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構，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人行通行，對車行棧道設計方面研究較少，結合水電站建設中的工程案例，對車行棧道結構設計力學模型分析，進行車行棧道安全性評價，對車行棧道結構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。中國在戰國時即已修建棧道。現代公路已經成網，但在交通閉塞的山區，仍有類似的棧道，供人、畜通行。在現代生產力和科技條件下，人行或畜行棧道使用的材料已經由古代的木材、石材改為現代的具有強度高、自重輕特點的鋼材。棧道施工技術也從古代的人工挖孔改為現代化的炸藥爆破技術與機器鉆孔技術[1]。

近年來，隨著水電建設的發展，偏遠山區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布線的施工難度大，造價高。棧道作為一種較特殊的結構形式，適用于低等級公路穿越陡壁路段。目前，國內棧道多用于峻嶺景區供行人通行，結構形式多為木結構或鋼結構形式，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。鋼筋混凝土結構形式可滿足結構使用功能的需要。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，因此鋼筋混凝土結構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被廣泛用于各大景區，但相應棧道結構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，并結合實際工程從棧道依附的巖體、棧道結構與巖體結合處、棧道自身結構和棧道附屬結構4 點對棧道結構進行安全評價，其中，棧道自身結構為最主要的安全評價內容[2]。

直至今日，并沒有任何規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構形式以及分析項目相同，本文旨在依據人行棧道的安全評價流程，結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山南地區加查縣境內，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，大壩樞紐區位于加查縣藏木鄉上游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，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。之后結合現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構經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。棧道上部結構采用8跨11 m鋼筋混凝土現澆板梁，下部結構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

棧道自身的結構與其它空間結構類似，可選取一個單元進行內力計算。對于單斜柱式鋼筋混凝土棧道，內力計算需要考慮棧道所用結構形式、材料以及節點連接方式，提取棧道受力計算的基礎模型。棧道結構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構自身的重力，還包括上部結構鋼筋混凝土現澆板梁以及其附屬結構(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

根據對棧道結構特點分析，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、棧道與巖體結合處的安全評價、棧道自身結構安全評價、棧道附屬結構安全評價。

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、物質組成、裂隙發展等需要進行相應的安全評價。

棧道結構與巖體結合處的安全評價：棧道與巖體結合處必須在現場施工完成，其工作環境在陡峭懸壁上，施工難度較大，為保證施工質量必須對結合處進行安全性評價。

棧道自身結構的安全評價：棧道自身結構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，即所有結構的自重以及人行、車行荷載、地震荷載等。棧道結構相似于空間框架結構，可取一個單元進行計算，內力計算需要考慮棧道結構形式、材料、約束等因素。棧道結構內力計算包括強度、剛度、穩定性驗算。

棧道附屬結構的安全評價：棧道附屬結構包括鋪裝、欄桿等，雖然棧道附屬結構對棧道結構本身沒有直接影響，但對棧道的使用者的安全至關重要。

3.2 棧道結構模型計算

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 棧道結構計算模型

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

因對棧道沒有相應規范，本次棧道項目設計采用《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2015)相關規定。計算主要考慮了棧道結構自身的重力、上部結構鋼筋混凝土現澆板梁自重、附屬結構(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。鋼筋混凝土棧道結構本身自重按照Midas軟件自動計算，一個棧道結構相當于承載1跨11 m上部結構(鋼筋混凝土現澆板梁及附屬結構)的總重，荷載按照1跨11 m材料總重計算，并以連續線荷載施加于棧道結構橫梁上，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所示布置于上部結構上，并如圖2所示例將荷載轉化于棧道結構橫梁上，計算值為82.96 kN/m。

圖2 棧道結構計算模型

(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地震時程波函數施加，并采用地震動峰值加速度系數：0.10。

3.3 棧道結構安全性評價

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+上部結構恒載+橫向地震荷載+溫降25℃荷載)產生，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+上部結構恒載+橫向地震荷載+溫降25 ℃荷載)產生，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+上部結構恒載+橫向地震荷載+溫降25℃荷載)產生，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+上部結構恒載+橫向地震荷載+溫降25 ℃荷載)產生，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

棧道結構上最大撓度由荷載組合(棧道恒載+上部結構恒載+豎向地震荷載+溫降25℃荷載)產生，如圖8所示，最大撓度值為3.84

3.3.6 穩定性驗算

驗算斜柱上的受壓穩定性，最大軸力由荷載組合(棧道恒載+上部結構恒載+橫向地震荷載+溫降25 ℃荷載)產生，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 棧道結構形變(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。據地表調查及勘探揭示，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，帶內為碎裂巖、碎斑巖，延伸大于400 m，傾坡內；裂隙主要發育三組：①N60°～70°W/SW∠70°～80°;②N40°～60°E /NW∠40°～55°;③N20°～40°E /SE∠70°～75°。邊坡巖體質量主要受節理裂隙及風化

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3.2中計算結果，燕山晚期～喜山期花崗巖可以滿足棧道結構最危險荷載工況所產生的軸力、剪力以及彎矩。

3.5 棧道附屬結構的安全性評價

棧道附屬結構包括上部結構中的鋪裝、欄桿等。附屬結構的安全與使用安全息息相關[4]，若鋪裝或欄桿出現安全性問題，可能會導致行車掉落懸崖。此工程橋面鋪裝采用8～16.5 cm現澆C40合成纖維混凝土+1.2 mm水泥基滲透結晶型防水層，內鋪設Φ12鋼筋網，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 結論及建議

(1)根據人行棧道與車行棧道的結構相似性，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，從棧道自身結構、棧道依附巖體、棧道與巖體連接處和棧道附屬結構四個方面進行安全性評價。

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

(3)位于藏木水電站場內交通工程4號公路的

藏木棧道工程經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)因棧道結構設計沒有相應的規范或標準，此必然會影響設計人員結構設計的效率以及準確性。筆者建議對于棧道結構的下一步研究可先行提出總結性規范或標準。

[1] 葉增平.旅游景區鋼棧道安全評價技術探討[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.淺析橋梁附屬結構的耐久性設計[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