大型水电站重载交通水泥混凝土路面结构设计

文剑锋，杨鹏程，杨子舟（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410000）

大型水电站重载交通水泥混凝土路面结构设计

文剑锋，杨鹏程，杨子舟（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410000）

由于大型水电站施工作业范围大，车辆量较多，这就意味着车载负荷大，因此需要对大型水电站的交通参数、结构组合设计等进行分析，制定科学合理的水泥混凝土路面结构设计方案，保证设计方案可满足大型水电站重载交通运行要求。本文就大型水电站重载交通水泥混凝土路面结构设计进行分析，供相关人士参考。

大型水电站；重载交通；水泥混凝土；路面结构

1 引言

近些年，重载交通设计受到了广泛关注，重载交通是指车辆轴载偏重，胎压偏高或者是轴载作用次数较多，交通繁忙。随着社会经济的进步，公路运输不断呈现出大交通量和（特）重载交通的特点，车辆超载已成为一个普遍存在的问题，它对道路路面的正常使用具有极大的影响，是路面使用初期产生各种破坏的主要原因。因此，在路面设计中必须考虑重载交通的影响。

2 重载交通下路面的主要损害类型

目前，我国超载超限运输车辆普遍存在，特别是大型水电站等仍有增长趋势。据相关调查资料显示，重载道路上通常存在着较为严重的车辙、裂缝等损坏现象。重载交通使得道路的损坏程度加大、破损期提前。①车辙。车辙是重载交通作用下路面最典型的破坏形式之一。它的出现不仅会缩短路面使用寿命，还会影响行车舒适性、危及行车安全。分析认为，产生车辙的主要原因是混合料的经过反复重压产生较大变形。通过对重载交通下路面产生车辙的原因分析，深入研究抗车辙的混合料，防止或减少车辙的产生。②疲劳开裂。重载交通下，路面承受的累计当量轴次增加，路面材料所能承受的疲劳应力降低，路面结构层就容易产生裂缝。重复的重荷载作用使得裂缝应力集中，以复杂的形式自上而下扩展，最终导致路面疲劳开裂。路面性能、级配、混合料的性质以及道路的结构形式对疲劳耐久性都有一定的影响。③其他损害。重载交通使得路面的病害提前出现，特别是雨季，导致了路面松散、剥落、坑槽等病害，水的反复作用使得路面水损害现象愈加严重，最终导致道路的整体破坏。合理的路面结构、材料、配比以及防排水措施可以有效降低路面水损害的产生，延长道路的使用寿命。

3 重载交通参数分析

3.1 超重车辆对水泥混凝土路面结构计算的影响

水泥混凝土路面设计中车道上各种车型不同，车辆荷载相对于标准轴BZZ-100的换算累计当量轴次是关键的设计指标，当有超重载车辆通过时，当量轴次是标准荷载的16次方倍数。超重载车辆对水泥混凝土路面的损坏起到决定性作用，路面结构破损加速，直接导致公路的服务水平降低。与此同时，超重车辆荷载对路面结构内的应力产生较大的拉压应力，会导致路面损坏程度加大，路面的使用年限大幅减少。

3.2 车型对水泥混凝土路面结构计算的影响

轴载换算，数据采集有其不确定性，同时不同设计人员根据相同的交通量数据也会得到差距较大的设计轴载作用次数。主要是不同的设计人员会根据设计经验将现场实际运输车辆套用《公路水泥混凝土路面设计规范》中所提供的相关车型，由于轴载换算的区别，产生的结果也不一样。

比如，实际道路运输多为双后轴大型货车，选取代表性的车辆进行计算对比，分别采用太脱拉81553和红岩CQ30290，见表1。

表1 车型比较示例

由表 1计算得出太脱拉 81553换算成标准轴系数为2.74，红岩CQ30290换算成标准轴载系数32.34，通过总重看出虽然两者满载总质量相差34kN，但对比两者轴载系数相差有11倍。所以计算车型的选取直接影响计算成果，采用不同结果设计后，参照总重较低的车辆计算，造成路面结构强度不足，造成水泥混凝土路面早期破坏。参照总重较高的车辆计算，造成设计强度超出，造成不必要的浪费。所以车型的选择对路面结构的计算影响是很大的。

在大型水电站交通道路上，重载车辆的比例较高，各车道上的重载车辆分布比例相对于设计车道的累计当量轴次结果区别较大，所以，应该对重载车的行车道进行必要的测试，获得车道的当量轴次。重载道路的车道系数的计算方式为单向整个断面当量轴次和行车道当量轴次对比。当实测资料不完整时，车道系数可以参照表2进行确认。

表2 车道系数

4 大型水电站重载交通水泥混凝土路面结构设计要点

水电站运输车辆较多，负荷量较大，车辆反复碾压会对水泥混凝土路面造成不同程度的损害，因此，需注重路面结构设计，提升路面性能，提升其运行能力。例如，某大型水电站公路全线长86.346km，全线按照四车道一级公路标准进行建设，设计速度为60km/h，路基宽度为24.5m（分离式路基12.25m）。该工程按照如下设计原则开展水泥混凝土路面结构设计工作。

4.1 路面结构组合设计

4.1.1 水泥混凝土路面

大型水电站重载交通道路水泥混凝土路面对于强度和抗疲劳要求较高。因为水泥混凝土路面板承受的行车荷载以及温度梯度产生的温度应力会发生弯曲，尤其是在严重超载的情况下，荷载应力会和温度应力共同作用，这就要求水泥混凝土徐具有较高的弯拉强度，其设计强度需超过5.0MPa，混凝土路面板厚度必须超过260mm，需保证路面平整，且具有耐磨及抗滑作用。

4.1.2 基 层

大型水电站重载交通道路水泥混凝土基层需具备以下特征：基层需具备较强的抗冲刷能力，基层刚度较高。基层一般会使用贫混凝土、碾压混凝土、水泥稳定粒料或者是沥青混凝土等。贫混凝土基层的最小厚度不得小于150mm，稳定类基层的厚度最小不得小于200mm。对该道路的重载交通特征和混凝土路面的结构组合以及日常使用情况进行综合分析，决定采用如下路面结构形式，如表3所示。

表3 路面基本结构

该工程的道路结构详细设计如下：①就道路抗冲刷角度来说，可先采用贫混凝土基层，从经济层面考量，使用水泥稳定粒料较为适宜；②底基层的优先顺序为先水泥稳定粒料，其次为二灰稳定粒料，厚度设置为20cm；③土基回弹模量不小于40MPa，若小于40MPa，则需要对土基进行适当处理，如路基过于潮湿、湿润，则需要换填砂、砂砾、碎石等，或者掺入消石灰、固话材料等，同时，需要科学设置道路排水系统。

4.2 混凝土面板厚度设计

4.2.1 疲劳设计标准的板厚计算

疲劳设计标准的板厚计算是将当前的设计规范作为参考依据，并按照弹性半无限地基上的弹性薄板为理论基础，将纵缝边缘中部作为临界荷位，以疲劳破坏作为临界破坏状态，设计标准是荷载疲劳应力σpr以及温度疲劳应力σtr的总和与可靠度系数相乘，不得超过混凝土的设计弯拉强度，即：γr（σpr+ σtr）≤fr。

式中：γr为可靠度系数，需要根据工程项目设计目标可靠度和变异水平等级进行设置；σpr为行车荷载疲劳应力；σtr为临界荷位处的温度梯度疲劳应力；fr为混凝土的设计弯拉强度。

4.2.2 极限强度标准的板厚验算

水泥混凝土板厚需对混凝土板的最大荷载应力以及温度应力进行验算之后方可确认。设计标准为板中可能出现的最大行车荷载应力以及温度应力的总和需小于水泥混凝土的设计强度fr，即：σp1+σt1≤fr。式中：σp1为一次最大行车荷载作用下的计算荷载应力；σt1为最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力。

5 结束语

综上所述，为了保证修建水泥混凝土路面能满足设计使用要求，在有条件的情况下，可设置长期轴重观测设备，通过实测的数据进行统计分析。只要充分认识大型水电站运输情况，通过对施工车辆和运输车辆的定性分析，采用实际可行的数据进行道路设计和道路施工，发挥混凝土路面结构优势和预期。由于各大型水电站超载车辆的超载率及通行量无法按照同一标准进行预测和控制，采用较大值对路面结构设计进行控制，增强大型水电站超载车辆对路面结构损坏的抵抗能力，但超载车辆对路面结构的损坏依然严重。所以在水电站施工组织设计中应对运输车辆限载，合理安排施工工期，才能从源头上避免水泥混凝土路面损坏，增加水电站运输道路的使用寿命，减少不必要维修维护费用。

[1]祝云琪，凌建明.上海地区重载交通水泥混凝土路面面板设计厚度分析[J].公路工程，2009，34（4）：37～41.

[2]胡继明.工矿区重载交通水泥混凝土路面结构组合特征探究[J].科技视界，2012（30）：386.

[3]刘建军.重载交通作用下水泥混凝土路面结构响应分析[J].内蒙古公路与运输，2010（6）：52～54.

[4]王 荣，胡昌斌.高温气候重载水泥混凝土路面典型结构受力特性研究[J].武夷学院学报，2013，32（5）：99～104.

U414

A

2095-2066（2016）34-0108-02

2016-11-10

文剑锋（1984-），男，工程师，本科，主要从事水工建筑设计和公路设计工作。