長河壩水電站地下廠房巖壁吊車梁設計

張 志 軍，　程 麗 娟，　譚 可 奇

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都　610072)

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長河壩水電站地下廠房巖壁吊車梁設計

張 志 軍，程 麗 娟，譚 可 奇

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站地下廠房安裝雙小車電動雙梁橋式QDWHX420+420/16 t-27 m 型起重機，橋機一側軌道上的吊車輪數為10，最大輪壓為860 kN。根據《地下廠房巖壁吊車梁設計規范》Q/CHECC 003-2008，對吊車梁的布置、截面尺寸、受拉錨桿截面面積及與巖壁結合面的穩定性進行了全面分析、計算并根據有限元計算成果，最終確定了巖壁吊車梁的截面形狀及錨固支護方案。

關鍵詞：巖壁吊車梁；橋基輪壓；有限元；錨桿應力；長河壩水電站

1工程概述

長河壩水電站地下廠房系統安裝4臺機組，總裝機容量為2 600 MW。主機間尺寸為147 m×30.8 m×73.35 m(長×寬×高)，安 裝 間 長60.9 m、副廠房長20.9 m，廠房總長度為228.8 m。

廠內安裝雙小車電動雙梁橋式QDWHX420+420/16t-27 m 型起重機，橋機一側軌道上的吊車輪數為10，最大輪壓為860 kN，最小輪壓為320 kN，縱向剎車力為68 kN，水平剎車力為68 kN；吊車基本特征輪距L1為0.75 m，L2為1.512 m，軌道及附件重力為2 kN/m(圖1)。

圖1　吊車梁輪壓布置圖

2工程地質條件

地下廠房區巖性以晉寧～澄江期花崗巖為主，巖體強度高，主要結構面為次級小斷層、擠壓破碎帶和節理裂隙。巖體完整性好，圍巖多呈次塊狀結構，次為鑲嵌狀結構和塊狀結構，少量為碎裂結構，圍巖類別以Ⅲ～Ⅱ類為主，局部裂隙密集帶及斷層破碎帶為Ⅳ類。

3巖壁吊車梁設計

巖壁吊車梁與廠房建筑物的結構安全級別相同。巖壁吊車梁的錨桿應力由圍巖釋放的應力與荷載產生的應力組成。

在長河壩水電站巖壁開挖過程中，部分巖壁超挖、成型較差，但在吊車梁澆筑之前已對該部分巖壁進行了加固修復處理，修復后的巖壁強度不低于天然圍巖強度。因此，筆者僅對設計標準斷面下存在的工況進行計算。

筆者進行的計算工況及相應作用(荷載)效應組合情況見表1。

3.1剛體極限平衡法

(1)巖壁吊車梁結構參數初擬。

根據國內已建和在建地下水電站工程巖壁吊車梁設計經驗并考慮地質條件等多種因素，初擬了巖壁吊車梁界面尺寸、受拉受壓錨桿的直徑、間距、入巖位置以及傾角等參數。巖壁吊車梁結構形式及支護參數見圖2。

(2)受拉壓錨桿截面積驗算。

巖壁吊車梁結構設計采用概率理論為基礎的極限狀態設計方法，按照分項系數設計表達式進行計算。根據規范計算得到的兩種工況下的滑動力矩和抗滑力矩見表2?？够卮笥诨瑒恿?，滿足規范設計要求。

表1　設計狀況及作用荷載組合表

備注：吊車動荷載取額定荷載的1.1倍。

圖2　巖壁吊車梁示意圖

表2　滑動力矩和抗滑力矩表

(3)巖壁吊車梁與巖壁結合面抗滑穩定驗算。

根據規范計算得到的兩種工況下的下滑力和阻滑力見表3。阻滑力大于下滑力，滿足規范設計要求。

表3　滑動力和抗滑力表

(4)受拉錨桿錨固長度驗算。

將膠結材料與孔壁巖石的粘結強度標準值取0.8 MPa，錨桿孔直徑取55 mm；膠結材料與鋼筋的粘結強度標準值取2 MPa。根據規范計算得到的兩種工況下的錨固深度見表4，均小于錨桿實際錨固深度。

表4　錨固深度計算表

3.2有限元法

(1)物理力學參數。

圍巖及支護材料的物理力學參數見表5、6。對圍巖與巖壁吊車梁之間豎向接觸面范圍均涂抹了瀝青，按全脫開處理，其斜向接觸面的物理力學參數見表7。

表5　廠區圍巖物理力學參數表

表6　支護材料物理力學參數表

表7　接觸面物理力學參數表

(2)三維有限元計算模型。

第一、二排受拉錨桿和底部受壓錨桿的間距均為0.75 m?，F取此間距長度巖壁吊車梁作為計算單元。巖壁吊車梁三維有限元模型的坐標系取順河方向為X軸，豎直方向為Y軸，橫河方向為Z軸。巖體和混凝土結構采用六面體單元(solid65)，錨桿采用桿單元(link8)，圍巖與巖壁吊車梁斜向接觸面采用接觸單元(CONTA173和TARGE170)模擬。邊界條件：在圍巖上、下側和內側施加固端約束，在吊車梁順軸向兩側施加法向約束。巖壁吊車梁和錨桿結構網格的尺寸大致為巖壁吊車梁高度的1/16，圍巖部分網格尺寸從吊車梁部位向外圍逐漸增大。圍巖、吊車梁、錨桿及接觸面的網格見圖3～6。

圖3　圍巖網格示意圖

圖4　吊車梁網格示意圖

圖5　錨桿網格示意圖

將吊車梁上柱傳遞的荷載以及防潮墻荷載轉化成面荷載輸入，軌道上附件重力、吊車豎向荷載及吊車水平荷載轉化成節點荷載輸入，結構自重通過施加豎向重力加速度值體現。圖7、8表示了模型面荷載與點荷載的分布情況。由剛體極限平衡法計算結果可見：短暫工況乃是控制工況，因此，有限元法只對控制工況進行計算。

(3)計算結果。

圖9為短暫工況下的錨桿應力云圖，最大拉應力出現在第一排錨桿，為109.047 MPa，小于錨桿的抗拉強度設計值300 MPa，最大壓應力出現在底部錨桿，為11.783 MPa。圖10為吊車梁位移云圖，吊車梁最大變形值為0.365 mm，出現在軌道埋件附件。圖11和圖12為短暫工況下接觸面處法向應力和摩擦應力云圖，最大壓應力出現在吊車梁的底部，為2.257 MPa，遠小于混凝土軸心抗壓強度設計值11.9 MPa。

圖6　接觸面網格示意圖

圖7　防潮墻、上柱均布荷載示意圖

圖8　軌道處豎向、水平荷載示意圖

4結語

圖9　錨桿軸向應力云圖

圖10　吊車梁位移云圖

長河壩水電站巖壁吊車梁根據《地下廠房巖壁吊車梁設計規范》中的計算方法進行設計，第一排、第二排受拉錨桿的承載力、錨固深度及吊車梁整體的抗滑穩定性均滿足規范要求。

用桿單元模擬受拉壓錨桿、實體單元模擬圍巖與吊車梁結構、接觸單元模擬接觸面并考慮實際情況中吊車梁承受的荷載，有限元法較好地模擬了巖壁吊車梁的真實受力情況。與剛體極限平衡法相比，有限元法可以更加準確地模擬巖壁吊車梁的工作機理，更加全面地反映吊車梁各個部位的應力狀況，從而為吊車梁的支護與配筋提供更為可靠的保障。

圖11　接觸面法向應力云圖

圖12　接觸面摩擦應力云圖

張志軍(1987-)，男，內蒙古烏蘭察布人，工程師，碩士，從事地下工程、水利水電工程設計及科研工作；

程麗娟(1984-)，女，四川仁壽人，高級工程師，博士，從事地下工程、巖土工程等方面的設計和科研工作；

譚可奇(1980-)，男，陜西石泉人，副處長兼設計副總工程師，高級工程師，碩士，從事水電水利工程勘測設計、項目管理及科研工作.

(責任編輯：李燕輝)

中水五局公司獲兩項國家發明專利

日前，由中水五局公司申報的“一種快速拆裝結構的減壓板”及“一種減壓板跨心墻道路快速拆裝方法”成功獲得國家知識產權局授權的國家發明專利，為集團公司重大科研專項(300米級高堆石壩施工關鍵技術研究》再添碩果?！耙环N快速拆裝結構的減壓板”及“一種減壓板跨心墻道路快速拆裝方法”發明專利關鍵技術是通過對高礫石土心墻壩跨心墻運輸技術進行研究，提出了一種減壓板跨心墻道路結構及其快速鋪設連接安裝、拆御的方法，以保證跨心墻道路能夠滿足土石壩填筑施工過程中跨心墻道路的鋪設、連接、拆除及高強度快速施工條件下跨心墻道路的位置不斷轉換要求。通過實際過車試驗實測了不同跨心墻道路修建方式下的心墻土料應力值變化，最終得出了減壓板跨心墻道路最優的試驗結論。有效解決了高心墻土石壩建設過程長距離繞壩運輸造成的資源浪費，有利提高了施工組織調度和平衡規劃，提高了施工效率，經濟和環保效益顯著。近年來，中水五局公司依托國內在建的河床深厚覆蓋層上的最高土石壩——長河壩水電站大壩工程，積極開展高土石壩施工關鍵技術研究，注重新技術和新方法的研發，在高土石壩施工領域屢獲國家及省部級科技獎勵，對于提升超高堆石壩施工技術能力，保證集團公司在高土石壩施工領域的優勢地位將起到積極的推動作用。

作者簡介:

收稿日期:2015-12-21

文章編號:1001-2184(2016)01-0039-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV222