王 維,陳 曦

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

水電站車行棧道設(shè)計(jì)研究
——以藏木水電站車行棧道為例

王 維,陳 曦

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

棧道作為適應(yīng)于陡壁的一種結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于布線困難的陡壁路段，常見(jiàn)的棧道設(shè)計(jì)多應(yīng)用于景區(qū)人行通行，對(duì)車行棧道設(shè)計(jì)方面研究較少，結(jié)合水電站建設(shè)中的工程案例，對(duì)車行棧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)模型分析，進(jìn)行車行棧道安全性評(píng)價(jià)，對(duì)車行棧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些看法和體會(huì)。

車行棧道；力學(xué)模型；安全評(píng)價(jià)

0 前 言

棧道原指沿懸崖峭壁修建的一種道路。又稱閣道、復(fù)道。中國(guó)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)即已修建棧道。現(xiàn)代公路已經(jīng)成網(wǎng)，但在交通閉塞的山區(qū)，仍有類似的棧道，供人、畜通行。在現(xiàn)代生產(chǎn)力和科技條件下，人行或畜行棧道使用的材料已經(jīng)由古代的木材、石材改為現(xiàn)代的具有強(qiáng)度高、自重輕特點(diǎn)的鋼材。棧道施工技術(shù)也從古代的人工挖孔改為現(xiàn)代化的炸藥爆破技術(shù)與機(jī)器鉆孔技術(shù)[1]。

近年來(lái)，隨著水電建設(shè)的發(fā)展，偏遠(yuǎn)山區(qū)的交通建設(shè)日益增多，但在崇山峻嶺布線困難的陡壁路段按常規(guī)布線的施工難度大，造價(jià)高。棧道作為一種較特殊的結(jié)構(gòu)形式，適用于低等級(jí)公路穿越陡壁路段。目前，國(guó)內(nèi)棧道多用于峻嶺景區(qū)供行人通行，結(jié)構(gòu)形式多為木結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)形式，但斷面寬度、跨度較小，而適用于電站交通運(yùn)輸物資的車行棧道橫斷面較大，跨度較大。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式可滿足結(jié)構(gòu)使用功能的需要?？紤]到施工車輛滿載后本身的自重較大，用于旅游景區(qū)人行的木棧道和鋼棧道可能無(wú)法滿足強(qiáng)度要求，因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被考慮用于車行棧道以滿足承重需求。

人行棧道作為常用的陡壁道路設(shè)計(jì)方案已經(jīng)被廣泛用于各大景區(qū)，但相應(yīng)棧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全評(píng)價(jià)研究文獻(xiàn)卻不多。2008年，宋建學(xué)、袁英保和劉賀龍三人提出了對(duì)于棧道安全評(píng)價(jià)的一般程序，并結(jié)合實(shí)際工程從棧道依附的巖體、棧道結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)合處、棧道自身結(jié)構(gòu)和棧道附屬結(jié)構(gòu)4 點(diǎn)對(duì)棧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，其中，棧道自身結(jié)構(gòu)為最主要的安全評(píng)價(jià)內(nèi)容[2]。

直至今日，并沒(méi)有任何規(guī)范是專門用于棧道的，而對(duì)于不常用的車行棧道，連相應(yīng)的文獻(xiàn)研究都無(wú)法找到。因本次工程所使用的車行棧道與人行棧道的基本結(jié)構(gòu)形式以及分析項(xiàng)目相同，本文旨在依據(jù)人行棧道的安全評(píng)價(jià)流程，結(jié)合于本次實(shí)際工程中的車行棧道進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，對(duì)車行棧道的設(shè)計(jì)提出一些建議。

1 工程概況

藏木水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣境內(nèi)，雅魯藏布江中游沃卡～加查峽谷段出口處，為雅魯藏布江中游河段規(guī)劃的第一個(gè)水電站，壩址距拉薩直線距離約140 km，大壩樞紐區(qū)位于加查縣藏木鄉(xiāng)上游5 km，距加查縣城約17 km，距山南到林芝S306線7 km。

本工程項(xiàng)目位于藏木水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程連接電站下游藏木橋右岸橋頭至大壩右岸供料線平臺(tái)的4號(hào)公路(以下簡(jiǎn)稱4號(hào)公路)，4號(hào)公路路線布置于雅魯藏布江右岸，公路起點(diǎn)位于藏木水電站壩址下游0.9 km，與2號(hào)公路的大壩下游藏木橋右岸橋頭連接，終點(diǎn)位于藏木水電站大壩右岸供料平臺(tái)，其間連接布置于電站右岸的混凝土拌和系統(tǒng)，路線全長(zhǎng)0.88 km。

4號(hào)公路K0+600.00～K0+710.00 m段開(kāi)挖揭示為覆蓋層路基，該段路線下部為電站廠房尾水渠邊坡。針對(duì)該情況，對(duì)4號(hào)公路K0+600.00～K0+810.00 m段進(jìn)行了橋梁、隧道、明路等多方案設(shè)計(jì)。因陡壁高度約30 m，若采用橋梁方案，則橋梁墩柱高達(dá)15 m，施工難度大，且對(duì)尾水渠邊坡存在影響；若采用隧道方案，抵制條件復(fù)雜，施工難度大。因以上兩種方案工程造價(jià)高，最終確定采用明路方案。之后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況展開(kāi)了明路方案施工圖階段的擋墻方案與棧道結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)陡壁段為主的綜合方案設(shè)計(jì)，最終確定采用棧道為主的綜合方案。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

棧道工程布置于4號(hào)公路樁號(hào)里程范圍0+631.0～0+719.0 m。棧道上部結(jié)構(gòu)采用8跨11 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆板梁，下部結(jié)構(gòu)采用單斜柱式鋼筋混凝土棧道，棧道斜柱與橫梁之間夾角為45°。

2.2 力學(xué)分析

棧道自身的結(jié)構(gòu)與其它空間結(jié)構(gòu)類似，可選取一個(gè)單元進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。對(duì)于單斜柱式鋼筋混凝土棧道，內(nèi)力計(jì)算需要考慮棧道所用結(jié)構(gòu)形式、材料以及節(jié)點(diǎn)連接方式，提取棧道受力計(jì)算的基礎(chǔ)模型。棧道結(jié)構(gòu)所承受荷載包括永久荷載、活荷載和地震荷載。永久荷載除包括棧道結(jié)構(gòu)自身的重力，還包括上部結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土現(xiàn)澆板梁以及其附屬結(jié)構(gòu)(橋面鋪裝、防撞護(hù)欄、泄水管等)的自重?；詈奢d主要為汽車荷載，設(shè)計(jì)荷載為汽-40級(jí)。地震荷載為實(shí)際測(cè)量值采用地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)0.10。溫度荷載為以初始溫度20 ℃，整體升溫至40 ℃或整體降溫至-5 ℃。

3 安全性評(píng)價(jià)

3.1 安全性評(píng)價(jià)程序

根據(jù)對(duì)棧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，提出棧道安全評(píng)價(jià)的一般程序分為4部分：棧道依附巖體安全評(píng)價(jià)、棧道與巖體結(jié)合處的安全評(píng)價(jià)、棧道自身結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)、棧道附屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)。

棧道依附巖體安全評(píng)價(jià)：棧道均為修建在陡峭巖壁上，所依附巖體持力層必需滿足設(shè)計(jì)承重需求，對(duì)所依附的巖體力學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)組成、裂隙發(fā)展等需要進(jìn)行相應(yīng)的安全評(píng)價(jià)。

棧道結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)合處的安全評(píng)價(jià)：棧道與巖體結(jié)合處必須在現(xiàn)場(chǎng)施工完成，其工作環(huán)境在陡峭懸壁上，施工難度較大，為保證施工質(zhì)量必須對(duì)結(jié)合處進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

棧道自身結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)：棧道自身結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)作為安全性評(píng)價(jià)程序的核心步驟需要永久荷載和可變荷載，即所有結(jié)構(gòu)的自重以及人行、車行荷載、地震荷載等。棧道結(jié)構(gòu)相似于空間框架結(jié)構(gòu)，可取一個(gè)單元進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)力計(jì)算需要考慮棧道結(jié)構(gòu)形式、材料、約束等因素。棧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。

棧道附屬結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)：棧道附屬結(jié)構(gòu)包括鋪裝、欄桿等，雖然棧道附屬結(jié)構(gòu)對(duì)棧道結(jié)構(gòu)本身沒(méi)有直接影響，但對(duì)棧道的使用者的安全至關(guān)重要。

3.2 棧道結(jié)構(gòu)模型計(jì)算

3.2.1 模型總體框架

采用Midas Civil建立有限元分析模型，根據(jù)實(shí)際情況和精度要求，棧道橫梁與斜柱均采用梁?jiǎn)卧M，共劃分16個(gè)單元，其中橫梁劃分10個(gè)單元，斜柱劃分6個(gè)單元；模型共2個(gè)邊界條件，橫梁與斜柱連接部分為剛接，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 棧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2.2 截面特性

橫梁與斜柱截面幾何特性如表1所示。

表1 截面幾何特性

3.2.3 荷載工況及荷載組合

因?qū)５罌](méi)有相應(yīng)規(guī)范，本次棧道項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2015)相關(guān)規(guī)定。計(jì)算主要考慮了棧道結(jié)構(gòu)自身的重力、上部結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土現(xiàn)澆板梁自重、附屬結(jié)構(gòu)(橋面鋪裝、防撞護(hù)欄、泄水管等)、汽車荷載(汽-40級(jí))、整體升降溫度荷載、地震荷載。

(1)重力荷載。鋼筋混凝土棧道結(jié)構(gòu)本身自重按照Midas軟件自動(dòng)計(jì)算，一個(gè)棧道結(jié)構(gòu)相當(dāng)于承載1跨11 m上部結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土現(xiàn)澆板梁及附屬結(jié)構(gòu))的總重，荷載按照1跨11 m材料總重計(jì)算，并以連續(xù)線荷載施加于棧道結(jié)構(gòu)橫梁上，計(jì)算值為126.13 kN/m，加載方式如圖2所示。

(2)汽車荷載。汽車荷載采用汽-40級(jí)，按圖3所示布置于上部結(jié)構(gòu)上，并如圖2所示例將荷載轉(zhuǎn)化于棧道結(jié)構(gòu)橫梁上，計(jì)算值為82.96 kN/m。

圖2 棧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

(3)溫度荷載以及地震荷載。溫度荷載按照初始溫度20 ℃，整體升溫20 ℃，整體降溫25 ℃考慮。地震荷載以Elcent_h地震時(shí)程波函數(shù)施加，并采用地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)：0.10。

3.3 棧道結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

本文安全性評(píng)價(jià)旨在對(duì)成橋階段(運(yùn)營(yíng)階段)進(jìn)行鹽酸分析。

3.3.1 驗(yàn)算橫梁上最大彎矩處的強(qiáng)度

橫梁上最大彎矩由荷載組合(棧道恒載+上部結(jié)構(gòu)恒載+橫向地震荷載+溫降25℃荷載)產(chǎn)生，如圖4所示，最大彎矩值為6.35 MPa小于19.1 MPa,滿足要求。

3.3.2 驗(yàn)算橫梁上最大剪力

橫梁上最大剪力由荷載組合(棧道恒載+上部結(jié)構(gòu)恒載+橫向地震荷載+溫降25 ℃荷載)產(chǎn)生，如圖5所示，最大剪力值為1.34×10-3MPa小于2.6 MPa,滿足要求。

圖3 汽車荷載(汽-40級(jí))[3] (單位：t)

圖4 橫梁彎矩(荷載組合最大值)(單位：MPa)

圖5 橫梁剪力(荷載組合最大值)(單位：MPa)

3.3.3 驗(yàn)算斜柱上最大彎矩處的強(qiáng)度

斜柱上最大彎矩由荷載組合(棧道恒載+上部結(jié)構(gòu)恒載+橫向地震荷載+溫降25℃荷載)產(chǎn)生，如圖6所示，最大彎矩值為4.36 MPa小于19.1 MPa,滿足要求。

3.3.4 驗(yàn)算斜柱上最大剪力

斜柱上最大剪力由荷載組合(棧道恒載+上部結(jié)構(gòu)恒載+橫向地震荷載+溫降25 ℃荷載)產(chǎn)生，如圖7所示，最大剪力值為0.42 MPa小于2.6 MPa,滿足要求。

3.3.5 剛度驗(yàn)算

棧道結(jié)構(gòu)上最大撓度由荷載組合(棧道恒載+上部結(jié)構(gòu)恒載+豎向地震荷載+溫降25℃荷載)產(chǎn)生，如圖8所示，最大撓度值為3.84

3.3.6 穩(wěn)定性驗(yàn)算

驗(yàn)算斜柱上的受壓穩(wěn)定性，最大軸力由荷載組合(棧道恒載+上部結(jié)構(gòu)恒載+橫向地震荷載+溫降25 ℃荷載)產(chǎn)生，如圖9所示，最大壓應(yīng)力值為4.73 MPa小于19.1 MPa,滿足要求。

圖6 斜柱彎矩(荷載組合最大值)(單位：MPa) 圖7斜柱剪力(荷載組合最大值)(單位：MPa)

圖8 棧道結(jié)構(gòu)形變(荷載組合最大值)(單位：mm) 圖9 斜柱軸向壓應(yīng)力(荷載組合最大值)(單位：MPa)

3.4 棧道依附巖體及與依附巖體連接處的安全性評(píng)價(jià)

該工程段巖性單一，出露的基巖為燕山晚期～喜山期花崗巖(γ5-63)，巖石類型為二長(zhǎng)花崗巖，邊坡自然坡度約∠50°～60°。巖體風(fēng)化主要表現(xiàn)為礦物蝕變、裂面銹染等，弱風(fēng)化巖體以裂隙風(fēng)化為主，花崗巖長(zhǎng)石礦物出現(xiàn)褪色，裂面以中等～強(qiáng)烈銹染為主，錘擊聲較清脆，水平深度一般50～70 m；微新巖體巖石新鮮，錘擊聲清脆。據(jù)地表調(diào)查及勘探揭示，強(qiáng)卸荷一般水平深度5～10 m，弱卸荷水平深度20～30 m，弱風(fēng)化水平深度20～30 m。邊坡展布1條Ⅲ級(jí)小斷層f8，產(chǎn)狀N60°W/NE(SW)∠75°～85°,破碎帶的出露寬度為1 m,影響帶寬度約5 m，帶內(nèi)為碎裂巖、碎斑巖，延伸大于400 m，傾坡內(nèi)；裂隙主要發(fā)育三組：①N60°～70°W/SW∠70°～80°;②N40°～60°E /NW∠40°～55°;③N20°～40°E /SE∠70°～75°。邊坡巖體質(zhì)量主要受節(jié)理裂隙及風(fēng)化

卸荷控制，主要為Ⅲ1級(jí)，局部表淺部為IV級(jí)，邊坡整體穩(wěn)定性好。

棧道橫梁錨洞五面均設(shè)置Φ22錨桿，間距100 cm梅花型布置，端梁面為3 m，外露1.5 m，其余面進(jìn)入巖石2 m，外露0.5 m。有效長(zhǎng)度橫梁錨洞至少為4 m，斜撐錨洞深至少3 m。采用回填注漿以保證橫梁錨洞澆筑密實(shí)。

根據(jù)3.2中計(jì)算結(jié)果，燕山晚期～喜山期花崗巖可以滿足棧道結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)荷載工況所產(chǎn)生的軸力、剪力以及彎矩。

3.5 棧道附屬結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)

棧道附屬結(jié)構(gòu)包括上部結(jié)構(gòu)中的鋪裝、欄桿等。附屬結(jié)構(gòu)的安全與使用安全息息相關(guān)[4]，若鋪裝或欄桿出現(xiàn)安全性問(wèn)題，可能會(huì)導(dǎo)致行車掉落懸崖。此工程橋面鋪裝采用8～16.5 cm現(xiàn)澆C40合成纖維混凝土+1.2 mm水泥基滲透結(jié)晶型防水層，內(nèi)鋪設(shè)Φ12鋼筋網(wǎng)，可以滿足公路車行強(qiáng)度需求。欄桿采用公路用混凝土+鋼管防撞欄桿，能夠滿足一般車行的使用要求。

4 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)人行棧道與車行棧道的結(jié)構(gòu)相似性，車行棧道的安全性評(píng)價(jià)過(guò)程也可以遵循人行棧道安全評(píng)價(jià)技術(shù)，從棧道自身結(jié)構(gòu)、棧道依附巖體、棧道與巖體連接處和棧道附屬結(jié)構(gòu)四個(gè)方面進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

(2)棧道作為跨越陡崖的一種結(jié)構(gòu)，受力明確，造價(jià)具有優(yōu)勢(shì)。在棧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橫梁的強(qiáng)度和剪力、斜柱的軸力和整體穩(wěn)定性方面的內(nèi)容。

(3)位于藏木水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程4號(hào)公路的

藏木棧道工程經(jīng)過(guò)安全性評(píng)價(jià)研究后得出，該工程滿足運(yùn)營(yíng)階段的安全性要求。

(4)因棧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，此必然會(huì)影響設(shè)計(jì)人員結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率以及準(zhǔn)確性。筆者建議對(duì)于棧道結(jié)構(gòu)的下一步研究可先行提出總結(jié)性規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 葉增平.旅游景區(qū)鋼棧道安全評(píng)價(jià)技術(shù)探討[J].四川建筑科學(xué)研究，2012，38(4):107-110.

[2] 宋建學(xué)，袁英保，劉賀龍.旅游棧道安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2008，29(3):129-132.

[3] 唐家禧.淺析橋梁附屬結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)[J].建材與裝飾，2011(5):163-166.

2016-09-03

王維(1982-)，女，四川成都人，碩士,高級(jí)工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

U448.18

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1003-9805(2017)01-0094-05