大型水電站重載交通水泥混凝土路面結構設計

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

大型水電站重載交通水泥混凝土路面結構設計

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

由于大型水電站施工作業范圍大，車輛量較多，這就意味著車載負荷大，因此需要對大型水電站的交通參數、結構組合設計等進行分析，制定科學合理的水泥混凝土路面結構設計方案，保證設計方案可滿足大型水電站重載交通運行要求。本文就大型水電站重載交通水泥混凝土路面結構設計進行分析，供相關人士參考。

大型水電站；重載交通；水泥混凝土；路面結構

1 引言

近些年，重載交通設計受到了廣泛關注，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較多，交通繁忙。隨著社會經濟的進步，公路運輸不斷呈現出大交通量和（特）重載交通的特點，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，是路面使用初期產生各種破壞的主要原因。因此，在路面設計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，我國超載超限運輸車輛普遍存在，特別是大型水電站等仍有增長趨勢。據相關調查資料顯示，重載道路上通常存在著較為嚴重的車轍、裂縫等損壞現象。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。分析認為，產生車轍的主要原因是混合料的經過反復重壓產生較大變形。通過對重載交通下路面產生車轍的原因分析，深入研究抗車轍的混合料，防止或減少車轍的產生。②疲勞開裂。重載交通下，路面承受的累計當量軸次增加，路面材料所能承受的疲勞應力降低，路面結構層就容易產生裂縫。重復的重荷載作用使得裂縫應力集中，以復雜的形式自上而下擴展，最終導致路面疲勞開裂。路面性能、級配、混合料的性質以及道路的結構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，特別是雨季，導致了路面松散、剝落、坑槽等病害，水的反復作用使得路面水損害現象愈加嚴重，最終導致道路的整體破壞。合理的路面結構、材料、配比以及防排水措施可以有效降低路面水損害的產生，延長道路的使用壽命。

3 重載交通參數分析

3.1 超重車輛對水泥混凝土路面結構計算的影響

水泥混凝土路面設計中車道上各種車型不同，車輛荷載相對于標準軸BZZ-100的換算累計當量軸次是關鍵的設計指標，當有超重載車輛通過時，當量軸次是標準荷載的16次方倍數。超重載車輛對水泥混凝土路面的損壞起到決定性作用，路面結構破損加速，直接導致公路的服務水平降低。與此同時，超重車輛荷載對路面結構內的應力產生較大的拉壓應力，會導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構計算的影響

軸載換算，數據采集有其不確定性，同時不同設計人員根據相同的交通量數據也會得到差距較大的設計軸載作用次數。主要是不同的設計人員會根據設計經驗將現場實際運輸車輛套用《公路水泥混凝土路面設計規范》中所提供的相關車型，由于軸載換算的區別，產生的結果也不一樣。

比如，實際道路運輸多為雙后軸大型貨車，選取代表性的車輛進行計算對比，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計算得出太脫拉 81553換算成標準軸系數為2.74，紅巖CQ30290換算成標準軸載系數32.34，通過總重看出雖然兩者滿載總質量相差34kN，但對比兩者軸載系數相差有11倍。所以計算車型的選取直接影響計算成果，采用不同結果設計后，參照總重較低的車輛計算，造成路面結構強度不足，造成水泥混凝土路面早期破壞。參照總重較高的車輛計算，造成設計強度超出，造成不必要的浪費。所以車型的選擇對路面結構的計算影響是很大的。

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計車道的累計當量軸次結果區別較大，所以，應該對重載車的行車道進行必要的測試，獲得車道的當量軸次。重載道路的車道系數的計算方式為單向整個斷面當量軸次和行車道當量軸次對比。當實測資料不完整時，車道系數可以參照表2進行確認。

表2 車道系數

4 大型水電站重載交通水泥混凝土路面結構設計要點

水電站運輸車輛較多，負荷量較大，車輛反復碾壓會對水泥混凝土路面造成不同程度的損害，因此，需注重路面結構設計，提升路面性能，提升其運行能力。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準進行建設，設計速度為60km/h，路基寬度為24.5m（分離式路基12.25m）。該工程按照如下設計原則開展水泥混凝土路面結構設計工作。

4.1 路面結構組合設計

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度和抗疲勞要求較高。因為水泥混凝土路面板承受的行車荷載以及溫度梯度產生的溫度應力會發生彎曲，尤其是在嚴重超載的情況下，荷載應力會和溫度應力共同作用，這就要求水泥混凝土徐具有較高的彎拉強度，其設計強度需超過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：基層需具備較強的抗沖刷能力，基層剛度較高。基層一般會使用貧混凝土、碾壓混凝土、水泥穩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構組合以及日常使用情況進行綜合分析，決定采用如下路面結構形式，如表3所示。

表3 路面基本結構

該工程的道路結構詳細設計如下：①就道路抗沖刷角度來說，可先采用貧混凝土基層，從經濟層面考量，使用水泥穩定粒料較為適宜；②底基層的優先順序為先水泥穩定粒料，其次為二灰穩定粒料，厚度設置為20cm；③土基回彈模量不小于40MPa，若小于40MPa，則需要對土基進行適當處理，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，需要科學設置道路排水系統。

4.2 混凝土面板厚度設計

4.2.1 疲勞設計標準的板厚計算

疲勞設計標準的板厚計算是將當前的設計規范作為參考依據，并按照彈性半無限地基上的彈性薄板為理論基礎，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，設計標準是荷載疲勞應力σpr以及溫度疲勞應力σtr的總和與可靠度系數相乘，不得超過混凝土的設計彎拉強度，即：γr（σpr+ σtr）≤fr。

式中：γr為可靠度系數，需要根據工程項目設計目標可靠度和變異水平等級進行設置；σpr為行車荷載疲勞應力；σtr為臨界荷位處的溫度梯度疲勞應力；fr為混凝土的設計彎拉強度。

4.2.2 極限強度標準的板厚驗算

水泥混凝土板厚需對混凝土板的最大荷載應力以及溫度應力進行驗算之后方可確認。設計標準為板中可能出現的最大行車荷載應力以及溫度應力的總和需小于水泥混凝土的設計強度fr，即：σp1+σt1≤fr。式中：σp1為一次最大行車荷載作用下的計算荷載應力；σt1為最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應力。

5 結束語

綜上所述，為了保證修建水泥混凝土路面能滿足設計使用要求，在有條件的情況下，可設置長期軸重觀測設備，通過實測的數據進行統計分析。只要充分認識大型水電站運輸情況，通過對施工車輛和運輸車輛的定性分析，采用實際可行的數據進行道路設計和道路施工，發揮混凝土路面結構優勢和預期。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準進行預測和控制，采用較大值對路面結構設計進行控制，增強大型水電站超載車輛對路面結構損壞的抵抗能力，但超載車輛對路面結構的損壞依然嚴重。所以在水電站施工組織設計中應對運輸車輛限載，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，增加水電站運輸道路的使用壽命，減少不必要維修維護費用。

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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計和公路設計工作。