抽水蓄能电站场内道路水泥混凝土路面结构设计研究

2019-02-12闫宾，王昱

水电与抽水蓄能 2019年5期

闫宾，王昱

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100073）

0 引言

抽水蓄能电站场内道路承担着基建期内各施工场地之间的物质运输任务，是联系抽水蓄能电站厂区内各个主要建筑物、构筑物、管理区之间的交通道路，基建期完成转到运行期之后还要满足运行管理人员的交通需要和生产需要。抽水蓄能电站基建期内会有大量的外来物资转运进场，上、下库大坝会有较大量土石方填筑，混凝土系统和砂石骨科系统以及搅拌完成混凝的浇筑运输，这些因素的存在，导致场内交通运输情况复杂。

抽水蓄能电站场内交通道路使用高峰会在基建期内出现，为了满足基建期交通需求，具有整体性好，强度高，平整度好的混凝土路面结构形式较多被采用。场内道路设计时首先考虑的是道路的走向和规模，影响场内道路走向和规模的最主要因素一般是主要物料运输流向和运输强度。场内的多条道路有的是临时性的施工道路，有的是永临结合的道路。

目前，国内的水电设计院对抽水蓄能电站场内道路设计时主要技术指标参考《水电工程施工组织设计规范》（DL/T 5397—2007）[1]、《水电水利工程场内施工道路技术规范》（DL/T 5243—2010）[2]有关规定，如果遇到一些指标在水电行业相关规范中未明确的情况时，可以参照现行公路相关技术规范要求进行设计。《水电水利工程场内施工道路技术规范》（DL/T 5243—2010）对于场内路的定义是“在水电水利工程施工区域内，根据工程建设需要设置的临时道路”，《水电工程施工组织设计规范》（DL/T 5397—2007）对于场内路的定义是“联系施工工地内部各工区、料场、堆弃渣场、各生产工区之间的交通，担负施工期内部的运输”。以上两个规范对于场内交通的定义只是局限于施工期内。目前，设计院设计时只是单纯根据预测的交通量对路面结构形式进行设计，没有考虑到永临结合路段的耐久性，永临结合的道路应区别于其他道路进行设计。同时，2011年实施的《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）[3]对水泥混凝土路面结构计算理论、极限状态设计表达式、设计轴载作用次数NS换算方法等内容进行了更新。

1 目前主要的设计理论及方法

（1）《水电水利工程场内施工道路技术规范》（DL/T 5243—2010）中计算水泥混凝土路面板及基层厚度推荐的方法是弹性层状体系，《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）中计算水泥混凝土路面板及基层厚度推荐的方法是弹性地基板理论。弹性层状体系和弹性地基板理论均可用于水泥混凝土路面结构的计算，考虑到目前设计的水泥混凝土面层板长度多为4～6m，尺寸有限，其弹性模量远大于面层下的结构层和地基，因此，选用《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）推荐的弹性地基板理论进行结构分析是合适的。

（2）把路面结构分为地基和板两部分进行分析是弹性地基板理论和弹性层状体系的最大区别。目前，在建的抽水蓄能电站场内道路路面的基层多为水泥稳定碎石，底基层多为级配碎石，水泥稳定碎石的刚度（回弹模量）接近于水泥混凝土面层，远远大于底基层级配碎石的刚度（回弹模量），基层和底基层材料回弹模量经验参考值见表1。

表1 基层和底基层材料回弹模量经验参考值表Table 1 Empirical reference table of resilience modulus of base and subbase materials（MPa）

（3）通常计算过程中，会将水泥稳定碎石基层与级配碎石底基层和路基组合成弹性地基，按照它们的综合模量计算面层的厚度。单纯地采用综合模量计算得到的计算结果一般比较保守，当基层底面所承受的弯拉应力超过其自身的最大承载力时，基层可能会开裂，这种情况在计算时可能被忽视。将水泥稳定碎石基层和混凝土面层组合到一起，按弹性地基分离式双层板进行结构分析，水泥稳定碎石基层和混凝土面层虽然是按照弹性地基进行考虑，但是是将它们看做分离的双层板，这样分析可以凸现出水泥稳定碎石基层的力学特性，并可以通过调节面层和基层的厚度，使得上、下层的板应力和强度处于协调平衡的状态。

表2 不同类型基层和面层组合时的计算模型Table 2 Computing model for combination of different types of base and surface layers

路面的断裂、错位、裂缝是水泥混凝土路面破坏的主要形式，造成面层板裂缝和断裂的原因有很多。参考相关研究成果，水泥混凝土路面受到路面荷载后，直到路面结构完全破坏为止，大致划分为4个阶段，这是只要考虑变形特征和受力特性进行划分的[4]。

（1）在面层板上施加荷载P，荷载作用下面层板处于弹性状态，面层、基层、底基层协调变形受力。这是第一阶段。

（2）继续加大荷载P，面层、基层、底基层协调变形受力使得板底的最大弯拉应力达到抗弯拉强度，此时，面层板承受的荷载可以称为屈服荷载Py,面层板会产生径向裂隙。虽然径向裂隙已经产生，整个面层板还处于弹性阶段，屈服荷载Py可以认为是弹性阶段的最大荷载。这是第二阶段。

（3）继续加大荷载P，径向裂隙进一步加大，同时产生了更多的径向裂隙，至面层板的中心呈放射性展开，达到混凝土抗弯拉强度时会产生一个环形裂隙，此时面层板承受的荷载为极限荷载Pb。这是第三阶段。

（4）产生环向裂隙后继续加大荷载P，直到面层板出现剪切下陷，面层板彻底破坏，此时面层板承受最大荷载即为破坏荷载。这是第四阶段。

3 重载交通对水泥混凝土路面结构的应力影响分析

《水电水利工程场内施工道路技术规范》（DL/T 5243—2010）中推荐使用弹性层状体系对水泥混凝土路面进行结构分析，只考虑了设计轴载产生的面层最大荷载应力，未考虑面层最大温度应力。

抽水蓄能电站施工期土石方运输量较大，是主要的运输需求。通过调研在建的丰满、镇安、绩溪、丰宁、句容、文登、阜康、清原等电站，发现以上电站土石方运输利用较多的是后八轮自卸汽车，满载总重量多位于20～25t之间，因此，设计轴载选用100kN能够满足现场需求。

选取目前在建抽水蓄能电站中填土及挖土基路段较常采用的路面结构a、b、c型三种，路面结构层见图1。计算水泥混凝土路面结构参数见表3，选取常见的单轴轴重100、120、140、160、180、200、250kN，利用《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）中推荐的弹性地基双层板模型，计算荷载应力值，同时考虑温度应力。计算结果见表4、表5、图2。

由表4、表5、图2可以看出：

（1）面层最大荷载应力基本与轴重呈直线变化，荷载应力随着轴重的增加而增加。

（2）面层最大温度应力与轴重无关，与面层的厚度及路面的结构有关。

（3）利用弹性地基双层板模型进行结构分析计算，面层厚度及轴载相同的情况下，水泥稳定粒料基层厚度的增加可以降低面层最大荷载应力。

（4）基层和底基层相同的情况下，相同轴载作用下增加面层的厚度可以明显降低面层的最大荷载应力。由计算结果看，降低幅度随着轴载的增大而增大，平均约为12%左右。

（5）可靠度系数γr取1.07，即使轴载达到250kN时，a、b、c三种路面结构的面层最大荷载应力和最大温度应力之和均达到水泥混凝土路面的设计弯拉强度5MPa，路面结构是安全的。

（6）抽水蓄能电站场内路设计时最大轴载一般为标准轴载100kN，重大件运输车辆的最大轴载一般为250kN左右，

图1 a、b、c型路面结构图Figure 1 a, b and c type pavement structure drawings

表3 水泥混凝土路面结构计算参数表Table 3 Calculating parameter table of cement concrete pavement structure

表4 不同轴载作用下水泥混凝土路面结构应力计算结果表Table 4 Stress calculation table of cement concrete pavement structure under different axle loads

表5 不同轴载作用下水泥混凝土路面结构综合作用计算结果表（γr取1.07）Table 5 Table of calculation results of comprehensive action of cement concrete pavement structure under different axle loads(γr =1.07)

图2 水泥混凝土路面轴重荷载关系图Figure 2 Axle load relation diagram of cement concrete pavement

由此可见，单轴轴载并不会导致混凝土面板开裂或者断裂，造成混凝土路面面层开裂的主要原因是疲劳损坏。

4 水泥混凝土路面设计中其他影响因素分析

4.1 设计轴载作用次数NS换算及设计轴载的选取

《水电水利工程场内施工道路技术规范》（DL/T 5243—2010）中推荐的各级轴载换算成设计荷载日作用次数按式（E.1）进行计算。因为混凝土路面的疲劳损伤对轴重比较敏感，与轴重比成16次方的关系，建议设计轴载作用次数的换算按《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）中推荐的公式（3.0.6）进行计算。

通过调研获知大部分在建抽水蓄能电站土石方运输利用较多的是后八轮自卸汽车，满载总重量多为22t或25t，因此，设计时设计轴载采用100kN是合适的。对于建设期运输量较大或者选用特重车型作为运输车辆时，应考虑选取占主要份额特重车型的轴载作为设计轴载，避免按100kN设计轴载进行设计时，避免设计轴载作用次数NS的计算结果到达天文数字。

4.2 可靠度系数的选取

《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）中3.0.4提出了明确要求，同时还给出了极限状态表达式（3.0.4-1）和式（3.0.4-2），两个表达式计算时需要对可靠度系数γr进行取值，《水电水利工程场内施工道路技术规范》（DL/T 5243—2010）中推荐的设计计算方法未考虑可靠度系数γr。

因此，抽水蓄能电站工程水泥混凝土路面结构计算时就不能简单地通过查表获得可靠度系数γr，通常设计院进行设计计算时会按照水电二级道路参考公路三级进行选取，水电三级道路参考公路四级道路进行选取，选取不同的可靠度系数对最后路面结构的计算结果影响较大。

影响可靠度系数γr选取的主要因素是目标可靠度和变异水平等级。目标可靠度是一个工程经济问题，可靠度越高，设计的路面结构就会越安全，建设费用就会较高，后期的维护费用较低，可靠度取低值时正好相反。变异水平等级则与施工技术、施工质量控制和管理水平有关。机械化施工程度较高时，变异水平等级较低，反之则较高。考虑到抽水蓄能电站场内道路一部分是需要硬化的施工临时道路，另外一部分施工期和运行期都要利用的永临结合路段，道路施工难道虽然较高，但是施工单位多为具有特级资质的施工企业。因此，可靠度系数建议按表6进行选取。

表6 可靠度系数表Table 6 Reliability coefficient table

4.3 路肩的结构形式

有关观测资料表明，在行车道上行驶的车辆中，有少部分车辆的右侧车轮会行驶在路肩上。因此，路肩除了要为路面提供侧向支撑以外还应有一定的承载能力，允许车辆停放或临时行驶。考虑到抽水蓄能电站施工期交通运输特点，场内道路通行的载重汽车较多，为了提高车辆行驶的安全性和舒适性，通常设计时都会考虑将路肩进行硬化处理，但是各家设计的设计方案有差别。路肩的设计建议按场内道路等级和承受极重、特重和重交通荷载等级进行设计。

考虑到抽水蓄能电站施工期交通运输特点，建议水电二级路和承受极重、特重和重交通荷载等级的路段，硬路肩与行车道采用相同的路面结构层组合和组成材料类型；水电三级路段建议基层和底基层与行车道路面结构采用相同的材料类型和厚度，面层采用C20进行硬化，面层厚度与行车道面层厚度相同。

5 应力吸收层

由表5计算结果可以看出，单轴较大轴载并不会导致混凝土面板开裂或者断裂，造成水泥混凝土路面面层开裂的主要原因是疲劳破坏。目前，抽水蓄能电站场内道路设计中经常是通过增加路面结构的厚度来克服疲劳破坏，这种做法会在一定程度上造成浪费[5]。借鉴重载公路设计的做法，建议场内道路受极重、特重和重交通荷载等级的路段路面结构的面层和基层之间增设应力吸收层。应力吸收层一般采用细粒式密集配沥青混合料，厚度一般为2～3cm[6]。

设置应力吸收层有以下优点：

（1）设置应力吸收层后，水泥稳定粒料基层由于温度和湿度变化产生的收缩不再直接作用于水泥混凝土面板，而是作用于应力吸收层。可以避免水泥混凝土面层板在早期强度不够的情况下由于基层收缩产生的裂隙。

（2）水泥混凝土路面直接浇筑在水泥稳定粒料基层上，水泥会渗入到基层表面的间隙内，形成过渡层，过渡层的破坏易造成混凝土面层板的破坏。设置应力吸收层后，可以起到很好的隔离作用，避免形成薄弱的过渡层，降低面层板运动对基层底面的磨损，降低基层脱空的可能性。

（3）水泥混凝土路面设置应力吸收层后，会使面层板和基层独立起来，在基层产生裂缝的情况下，不影响路面板的工作状况。基层由于温缩和干缩引起的体积膨胀收缩发生开裂，并且裂缝顶面应力集中，设置的应力吸收层具有承受基层顶面的拉应力的作用，有效阻止了基层裂缝向面层板扩展，降低了反射裂缝对面层板的影像[7]。

考虑到抽水蓄能电站施工期交通运输特点，建议场内永临结合路和承受极重、特重和重交通荷载等级的路段增设应力吸收层。应力吸收层的增设对于承受极重、特重和重交通荷载等级的路段可以优化路面结构，提高路面的耐久性。对于场内永临结合路，设置应力吸收层后，可以减轻路面在施工期的破坏程度，降低路面在运行期的维护成本[8]。