抽水蓄能電站場內道路水泥混凝土路面結構設計研究

閆 賓 ，王 昱

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100073）

0 引言

抽水蓄能電站場內道路承擔著基建期內各施工場地之間的物質運輸任務，是聯系抽水蓄能電站廠區內各個主要建筑物、構筑物、管理區之間的交通道路，基建期完成轉到運行期之后還要滿足運行管理人員的交通需要和生產需要。抽水蓄能電站基建期內會有大量的外來物資轉運進場，上、下庫大壩會有較大量土石方填筑，混凝土系統和砂石骨科系統以及攪拌完成混凝的澆筑運輸，這些因素的存在，導致場內交通運輸情況復雜。

抽水蓄能電站場內交通道路使用高峰會在基建期內出現，為了滿足基建期交通需求，具有整體性好，強度高，平整度好的混凝土路面結構形式較多被采用。場內道路設計時首先考慮的是道路的走向和規模，影響場內道路走向和規模的最主要因素一般是主要物料運輸流向和運輸強度。場內的多條道路有的是臨時性的施工道路，有的是永臨結合的道路。

目前，國內的水電設計院對抽水蓄能電站場內道路設計時主要技術指標參考《水電工程施工組織設計規范》（DL/T 5397—2007）[1]、《水電水利工程場內施工道路技術規范》 （DL/T 5243—2010）[2]有關規定，如果遇到一些指標在水電行業相關規范中未明確的情況時，可以參照現行公路相關技術規范要求進行設計。 《水電水利工程場內施工道路技術規范》（DL/T 5243—2010）對于場內路的定義是“在水電水利工程施工區域內，根據工程建設需要設置的臨時道路”，《水電工程施工組織設計規范》（DL/T 5397—2007）對于場內路的定義是“聯系施工工地內部各工區、料場、堆棄渣場、各生產工區之間的交通，擔負施工期內部的運輸”。以上兩個規范對于場內交通的定義只是局限于施工期內。目前，設計院設計時只是單純根據預測的交通量對路面結構形式進行設計，沒有考慮到永臨結合路段的耐久性，永臨結合的道路應區別于其他道路進行設計。同時，2011年實施的《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）[3]對水泥混凝土路面結構計算理論、極限狀態設計表達式、設計軸載作用次數NS換算方法等內容進行了更新。

1 目前主要的設計理論及方法

（1）《水電水利工程場內施工道路技術規范》（DL/T 5243—2010）中計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計規范》（JTG D40—2011）中計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構的計算，考慮到目前設計的水泥混凝土面層板長度多為4～6m，尺寸有限，其彈性模量遠大于面層下的結構層和地基，因此，選用《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）推薦的彈性地基板理論進行結構分析是合適的。

（2）把路面結構分為地基和板兩部分進行分析是彈性地基板理論和彈性層狀體系的最大區別。目前，在建的抽水蓄能電站場內道路路面的基層多為水泥穩定碎石，底基層多為級配碎石，水泥穩定碎石的剛度（回彈模量）接近于水泥混凝土面層，遠遠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驗參考值見表1。

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

（3）通常計算過程中，會將水泥穩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算面層的厚度。單純地采用綜合模量計算得到的計算結果一般比較保守，當基層底面所承受的彎拉應力超過其自身的最大承載力時，基層可能會開裂，這種情況在計算時可能被忽視。將水泥穩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行結構分析，水泥穩定碎石基層和混凝土面層雖然是按照彈性地基進行考慮，但是是將它們看做分離的雙層板，這樣分析可以凸現出水泥穩定碎石基層的力學特性，并可以通過調節面層和基層的厚度，使得上、下層的板應力和強度處于協調平衡的狀態。

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

路面的斷裂、錯位、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。參考相關研究成果，水泥混凝土路面受到路面荷載后，直到路面結構完全破壞為止，大致劃分為4個階段，這是只要考慮變形特征和受力特性進行劃分的[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，面層、基層、底基層協調變形受力。這是第一階段。

（2）繼續加大荷載P，面層、基層、底基層協調變形受力使得板底的最大彎拉應力達到抗彎拉強度，此時，面層板承受的荷載可以稱為屈服荷載Py,面層板會產生徑向裂隙。雖然徑向裂隙已經產生，整個面層板還處于彈性階段，屈服荷載Py可以認為是彈性階段的最大荷載。這是第二階段。

（3）繼續加大荷載P，徑向裂隙進一步加大，同時產生了更多的徑向裂隙，至面層板的中心呈放射性展開，達到混凝土抗彎拉強度時會產生一個環形裂隙，此時面層板承受的荷載為極限荷載Pb。這是第三階段。

（4）產生環向裂隙后繼續加大荷載P，直到面層板出現剪切下陷，面層板徹底破壞，此時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構的應力影響分析

《水電水利工程場內施工道路技術規范》（DL/T 5243—2010）中推薦使用彈性層狀體系對水泥混凝土路面進行結構分析，只考慮了設計軸載產生的面層最大荷載應力，未考慮面層最大溫度應力。

抽水蓄能電站施工期土石方運輸量較大，是主要的運輸需求。通過調研在建的豐滿、鎮安、績溪、豐寧、句容、文登、阜康、清原等電站，發現以上電站土石方運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，設計軸載選用100kN能夠滿足現場需求。

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構a、b、c型三種，路面結構層見圖1。計算水泥混凝土路面結構參數見表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計規范》（JTG D40—2011）中推薦的彈性地基雙層板模型，計算荷載應力值，同時考慮溫度應力。計算結果見表4、表5、圖2。

由表4、表5、圖2可以看出：

（1）面層最大荷載應力基本與軸重呈直線變化，荷載應力隨著軸重的增加而增加。

（2）面層最大溫度應力與軸重無關，與面層的厚度及路面的結構有關。

（3）利用彈性地基雙層板模型進行結構分析計算，面層厚度及軸載相同的情況下，水泥穩定粒料基層厚度的增加可以降低面層最大荷載應力。

（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力。由計算結果看，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γr取1.07，即使軸載達到250kN時，a、b、c三種路面結構的面層最大荷載應力和最大溫度應力之和均達到水泥混凝土路面的設計彎拉強度5MPa，路面結構是安全的。

（6）抽水蓄能電站場內路設計時最大軸載一般為標準軸載100kN，重大件運輸車輛的最大軸載一般為250kN左右，

圖1 a、b、c型路面結構圖Figure 1 a, b and c type pavement structure drawings

表3 水泥混凝土路面結構計算參數表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構應力計算結果表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構綜合作用計算結果表（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系圖Figure 2 Axle load relation diagram of cement concrete pavement

由此可見，單軸軸載并不會導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 水泥混凝土路面設計中其他影響因素分析

4.1 設計軸載作用次數NS換算及設計軸載的選取

《水電水利工程場內施工道路技術規范》（DL/T 5243—2010）中推薦的各級軸載換算成設計荷載日作用次數按式（E.1）進行計算。因為混凝土路面的疲勞損傷對軸重比較敏感，與軸重比成16次方的關系，建議設計軸載作用次數的換算按《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）中推薦的公式（3.0.6）進行計算。

通過調研獲知大部分在建抽水蓄能電站土石方運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，設計時設計軸載采用100kN是合適的。對于建設期運輸量較大或者選用特重車型作為運輸車輛時，應考慮選取占主要份額特重車型的軸載作為設計軸載，避免按100kN設計軸載進行設計時，避免設計軸載作用次數NS的計算結果到達天文數字。

4.2 可靠度系數的選取

《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）中3.0.4提出了明確要求，同時還給出了極限狀態表達式（3.0.4-1）和式（3.0.4-2），兩個表達式計算時需要對可靠度系數γr進行取值，《水電水利工程場內施工道路技術規范》（DL/T 5243—2010）中推薦的設計計算方法未考慮可靠度系數γr。

因此，抽水蓄能電站工程水泥混凝土路面結構計算時就不能簡單地通過查表獲得可靠度系數γr，通常設計院進行設計計算時會按照水電二級道路參考公路三級進行選取，水電三級道路參考公路四級道路進行選取，選取不同的可靠度系數對最后路面結構的計算結果影響較大。

影響可靠度系數γr選取的主要因素是目標可靠度和變異水平等級。目標可靠度是一個工程經濟問題，可靠度越高，設計的路面結構就會越安全，建設費用就會較高，后期的維護費用較低，可靠度取低值時正好相反。變異水平等級則與施工技術、施工質量控制和管理水平有關。機械化施工程度較高時，變異水平等級較低，反之則較高。考慮到抽水蓄能電站場內道路一部分是需要硬化的施工臨時道路，另外一部分施工期和運行期都要利用的永臨結合路段，道路施工難道雖然較高，但是施工單位多為具有特級資質的施工企業。因此，可靠度系數建議按表6進行選取。

表6 可靠度系數表Table 6 Reliability coefficient table

4.3 路肩的結構形式

有關觀測資料表明，在行車道上行駛的車輛中，有少部分車輛的右側車輪會行駛在路肩上。因此，路肩除了要為路面提供側向支撐以外還應有一定的承載能力，允許車輛停放或臨時行駛。考慮到抽水蓄能電站施工期交通運輸特點，場內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，通常設計時都會考慮將路肩進行硬化處理，但是各家設計的設計方案有差別。路肩的設計建議按場內道路等級和承受極重、特重和重交通荷載等級進行設計。

考慮到抽水蓄能電站施工期交通運輸特點，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構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構采用相同的材料類型和厚度，面層采用C20進行硬化，面層厚度與行車道面層厚度相同。

5 應力吸收層

由表5計算結果可以看出，單軸較大軸載并不會導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，抽水蓄能電站場內道路設計中經常是通過增加路面結構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[5]。借鑒重載公路設計的做法，建議場內道路受極重、特重和重交通荷載等級的路段路面結構的面層和基層之間增設應力吸收層。應力吸收層一般采用細粒式密集配瀝青混合料，厚度一般為2～3cm[6]。

設置應力吸收層有以下優點：

（1）設置應力吸收層后，水泥穩定粒料基層由于溫度和濕度變化產生的收縮不再直接作用于水泥混凝土面板，而是作用于應力吸收層。可以避免水泥混凝土面層板在早期強度不夠的情況下由于基層收縮產生的裂隙。

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

（3）水泥混凝土路面設置應力吸收層后，會使面層板和基層獨立起來，在基層產生裂縫的情況下，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生開裂，并且裂縫頂面應力集中，設置的應力吸收層具有承受基層頂面的拉應力的作用，有效阻止了基層裂縫向面層板擴展，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輸特點，建議場內永臨結合路和承受極重、特重和重交通荷載等級的路段增設應力吸收層。應力吸收層的增設對于承受極重、特重和重交通荷載等級的路段可以優化路面結構，提高路面的耐久性。對于場內永臨結合路，設置應力吸收層后，可以減輕路面在施工期的破壞程度，降低路面在運行期的維護成本[8]。

圖3 增設應力吸收層的路面結構圖Figure 3 Pavement structure chart with additional stress absorption layer

6 總結及建議

（1）抽水蓄能電站場內道路水泥混凝土路面結構設計時，建議選用《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）推薦的彈性地基板理論進行結構分析。并根據基層的結構形式，選取彈性地基單層板模型或者彈性地基雙層板模型。

（2）抽水蓄能電站場內路設計時最大軸載一般為標準軸載100kN，重大件運輸車輛的最大軸載一般為250kN左右，單軸軸載并不會導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）抽水蓄能電站場內道路工程水泥混凝土路面結構計算時可靠度系數γr不建議簡單參考《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）表3.0.1所列數值，建議考慮場內道路等級并結合工程實際情況進行選取。

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

（5）抽水蓄能電站施工期交通運輸量較大的項目，建議在場內道路路面結構設計時考慮在交通等級較高的路段增設應力吸收層，并與常規的增加路面結構厚度進行技術經濟對比。在考慮永臨結合路段道路路面結構耐久性的前提下，選取較優的路面結構形式。