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        水電站車(chē)行棧道設(shè)計(jì)研究
        ——以藏木水電站車(chē)行棧道為例

        2017-03-23 07:51:18維,陳
        水電站設(shè)計(jì) 2017年1期
        關(guān)鍵詞:斜柱車(chē)行棧道

        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(chē)行棧道設(shè)計(jì)研究
        ——以藏木水電站車(chē)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(chē)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(chē)行棧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)模型分析,進(jìn)行車(chē)行棧道安全性評(píng)價(jià),對(duì)車(chē)行棧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些看法和體會(huì)。

        車(chē)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(chēng)閣道、復(fù)道。中國(guó)在戰(zhàn)國(guó)時(shí)即已修建棧道?,F(xiàn)代公路已經(jīng)成網(wǎng),但在交通閉塞的山區(qū),仍有類(lèi)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(chē)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(chē)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(chē)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(zhuān)門(mén)用于棧道的,而對(duì)于不常用的車(chē)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(chē)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(chē)行棧道進(jìn)行安全評(píng)價(jià),對(duì)車(chē)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(chēng)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(lèi)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)荷載。汽車(chē)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(chē)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(lèi)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(chē)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(chē)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(chē)行的使用要求。

        4 結(jié)論及建議

        (1)根據(jù)人行棧道與車(chē)行棧道的結(jié)構(gòu)相似性,車(chē)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

        B

        1003-9805(2017)01-0094-05

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