水電站車行棧道設計研究
——以藏木水電站車行棧道為例

王 維,陳 曦

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

水電站車行棧道設計研究
——以藏木水電站車行棧道為例

王 維,陳 曦

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072)

棧道作為適應于陡壁的一種結(jié)構(gòu)，應用于布線困難的陡壁路段，常見的棧道設計多應用于景區(qū)人行通行，對車行棧道設計方面研究較少，結(jié)合水電站建設中的工程案例，對車行棧道結(jié)構(gòu)設計力學模型分析，進行車行棧道安全性評價，對車行棧道結(jié)構(gòu)設計提出一些看法和體會。

車行棧道；力學模型；安全評價

0 前 言

棧道原指沿懸崖峭壁修建的一種道路。又稱閣道、復道。中國在戰(zhàn)國時即已修建棧道。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)代的具有強度高、自重輕特點的鋼材。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)與機器鉆孔技術(shù)[1]。

近年來，隨著水電建設的發(fā)展，偏遠山區(qū)的交通建設日益增多，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，造價高。棧道作為一種較特殊的結(jié)構(gòu)形式，適用于低等級公路穿越陡壁路段。目前，國內(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。考慮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法滿足強度要求，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計方案已經(jīng)被廣泛用于各大景區(qū)，但相應棧道結(jié)構(gòu)設計的安全評價研究文獻卻不多。2008年，宋建學、袁英保和劉賀龍三人提出了對于棧道安全評價的一般程序，并結(jié)合實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 點對棧道結(jié)構(gòu)進行安全評價，其中，棧道自身結(jié)構(gòu)為最主要的安全評價內(nèi)容[2]。

直至今日，并沒有任何規(guī)范是專門用于棧道的，而對于不常用的車行棧道，連相應的文獻研究都無法找到。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)形式以及分析項目相同，本文旨在依據(jù)人行棧道的安全評價流程，結(jié)合于本次實際工程中的車行棧道進行安全評價，對車行棧道的設計提出一些建議。

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。

本工程項目位于藏木水電站場內(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的4號公路(以下簡稱4號公路)，4號公路路線布置于雅魯藏布江右岸，公路起點位于藏木水電站壩址下游0.9 km，與2號公路的大壩下游藏木橋右岸橋頭連接，終點位于藏木水電站大壩右岸供料平臺，其間連接布置于電站右岸的混凝土拌和系統(tǒng)，路線全長0.88 km。

4號公路K0+600.00～K0+710.00 m段開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。針對該情況，對4號公路K0+600.00～K0+810.00 m段進行了橋梁、隧道、明路等多方案設計。因陡壁高度約30 m，若采用橋梁方案，則橋梁墩柱高達15 m，施工難度大，且對尾水渠邊坡存在影響；若采用隧道方案，抵制條件復雜，施工難度大。因以上兩種方案工程造價高，最終確定采用明路方案。之后結(jié)合現(xiàn)場實際情況展開了明路方案施工圖階段的擋墻方案與棧道結(jié)構(gòu)經(jīng)過陡壁段為主的綜合方案設計，最終確定采用棧道為主的綜合方案。

2 工程設計

2.1 總體布置

棧道工程布置于4號公路樁號里程范圍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，可選取一個單元進行內(nèi)力計算。對于單斜柱式鋼筋混凝土棧道，內(nèi)力計算需要考慮棧道所用結(jié)構(gòu)形式、材料以及節(jié)點連接方式，提取棧道受力計算的基礎模型。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、防撞護欄、泄水管等)的自重。活荷載主要為汽車荷載，設計荷載為汽-40級。地震荷載為實際測量值采用地震動峰值加速度系數(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 安全性評價

3.1 安全性評價程序

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

棧道依附巖體安全評價：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計承重需求，對所依附的巖體力學性質(zhì)、物質(zhì)組成、裂隙發(fā)展等需要進行相應的安全評價。

棧道結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)合處的安全評價：棧道與巖體結(jié)合處必須在現(xiàn)場施工完成，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)量必須對結(jié)合處進行安全性評價。

棧道自身結(jié)構(gòu)的安全評價：棧道自身結(jié)構(gòu)安全評價作為安全性評價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)，可取一個單元進行計算，內(nèi)力計算需要考慮棧道結(jié)構(gòu)形式、材料、約束等因素。棧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算包括強度、剛度、穩(wěn)定性驗算。

棧道附屬結(jié)構(gòu)的安全評價：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)對棧道結(jié)構(gòu)本身沒有直接影響，但對棧道的使用者的安全至關重要。

3.2 棧道結(jié)構(gòu)模型計算

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)實際情況和精度要求，棧道橫梁與斜柱均采用梁單元模擬，共劃分16個單元，其中橫梁劃分10個單元，斜柱劃分6個單元；模型共2個邊界條件，橫梁與斜柱連接部分為剛接，計算模型如圖1所示。

圖1 棧道結(jié)構(gòu)計算模型

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]有相應規(guī)范，本次棧道項目設計采用《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD60-2015)相關規(guī)定。計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、防撞護欄、泄水管等)、汽車荷載(汽-40級)、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軟件自動計算，一個棧道結(jié)構(gòu)相當于承載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材料總重計算，并以連續(xù)線荷載施加于棧道結(jié)構(gòu)橫梁上，計算值為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，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，計算值為82.96 kN/m。

圖2 棧道結(jié)構(gòu)計算模型

(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地震時程波函數(shù)施加，并采用地震動峰值加速度系數(shù)：0.10。

3.3 棧道結(jié)構(gòu)安全性評價

本文安全性評價旨在對成橋階段(運營階段)進行鹽酸分析。

3.3.1 驗算橫梁上最大彎矩處的強度

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)[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 驗算斜柱上最大彎矩處的強度

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)定性驗算

驗算斜柱上的受壓穩(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價

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)，巖石類型為二長花崗巖，邊坡自然坡度約∠50°～60°。巖體風化主要表現(xiàn)為礦物蝕變、裂面銹染等，弱風化巖體以裂隙風化為主，花崗巖長石礦物出現(xiàn)褪色，裂面以中等～強烈銹染為主，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，強卸荷一般水平深度5～10 m，弱卸荷水平深度20～30 m，弱風化水平深度20～30 m。邊坡展布1條Ⅲ級小斷層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)理裂隙及風化

卸荷控制，主要為Ⅲ1級，局部表淺部為IV級，邊坡整體穩(wěn)定性好。

棧道橫梁錨洞五面均設置Φ22錨桿，間距100 cm梅花型布置，端梁面為3 m，外露1.5 m，其余面進入巖石2 m，外露0.5 m。有效長度橫梁錨洞至少為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。

根據(jù)3.2中計算結(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)的安全性評價

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[4]，若鋪裝或欄桿出現(xiàn)安全性問題，可能會導致行車掉落懸崖。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Φ12鋼筋網(wǎng)，可以滿足公路車行強度需求。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價過程也可以遵循人行棧道安全評價技術(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)四個方面進行安全性評價。

(2)棧道作為跨越陡崖的一種結(jié)構(gòu)，受力明確，造價具有優(yōu)勢。在棧道結(jié)構(gòu)設計中，應重點關注橫梁的強度和剪力、斜柱的軸力和整體穩(wěn)定性方面的內(nèi)容。

(3)位于藏木水電站場內(nèi)交通工程4號公路的

藏木棧道工程經(jīng)過安全性評價研究后得出，該工程滿足運營階段的安全性要求。

(4)因棧道結(jié)構(gòu)設計沒有相應的規(guī)范或標準，此必然會影響設計人員結(jié)構(gòu)設計的效率以及準確性。筆者建議對于棧道結(jié)構(gòu)的下一步研究可先行提出總結(jié)性規(guī)范或標準。

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

[2] 宋建學，袁英保，劉賀龍.旅游棧道安全評價技術(shù)研究[J].鄭州大學學報：工學版，2008，29(3):129-132.

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

2016-09-03

王維(1982-)，女，四川成都人，碩士,高級工程師，從事橋梁設計工作。

U448.18

B

1003-9805(2017)01-0094-05