抽水蓄能電站場內(nèi)道路水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

閆 賓 ，王 昱

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100073）

0 引言

抽水蓄能電站場內(nèi)道路承擔(dān)著基建期內(nèi)各施工場地之間的物質(zhì)運(yùn)輸任務(wù)，是聯(lián)系抽水蓄能電站廠區(qū)內(nèi)各個(gè)主要建筑物、構(gòu)筑物、管理區(qū)之間的交通道路，基建期完成轉(zhuǎn)到運(yùn)行期之后還要滿足運(yùn)行管理人員的交通需要和生產(chǎn)需要。抽水蓄能電站基建期內(nèi)會有大量的外來物資轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)場，上、下庫大壩會有較大量土石方填筑，混凝土系統(tǒng)和砂石骨科系統(tǒng)以及攪拌完成混凝的澆筑運(yùn)輸，這些因素的存在，導(dǎo)致場內(nèi)交通運(yùn)輸情況復(fù)雜。

抽水蓄能電站場內(nèi)交通道路使用高峰會在基建期內(nèi)出現(xiàn)，為了滿足基建期交通需求，具有整體性好，強(qiáng)度高，平整度好的混凝土路面結(jié)構(gòu)形式較多被采用。場內(nèi)道路設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮的是道路的走向和規(guī)模，影響場內(nèi)道路走向和規(guī)模的最主要因素一般是主要物料運(yùn)輸流向和運(yùn)輸強(qiáng)度。場內(nèi)的多條道路有的是臨時(shí)性的施工道路，有的是永臨結(jié)合的道路。

目前，國內(nèi)的水電設(shè)計(jì)院對抽水蓄能電站場內(nèi)道路設(shè)計(jì)時(shí)主要技術(shù)指標(biāo)參考《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5397—2007）[1]、《水電水利工程場內(nèi)施工道路技術(shù)規(guī)范》 （DL/T 5243—2010）[2]有關(guān)規(guī)定，如果遇到一些指標(biāo)在水電行業(yè)相關(guān)規(guī)范中未明確的情況時(shí)，可以參照現(xiàn)行公路相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。 《水電水利工程場內(nèi)施工道路技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5243—2010）對于場內(nèi)路的定義是“在水電水利工程施工區(qū)域內(nèi)，根據(jù)工程建設(shè)需要設(shè)置的臨時(shí)道路”，《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5397—2007）對于場內(nèi)路的定義是“聯(lián)系施工工地內(nèi)部各工區(qū)、料場、堆棄渣場、各生產(chǎn)工區(qū)之間的交通，擔(dān)負(fù)施工期內(nèi)部的運(yùn)輸”。以上兩個(gè)規(guī)范對于場內(nèi)交通的定義只是局限于施工期內(nèi)。目前，設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)時(shí)只是單純根據(jù)預(yù)測的交通量對路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒有考慮到永臨結(jié)合路段的耐久性，永臨結(jié)合的道路應(yīng)區(qū)別于其他道路進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，2011年實(shí)施的《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）[3]對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算理論、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式、設(shè)計(jì)軸載作用次數(shù)NS換算方法等內(nèi)容進(jìn)行了更新。

1 目前主要的設(shè)計(jì)理論及方法

（1）《水電水利工程場內(nèi)施工道路技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5243—2010）中計(jì)算水泥混凝土路面板及基層厚度推薦的方法是彈性層狀體系，《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）中計(jì)算水泥混凝土路面板及基層厚度推薦的方法是彈性地基板理論。彈性層狀體系和彈性地基板理論均可用于水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算，考慮到目前設(shè)計(jì)的水泥混凝土面層板長度多為4～6m，尺寸有限，其彈性模量遠(yuǎn)大于面層下的結(jié)構(gòu)層和地基，因此，選用《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）推薦的彈性地基板理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是合適的。

（2）把路面結(jié)構(gòu)分為地基和板兩部分進(jìn)行分析是彈性地基板理論和彈性層狀體系的最大區(qū)別。目前，在建的抽水蓄能電站場內(nèi)道路路面的基層多為水泥穩(wěn)定碎石，底基層多為級配碎石，水泥穩(wěn)定碎石的剛度（回彈模量）接近于水泥混凝土面層，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底基層級配碎石的剛度（回彈模量），基層和底基層材料回彈模量經(jīng)驗(yàn)參考值見表1。

表1 基層和底基層材料回彈模量經(jīng)驗(yàn)參考值表Table 1 Empirical reference table of resilience modulus of base and subbase materials（MPa）

（3）通常計(jì)算過程中，會將水泥穩(wěn)定碎石基層與級配碎石底基層和路基組合成彈性地基，按照它們的綜合模量計(jì)算面層的厚度。單純地采用綜合模量計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果一般比較保守，當(dāng)基層底面所承受的彎拉應(yīng)力超過其自身的最大承載力時(shí)，基層可能會開裂，這種情況在計(jì)算時(shí)可能被忽視。將水泥穩(wěn)定碎石基層和混凝土面層組合到一起，按彈性地基分離式雙層板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，水泥穩(wěn)定碎石基層和混凝土面層雖然是按照彈性地基進(jìn)行考慮，但是是將它們看做分離的雙層板，這樣分析可以凸現(xiàn)出水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)特性，并可以通過調(diào)節(jié)面層和基層的厚度，使得上、下層的板應(yīng)力和強(qiáng)度處于協(xié)調(diào)平衡的狀態(tài)。

表2 不同類型基層和面層組合時(shí)的計(jì)算模型Table 2 Computing model for combination of different types of base and surface layers

路面的斷裂、錯(cuò)位、裂縫是水泥混凝土路面破壞的主要形式，造成面層板裂縫和斷裂的原因有很多。參考相關(guān)研究成果，水泥混凝土路面受到路面荷載后，直到路面結(jié)構(gòu)完全破壞為止，大致劃分為4個(gè)階段，這是只要考慮變形特征和受力特性進(jìn)行劃分的[4]。

（1）在面層板上施加荷載P，荷載作用下面層板處于彈性狀態(tài)，面層、基層、底基層協(xié)調(diào)變形受力。這是第一階段。

（2）繼續(xù)加大荷載P，面層、基層、底基層協(xié)調(diào)變形受力使得板底的最大彎拉應(yīng)力達(dá)到抗彎拉強(qiáng)度，此時(shí)，面層板承受的荷載可以稱為屈服荷載Py,面層板會產(chǎn)生徑向裂隙。雖然徑向裂隙已經(jīng)產(chǎn)生，整個(gè)面層板還處于彈性階段，屈服荷載Py可以認(rèn)為是彈性階段的最大荷載。這是第二階段。

（3）繼續(xù)加大荷載P，徑向裂隙進(jìn)一步加大，同時(shí)產(chǎn)生了更多的徑向裂隙，至面層板的中心呈放射性展開，達(dá)到混凝土抗彎拉強(qiáng)度時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形裂隙，此時(shí)面層板承受的荷載為極限荷載Pb。這是第三階段。

（4）產(chǎn)生環(huán)向裂隙后繼續(xù)加大荷載P，直到面層板出現(xiàn)剪切下陷，面層板徹底破壞，此時(shí)面層板承受最大荷載即為破壞荷載。這是第四階段。

3 重載交通對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響分析

《水電水利工程場內(nèi)施工道路技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5243—2010）中推薦使用彈性層狀體系對水泥混凝土路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，只考慮了設(shè)計(jì)軸載產(chǎn)生的面層最大荷載應(yīng)力，未考慮面層最大溫度應(yīng)力。

抽水蓄能電站施工期土石方運(yùn)輸量較大，是主要的運(yùn)輸需求。通過調(diào)研在建的豐滿、鎮(zhèn)安、績溪、豐寧、句容、文登、阜康、清原等電站，發(fā)現(xiàn)以上電站土石方運(yùn)輸利用較多的是后八輪自卸汽車，滿載總重量多位于20～25t之間，因此，設(shè)計(jì)軸載選用100kN能夠滿足現(xiàn)場需求。

選取目前在建抽水蓄能電站中填土及挖土基路段較常采用的路面結(jié)構(gòu)a、b、c型三種，路面結(jié)構(gòu)層見圖1。計(jì)算水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3，選取常見的單軸軸重100、120、140、160、180、200、250kN，利用《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）中推薦的彈性地基雙層板模型，計(jì)算荷載應(yīng)力值，同時(shí)考慮溫度應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果見表4、表5、圖2。

由表4、表5、圖2可以看出：

（1）面層最大荷載應(yīng)力基本與軸重呈直線變化，荷載應(yīng)力隨著軸重的增加而增加。

（2）面層最大溫度應(yīng)力與軸重?zé)o關(guān)，與面層的厚度及路面的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

（3）利用彈性地基雙層板模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，面層厚度及軸載相同的情況下，水泥穩(wěn)定粒料基層厚度的增加可以降低面層最大荷載應(yīng)力。

（4）基層和底基層相同的情況下，相同軸載作用下增加面層的厚度可以明顯降低面層的最大荷載應(yīng)力。由計(jì)算結(jié)果看，降低幅度隨著軸載的增大而增大，平均約為12%左右。

（5）可靠度系數(shù)γr取1.07，即使軸載達(dá)到250kN時(shí)，a、b、c三種路面結(jié)構(gòu)的面層最大荷載應(yīng)力和最大溫度應(yīng)力之和均達(dá)到水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度5MPa，路面結(jié)構(gòu)是安全的。

（6）抽水蓄能電站場內(nèi)路設(shè)計(jì)時(shí)最大軸載一般為標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，重大件運(yùn)輸車輛的最大軸載一般為250kN左右，

圖1 a、b、c型路面結(jié)構(gòu)圖Figure 1 a, b and c type pavement structure drawings

表3 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表Table 3 Calculating parameter table of cement concrete pavement structure

表4 不同軸載作用下水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表Table 4 Stress calculation table of cement concrete pavement structure under different axle loads

表5 不同軸載作用下水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)綜合作用計(jì)算結(jié)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)

圖2 水泥混凝土路面軸重荷載關(guān)系圖Figure 2 Axle load relation diagram of cement concrete pavement

由此可見，單軸軸載并不會導(dǎo)致混凝土面板開裂或者斷裂，造成混凝土路面面層開裂的主要原因是疲勞損壞。

4 水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中其他影響因素分析

4.1 設(shè)計(jì)軸載作用次數(shù)NS換算及設(shè)計(jì)軸載的選取

《水電水利工程場內(nèi)施工道路技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5243—2010）中推薦的各級軸載換算成設(shè)計(jì)荷載日作用次數(shù)按式（E.1）進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)榛炷谅访娴钠趽p傷對軸重比較敏感，與軸重比成16次方的關(guān)系，建議設(shè)計(jì)軸載作用次數(shù)的換算按《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）中推薦的公式（3.0.6）進(jìn)行計(jì)算。

通過調(diào)研獲知大部分在建抽水蓄能電站土石方運(yùn)輸利用較多的是后八輪自卸汽車，滿載總重量多為22t或25t，因此，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)軸載采用100kN是合適的。對于建設(shè)期運(yùn)輸量較大或者選用特重車型作為運(yùn)輸車輛時(shí)，應(yīng)考慮選取占主要份額特重車型的軸載作為設(shè)計(jì)軸載，避免按100kN設(shè)計(jì)軸載進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，避免設(shè)計(jì)軸載作用次數(shù)NS的計(jì)算結(jié)果到達(dá)天文數(shù)字。

4.2 可靠度系數(shù)的選取

《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）中3.0.4提出了明確要求，同時(shí)還給出了極限狀態(tài)表達(dá)式（3.0.4-1）和式（3.0.4-2），兩個(gè)表達(dá)式計(jì)算時(shí)需要對可靠度系數(shù)γr進(jìn)行取值，《水電水利工程場內(nèi)施工道路技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5243—2010）中推薦的設(shè)計(jì)計(jì)算方法未考慮可靠度系數(shù)γr。

因此，抽水蓄能電站工程水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)就不能簡單地通過查表獲得可靠度系數(shù)γr，通常設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)會按照水電二級道路參考公路三級進(jìn)行選取，水電三級道路參考公路四級道路進(jìn)行選取，選取不同的可靠度系數(shù)對最后路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果影響較大。

影響可靠度系數(shù)γr選取的主要因素是目標(biāo)可靠度和變異水平等級。目標(biāo)可靠度是一個(gè)工程經(jīng)濟(jì)問題，可靠度越高，設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)就會越安全，建設(shè)費(fèi)用就會較高，后期的維護(hù)費(fèi)用較低，可靠度取低值時(shí)正好相反。變異水平等級則與施工技術(shù)、施工質(zhì)量控制和管理水平有關(guān)。機(jī)械化施工程度較高時(shí)，變異水平等級較低，反之則較高?？紤]到抽水蓄能電站場內(nèi)道路一部分是需要硬化的施工臨時(shí)道路，另外一部分施工期和運(yùn)行期都要利用的永臨結(jié)合路段，道路施工難道雖然較高，但是施工單位多為具有特級資質(zhì)的施工企業(yè)。因此，可靠度系數(shù)建議按表6進(jìn)行選取。

表6 可靠度系數(shù)表Table 6 Reliability coefficient table

4.3 路肩的結(jié)構(gòu)形式

有關(guān)觀測資料表明，在行車道上行駛的車輛中，有少部分車輛的右側(cè)車輪會行駛在路肩上。因此，路肩除了要為路面提供側(cè)向支撐以外還應(yīng)有一定的承載能力，允許車輛停放或臨時(shí)行駛?？紤]到抽水蓄能電站施工期交通運(yùn)輸特點(diǎn)，場內(nèi)道路通行的載重汽車較多，為了提高車輛行駛的安全性和舒適性，通常設(shè)計(jì)時(shí)都會考慮將路肩進(jìn)行硬化處理，但是各家設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案有差別。路肩的設(shè)計(jì)建議按場內(nèi)道路等級和承受極重、特重和重交通荷載等級進(jìn)行設(shè)計(jì)。

考慮到抽水蓄能電站施工期交通運(yùn)輸特點(diǎn)，建議水電二級路和承受極重、特重和重交通荷載等級的路段，硬路肩與行車道采用相同的路面結(jié)構(gòu)層組合和組成材料類型；水電三級路段建議基層和底基層與行車道路面結(jié)構(gòu)采用相同的材料類型和厚度，面層采用C20進(jìn)行硬化，面層厚度與行車道面層厚度相同。

5 應(yīng)力吸收層

由表5計(jì)算結(jié)果可以看出，單軸較大軸載并不會導(dǎo)致混凝土面板開裂或者斷裂，造成水泥混凝土路面面層開裂的主要原因是疲勞破壞。目前，抽水蓄能電站場內(nèi)道路設(shè)計(jì)中經(jīng)常是通過增加路面結(jié)構(gòu)的厚度來克服疲勞破壞，這種做法會在一定程度上造成浪費(fèi)[5]。借鑒重載公路設(shè)計(jì)的做法，建議場內(nèi)道路受極重、特重和重交通荷載等級的路段路面結(jié)構(gòu)的面層和基層之間增設(shè)應(yīng)力吸收層。應(yīng)力吸收層一般采用細(xì)粒式密集配瀝青混合料，厚度一般為2～3cm[6]。

設(shè)置應(yīng)力吸收層有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）設(shè)置應(yīng)力吸收層后，水泥穩(wěn)定粒料基層由于溫度和濕度變化產(chǎn)生的收縮不再直接作用于水泥混凝土面板，而是作用于應(yīng)力吸收層?？梢员苊馑嗷炷撩鎸影逶谠缙趶?qiáng)度不夠的情況下由于基層收縮產(chǎn)生的裂隙。

（2）水泥混凝土路面直接澆筑在水泥穩(wěn)定粒料基層上，水泥會滲入到基層表面的間隙內(nèi)，形成過渡層，過渡層的破壞易造成混凝土面層板的破壞。設(shè)置應(yīng)力吸收層后，可以起到很好的隔離作用，避免形成薄弱的過渡層，降低面層板運(yùn)動(dòng)對基層底面的磨損，降低基層脫空的可能性。

（3）水泥混凝土路面設(shè)置應(yīng)力吸收層后，會使面層板和基層獨(dú)立起來，在基層產(chǎn)生裂縫的情況下，不影響路面板的工作狀況。基層由于溫縮和干縮引起的體積膨脹收縮發(fā)生開裂，并且裂縫頂面應(yīng)力集中，設(shè)置的應(yīng)力吸收層具有承受基層頂面的拉應(yīng)力的作用，有效阻止了基層裂縫向面層板擴(kuò)展，降低了反射裂縫對面層板的影像[7]。

考慮到抽水蓄能電站施工期交通運(yùn)輸特點(diǎn)，建議場內(nèi)永臨結(jié)合路和承受極重、特重和重交通荷載等級的路段增設(shè)應(yīng)力吸收層。應(yīng)力吸收層的增設(shè)對于承受極重、特重和重交通荷載等級的路段可以優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)，提高路面的耐久性。對于場內(nèi)永臨結(jié)合路，設(shè)置應(yīng)力吸收層后，可以減輕路面在施工期的破壞程度，降低路面在運(yùn)行期的維護(hù)成本[8]。

圖3 增設(shè)應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Pavement structure chart with additional stress absorption layer

6 總結(jié)及建議

（1）抽水蓄能電站場內(nèi)道路水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建議選用《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）推薦的彈性地基板理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。并根據(jù)基層的結(jié)構(gòu)形式，選取彈性地基單層板模型或者彈性地基雙層板模型。

（2）抽水蓄能電站場內(nèi)路設(shè)計(jì)時(shí)最大軸載一般為標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，重大件運(yùn)輸車輛的最大軸載一般為250kN左右，單軸軸載并不會導(dǎo)致混凝土面板開裂或者斷裂，造成水泥混凝土路面面層開裂的主要原因是疲勞損壞。

（3）抽水蓄能電站場內(nèi)道路工程水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)可靠度系數(shù)γr不建議簡單參考《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）表3.0.1所列數(shù)值，建議考慮場內(nèi)道路等級并結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行選取。

（4）考慮到抽水蓄能電站施工期交通運(yùn)輸特點(diǎn)，建議根據(jù)道路等級或交通等級對路肩進(jìn)行硬化處理，保證載重車輛可以在路肩上停放或臨時(shí)行駛。

（5）抽水蓄能電站施工期交通運(yùn)輸量較大的項(xiàng)目，建議在場內(nèi)道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮在交通等級較高的路段增設(shè)應(yīng)力吸收層，并與常規(guī)的增加路面結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比。在考慮永臨結(jié)合路段道路路面結(jié)構(gòu)耐久性的前提下，選取較優(yōu)的路面結(jié)構(gòu)形式。