。合理的路面結(jié)構(gòu)、材料、配比以及防排水措施可以有效降低路面水損害的產(chǎn)生，延長道路的使用壽命。

3 重載交通參數(shù)分析

3.1 超重車輛對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響

水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中車道上各種車型不同，車輛荷載相對于標(biāo)準(zhǔn)軸BZZ-100的換算累計(jì)當(dāng)量軸次是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)，當(dāng)有超重載車輛通過時，當(dāng)量軸次是標(biāo)準(zhǔn)荷載的16次方倍數(shù)。超重載車輛對水泥混凝土路面的損壞起到?jīng)Q定性作用，路面結(jié)構(gòu)破損加速，直接導(dǎo)致公路的服務(wù)水平降低。與此同時，超重車輛荷載對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力，會導(dǎo)致路面損壞程度加大，路面的使用年限大幅減少。

3.2 車型對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響

軸載換算，數(shù)據(jù)采集有其不確定性，同時不同設(shè)計(jì)人員根據(jù)相同的交通量數(shù)據(jù)也會得到差距較大的設(shè)計(jì)軸載作用次數(shù)。主要是不同的設(shè)計(jì)人員會根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)輸車輛套用《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中所提供的相關(guān)車型，由于軸載換算的區(qū)別，產(chǎn)生的結(jié)果也不一樣。

比如，實(shí)際道路運(yùn)輸多為雙后軸大型貨車，選取代表性的車輛進(jìn)行計(jì)算對比，分別采用太脫拉81553和紅巖CQ30290，見表1。

表1 車型比較示例

由表 1計(jì)算得出太脫拉 81553換算成標(biāo)準(zhǔn)軸系數(shù)為2.74，紅巖CQ30290換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載系數(shù)32.34，通過總重看出雖然兩者滿載總質(zhì)量相差34kN，但對比兩者軸載系數(shù)相差有11倍。所以計(jì)算車型的選取直接影響計(jì)算成果，采用不同結(jié)果設(shè)計(jì)后，參照總重較低的車輛計(jì)算，造成路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，造成水泥混凝土路面早期破壞。參照總重較高的車輛計(jì)算，造成設(shè)計(jì)強(qiáng)度超出，造成不必要的浪費(fèi)。所以車型的選擇對路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算影響是很大的。

在大型水電站交通道路上，重載車輛的比例較高，各車道上的重載車輛分布比例相對于設(shè)計(jì)車道的累計(jì)當(dāng)量軸次結(jié)果區(qū)別較大，所以，應(yīng)該對重載車的行車道進(jìn)行必要的測試，獲得車道的當(dāng)量軸次。重載道路的車道系數(shù)的計(jì)算方式為單向整個斷面當(dāng)量軸次和行車道當(dāng)量軸次對比。當(dāng)實(shí)測資料不完整時，車道系數(shù)可以參照表2進(jìn)行確認(rèn)。

表2 車道系數(shù)

4 大型水電站重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

水電站運(yùn)輸車輛較多，負(fù)荷量較大，車輛反復(fù)碾壓會對水泥混凝土路面造成不同程度的損害，因此，需注重路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升路面性能，提升其運(yùn)行能力。例如，某大型水電站公路全線長86.346km，全線按照四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為60km/h，路基寬度為24.5m（分離式路基12.25m）。該工程按照如下設(shè)計(jì)原則開展水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

4.1 路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

4.1.1 水泥混凝土路面

大型水電站重載交通道路水泥混凝土路面對于強(qiáng)度和抗疲勞要求較高。因?yàn)樗嗷炷谅访姘宄惺艿男熊嚭奢d以及溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會發(fā)生彎曲，尤其是在嚴(yán)重超載的情況下，荷載應(yīng)力會和溫度應(yīng)力共同作用，這就要求水泥混凝土徐具有較高的彎拉強(qiáng)度，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度需超過5.0MPa，混凝土路面板厚度必須超過260mm，需保證路面平整，且具有耐磨及抗滑作用。

4.1.2 基 層

大型水電站重載交通道路水泥混凝土基層需具備以下特征：基層需具備較強(qiáng)的抗沖刷能力，基層剛度較高?；鶎右话銜褂秘毣炷痢⒛雺夯炷?、水泥穩(wěn)定粒料或者是瀝青混凝土等。貧混凝土基層的最小厚度不得小于150mm，穩(wěn)定類基層的厚度最小不得小于200mm。對該道路的重載交通特征和混凝土路面的結(jié)構(gòu)組合以及日常使用情況進(jìn)行綜合分析，決定采用如下路面結(jié)構(gòu)形式，如表3所示。

表3 路面基本結(jié)構(gòu)

該工程的道路結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)如下：①就道路抗沖刷角度來說，可先采用貧混凝土基層，從經(jīng)濟(jì)層面考量，使用水泥穩(wěn)定粒料較為適宜；②底基層的優(yōu)先順序?yàn)橄人喾€(wěn)定粒料，其次為二灰穩(wěn)定粒料，厚度設(shè)置為20cm；③土基回彈模量不小于40MPa，若小于40MPa，則需要對土基進(jìn)行適當(dāng)處理，如路基過于潮濕、濕潤，則需要換填砂、砂礫、碎石等，或者摻入消石灰、固話材料等，同時，需要科學(xué)設(shè)置道路排水系統(tǒng)。

4.2 混凝土面板厚度設(shè)計(jì)

4.2.1 疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的板厚計(jì)算

疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的板厚計(jì)算是將當(dāng)前的設(shè)計(jì)規(guī)范作為參考依據(jù)，并按照彈性半無限地基上的彈性薄板為理論基礎(chǔ)，將縱縫邊緣中部作為臨界荷位，以疲勞破壞作為臨界破壞狀態(tài)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是荷載疲勞應(yīng)力σpr以及溫度疲勞應(yīng)力σtr的總和與可靠度系數(shù)相乘，不得超過混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度，即：γr（σpr+ σtr）≤fr。

式中：γr為可靠度系數(shù)，需要根據(jù)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠度和變異水平等級進(jìn)行設(shè)置；σpr為行車荷載疲勞應(yīng)力；σtr為臨界荷位處的溫度梯度疲勞應(yīng)力；fr為混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度。

4.2.2 極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的板厚驗(yàn)算

水泥混凝土板厚需對混凝土板的最大荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算之后方可確認(rèn)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為板中可能出現(xiàn)的最大行車荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力的總和需小于水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度fr，即：σp1+σt1≤fr。式中：σp1為一次最大行車荷載作用下的計(jì)算荷載應(yīng)力；σt1為最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力。

5 結(jié)束語

綜上所述，為了保證修建水泥混凝土路面能滿足設(shè)計(jì)使用要求，在有條件的情況下，可設(shè)置長期軸重觀測設(shè)備，通過實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。只要充分認(rèn)識大型水電站運(yùn)輸情況，通過對施工車輛和運(yùn)輸車輛的定性分析，采用實(shí)際可行的數(shù)據(jù)進(jìn)行道路設(shè)計(jì)和道路施工，發(fā)揮混凝土路面結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和預(yù)期。由于各大型水電站超載車輛的超載率及通行量無法按照同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測和控制，采用較大值對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，增強(qiáng)大型水電站超載車輛對路面結(jié)構(gòu)損壞的抵抗能力，但超載車輛對路面結(jié)構(gòu)的損壞依然嚴(yán)重。所以在水電站施工組織設(shè)計(jì)中應(yīng)對運(yùn)輸車輛限載，合理安排施工工期，才能從源頭上避免水泥混凝土路面損壞，增加水電站運(yùn)輸?shù)缆返氖褂脡勖?，減少不必要維修維護(hù)費(fèi)用。

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U414

A

2095-2066（2016）34-0108-02

2016-11-10

文劍鋒（1984-），男，工程師，本科，主要從事水工建筑設(shè)計(jì)和公路設(shè)計(jì)工作。