水电站车行栈道设计研究<br/>——以藏木水电站车行栈道为例

水电站车行栈道设计研究
——以藏木水电站车行栈道为例

2017-03-23王维,陈曦

水电站设计 2017年1期

关键词：斜柱车行栈道

王维,陈曦

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川成都 610072)

水电站车行栈道设计研究
——以藏木水电站车行栈道为例

王维,陈曦

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川成都 610072)

栈道作为适应于陡壁的一种结构，应用于布线困难的陡壁路段，常见的栈道设计多应用于景区人行通行，对车行栈道设计方面研究较少，结合水电站建设中的工程案例，对车行栈道结构设计力学模型分析，进行车行栈道安全性评价，对车行栈道结构设计提出一些看法和体会。

车行栈道；力学模型；安全评价

0 前言

栈道原指沿悬崖峭壁修建的一种道路。又称阁道、复道。中国在战国时即已修建栈道。现代公路已经成网，但在交通闭塞的山区，仍有类似的栈道，供人、畜通行。在现代生产力和科技条件下，人行或畜行栈道使用的材料已经由古代的木材、石材改为现代的具有强度高、自重轻特点的钢材。栈道施工技术也从古代的人工挖孔改为现代化的炸药爆破技术与机器钻孔技术[1]。

近年来，随着水电建设的发展，偏远山区的交通建设日益增多，但在崇山峻岭布线困难的陡壁路段按常规布线的施工难度大，造价高。栈道作为一种较特殊的结构形式，适用于低等级公路穿越陡壁路段。目前，国内栈道多用于峻岭景区供行人通行，结构形式多为木结构或钢结构形式，但断面宽度、跨度较小，而适用于电站交通运输物资的车行栈道横断面较大，跨度较大。钢筋混凝土结构形式可满足结构使用功能的需要。考虑到施工车辆满载后本身的自重较大，用于旅游景区人行的木栈道和钢栈道可能无法满足强度要求，因此钢筋混凝土结构被考虑用于车行栈道以满足承重需求。

人行栈道作为常用的陡壁道路设计方案已经被广泛用于各大景区，但相应栈道结构设计的安全评价研究文献却不多。2008年，宋建学、袁英保和刘贺龙三人提出了对于栈道安全评价的一般程序，并结合实际工程从栈道依附的岩体、栈道结构与岩体结合处、栈道自身结构和栈道附属结构4 点对栈道结构进行安全评价，其中，栈道自身结构为最主要的安全评价内容[2]。

直至今日，并没有任何规范是专门用于栈道的，而对于不常用的车行栈道，连相应的文献研究都无法找到。因本次工程所使用的车行栈道与人行栈道的基本结构形式以及分析项目相同，本文旨在依据人行栈道的安全评价流程，结合于本次实际工程中的车行栈道进行安全评价，对车行栈道的设计提出一些建议。

1 工程概况

藏木水电站位于西藏自治区山南地区加查县境内，雅鲁藏布江中游沃卡～加查峡谷段出口处，为雅鲁藏布江中游河段规划的第一个水电站，坝址距拉萨直线距离约140 km，大坝枢纽区位于加查县藏木乡上游5 km，距加查县城约17 km，距山南到林芝S306线7 km。

本工程项目位于藏木水电站场内交通工程连接电站下游藏木桥右岸桥头至大坝右岸供料线平台的4号公路(以下简称4号公路)，4号公路路线布置于雅鲁藏布江右岸，公路起点位于藏木水电站坝址下游0.9 km，与2号公路的大坝下游藏木桥右岸桥头连接，终点位于藏木水电站大坝右岸供料平台，其间连接布置于电站右岸的混凝土拌和系统，路线全长0.88 km。

4号公路K0+600.00～K0+710.00 m段开挖揭示为覆盖层路基，该段路线下部为电站厂房尾水渠边坡。针对该情况，对4号公路K0+600.00～K0+810.00 m段进行了桥梁、隧道、明路等多方案设计。因陡壁高度约30 m，若采用桥梁方案，则桥梁墩柱高达15 m，施工难度大，且对尾水渠边坡存在影响；若采用隧道方案，抵制条件复杂，施工难度大。因以上两种方案工程造价高，最终确定采用明路方案。之后结合现场实际情况展开了明路方案施工图阶段的挡墙方案与栈道结构经过陡壁段为主的综合方案设计，最终确定采用栈道为主的综合方案。

2 工程设计

2.1 总体布置

栈道工程布置于4号公路桩号里程范围0+631.0～0+719.0 m。栈道上部结构采用8跨11 m钢筋混凝土现浇板梁，下部结构采用单斜柱式钢筋混凝土栈道，栈道斜柱与横梁之间夹角为45°。

2.2 力学分析

栈道自身的结构与其它空间结构类似，可选取一个单元进行内力计算。对于单斜柱式钢筋混凝土栈道，内力计算需要考虑栈道所用结构形式、材料以及节点连接方式，提取栈道受力计算的基础模型。栈道结构所承受荷载包括永久荷载、活荷载和地震荷载。永久荷载除包括栈道结构自身的重力，还包括上部结构钢筋混凝土现浇板梁以及其附属结构(桥面铺装、防撞护栏、泄水管等)的自重。活荷载主要为汽车荷载，设计荷载为汽-40级。地震荷载为实际测量值采用地震动峰值加速度系数0.10。温度荷载为以初始温度20 ℃，整体升温至40 ℃或整体降温至-5 ℃。

3 安全性评价

3.1 安全性评价程序

根据对栈道结构特点分析，提出栈道安全评价的一般程序分为4部分：栈道依附岩体安全评价、栈道与岩体结合处的安全评价、栈道自身结构安全评价、栈道附属结构安全评价。

栈道依附岩体安全评价：栈道均为修建在陡峭岩壁上，所依附岩体持力层必需满足设计承重需求，对所依附的岩体力学性质、物质组成、裂隙发展等需要进行相应的安全评价。

栈道结构与岩体结合处的安全评价：栈道与岩体结合处必须在现场施工完成，其工作环境在陡峭悬壁上，施工难度较大，为保证施工质量必须对结合处进行安全性评价。

栈道自身结构的安全评价：栈道自身结构安全评价作为安全性评价程序的核心步骤需要永久荷载和可变荷载，即所有结构的自重以及人行、车行荷载、地震荷载等。栈道结构相似于空间框架结构，可取一个单元进行计算，内力计算需要考虑栈道结构形式、材料、约束等因素。栈道结构内力计算包括强度、刚度、稳定性验算。

栈道附属结构的安全评价：栈道附属结构包括铺装、栏杆等，虽然栈道附属结构对栈道结构本身没有直接影响，但对栈道的使用者的安全至关重要。

3.2 栈道结构模型计算

3.2.1 模型总体框架

采用Midas Civil建立有限元分析模型，根据实际情况和精度要求，栈道横梁与斜柱均采用梁单元模拟，共划分16个单元，其中横梁划分10个单元，斜柱划分6个单元；模型共2个边界条件，横梁与斜柱连接部分为刚接，计算模型如图1所示。

图1 栈道结构计算模型

3.2.2 截面特性

横梁与斜柱截面几何特性如表1所示。

表1 截面几何特性

3.2.3 荷载工况及荷载组合

因对栈道没有相应规范，本次栈道项目设计采用《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)相关规定。计算主要考虑了栈道结构自身的重力、上部结构钢筋混凝土现浇板梁自重、附属结构(桥面铺装、防撞护栏、泄水管等)、汽车荷载(汽-40级)、整体升降温度荷载、地震荷载。

(1)重力荷载。钢筋混凝土栈道结构本身自重按照Midas软件自动计算，一个栈道结构相当于承载1跨11 m上部结构(钢筋混凝土现浇板梁及附属结构)的总重，荷载按照1跨11 m材料总重计算，并以连续线荷载施加于栈道结构横梁上，计算值为126.13 kN/m，加载方式如图2所示。

(2)汽车荷载。汽车荷载采用汽-40级，按图3所示布置于上部结构上，并如图2所示例将荷载转化于栈道结构横梁上，计算值为82.96 kN/m。

图2 栈道结构计算模型

(3)温度荷载以及地震荷载。温度荷载按照初始温度20 ℃，整体升温20 ℃，整体降温25 ℃考虑。地震荷载以Elcent_h地震时程波函数施加，并采用地震动峰值加速度系数：0.10。

3.3 栈道结构安全性评价

本文安全性评价旨在对成桥阶段(运营阶段)进行盐酸分析。

3.3.1 验算横梁上最大弯矩处的强度

横梁上最大弯矩由荷载组合(栈道恒载+上部结构恒载+横向地震荷载+温降25℃荷载)产生，如图4所示，最大弯矩值为6.35 MPa小于19.1 MPa,满足要求。

3.3.2 验算横梁上最大剪力

横梁上最大剪力由荷载组合(栈道恒载+上部结构恒载+横向地震荷载+温降25 ℃荷载)产生，如图5所示，最大剪力值为1.34×10-3MPa小于2.6 MPa,满足要求。

图3 汽车荷载(汽-40级)[3] (单位：t)

图4 横梁弯矩(荷载组合最大值)(单位：MPa)

图5 横梁剪力(荷载组合最大值)(单位：MPa)

3.3.3 验算斜柱上最大弯矩处的强度

斜柱上最大弯矩由荷载组合(栈道恒载+上部结构恒载+横向地震荷载+温降25℃荷载)产生，如图6所示，最大弯矩值为4.36 MPa小于19.1 MPa,满足要求。

3.3.4 验算斜柱上最大剪力

斜柱上最大剪力由荷载组合(栈道恒载+上部结构恒载+横向地震荷载+温降25 ℃荷载)产生，如图7所示，最大剪力值为0.42 MPa小于2.6 MPa,满足要求。

3.3.5 刚度验算

栈道结构上最大挠度由荷载组合(栈道恒载+上部结构恒载+竖向地震荷载+温降25℃荷载)产生，如图8所示，最大挠度值为3.84

3.3.6 稳定性验算

验算斜柱上的受压稳定性，最大轴力由荷载组合(栈道恒载+上部结构恒载+横向地震荷载+温降25 ℃荷载)产生，如图9所示，最大压应力值为4.73 MPa小于19.1 MPa,满足要求。

图6 斜柱弯矩(荷载组合最大值)(单位：MPa) 图7斜柱剪力(荷载组合最大值)(单位：MPa)

图8 栈道结构形变(荷载组合最大值)(单位：mm) 图9 斜柱轴向压应力(荷载组合最大值)(单位：MPa)

3.4 栈道依附岩体及与依附岩体连接处的安全性评价

该工程段岩性单一，出露的基岩为燕山晚期～喜山期花岗岩(γ5-63)，岩石类型为二长花岗岩，边坡自然坡度约∠50°～60°。岩体风化主要表现为矿物蚀变、裂面锈染等，弱风化岩体以裂隙风化为主，花岗岩长石矿物出现褪色，裂面以中等～强烈锈染为主，锤击声较清脆，水平深度一般50～70 m；微新岩体岩石新鲜，锤击声清脆。据地表调查及勘探揭示，强卸荷一般水平深度5～10 m，弱卸荷水平深度20～30 m，弱风化水平深度20～30 m。边坡展布1条Ⅲ级小断层f8，产状N60°W/NE(SW)∠75°～85°,破碎带的出露宽度为1 m,影响带宽度约5 m，带内为碎裂岩、碎斑岩，延伸大于400 m，倾坡内；裂隙主要发育三组：①N60°～70°W/SW∠70°～80°;②N40°～60°E /NW∠40°～55°;③N20°～40°E /SE∠70°～75°。边坡岩体质量主要受节理裂隙及风化

卸荷控制，主要为Ⅲ1级，局部表浅部为IV级，边坡整体稳定性好。

栈道横梁锚洞五面均设置Φ22锚杆，间距100 cm梅花型布置，端梁面为3 m，外露1.5 m，其余面进入岩石2 m，外露0.5 m。有效长度横梁锚洞至少为4 m，斜撑锚洞深至少3 m。采用回填注浆以保证横梁锚洞浇筑密实。

根据3.2中计算结果，燕山晚期～喜山期花岗岩可以满足栈道结构最危险荷载工况所产生的轴力、剪力以及弯矩。

3.5 栈道附属结构的安全性评价

栈道附属结构包括上部结构中的铺装、栏杆等。附属结构的安全与使用安全息息相关[4]，若铺装或栏杆出现安全性问题，可能会导致行车掉落悬崖。此工程桥面铺装采用8～16.5 cm现浇C40合成纤维混凝土+1.2 mm水泥基渗透结晶型防水层，内铺设Φ12钢筋网，可以满足公路车行强度需求。栏杆采用公路用混凝土+钢管防撞栏杆，能够满足一般车行的使用要求。