長(zhǎng)河壩水電站地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)

張 志 軍，　程 麗 娟，　譚 可 奇

(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)

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長(zhǎng)河壩水電站地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)

張 志 軍，程 麗 娟，譚 可 奇

(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)

摘要：長(zhǎng)河壩水電站地下廠房安裝雙小車電動(dòng)雙梁橋式QDWHX420+420/16 t-27 m 型起重機(jī)，橋機(jī)一側(cè)軌道上的吊車輪數(shù)為10，最大輪壓為860 kN。根據(jù)《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》Q/CHECC 003-2008，對(duì)吊車梁的布置、截面尺寸、受拉錨桿截面面積及與巖壁結(jié)合面的穩(wěn)定性進(jìn)行了全面分析、計(jì)算并根據(jù)有限元計(jì)算成果，最終確定了巖壁吊車梁的截面形狀及錨固支護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：巖壁吊車梁；橋基輪壓；有限元；錨桿應(yīng)力；長(zhǎng)河壩水電站

1工程概述

長(zhǎng)河壩水電站地下廠房系統(tǒng)安裝4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 600 MW。主機(jī)間尺寸為147 m×30.8 m×73.35 m(長(zhǎng)×寬×高)，安 裝 間 長(zhǎng)60.9 m、副廠房長(zhǎng)20.9 m，廠房總長(zhǎng)度為228.8 m。

廠內(nèi)安裝雙小車電動(dòng)雙梁橋式QDWHX420+420/16t-27 m 型起重機(jī)，橋機(jī)一側(cè)軌道上的吊車輪數(shù)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(zhì)條件

地下廠房區(qū)巖性以晉寧～澄江期花崗巖為主，巖體強(qiáng)度高，主要結(jié)構(gòu)面為次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙。巖體完整性好，圍巖多呈次塊狀結(jié)構(gòu)，次為鑲嵌狀結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)，少量為碎裂結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)

巖壁吊車梁與廠房建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別相同。巖壁吊車梁的錨桿應(yīng)力由圍巖釋放的應(yīng)力與荷載產(chǎn)生的應(yīng)力組成。

在長(zhǎng)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(duì)該部分巖壁進(jìn)行了加固修復(fù)處理，修復(fù)后的巖壁強(qiáng)度不低于天然圍巖強(qiáng)度。因此，筆者僅對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面下存在的工況進(jìn)行計(jì)算。

筆者進(jìn)行的計(jì)算工況及相應(yīng)作用(荷載)效應(yīng)組合情況見表1。

3.1剛體極限平衡法

(1)巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)參數(shù)初擬。

根據(jù)國(guó)內(nèi)已建和在建地下水電站工程巖壁吊車梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并考慮地質(zhì)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(shù)。巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)形式及支護(hù)參數(shù)見圖2。

(2)受拉壓錨桿截面積驗(yàn)算。

巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，按照分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的兩種工況下的滑動(dòng)力矩和抗滑力矩見表2。抗滑力矩大于滑動(dòng)力矩，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

表1　設(shè)計(jì)狀況及作用荷載組合表

備注：吊車動(dòng)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(dòng)力矩和抗滑力矩表

(3)巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。

根據(jù)規(guī)范計(jì)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(guī)范設(shè)計(jì)要求。

表3　滑動(dòng)力和抗滑力表

(4)受拉錨桿錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算。

將膠結(jié)材料與孔壁巖石的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取0.8 MPa，錨桿孔直徑取55 mm；膠結(jié)材料與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取2 MPa。根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的兩種工況下的錨固深度見表4，均小于錨桿實(shí)際錨固深度。

表4　錨固深度計(jì)算表

3.2有限元法

(1)物理力學(xué)參數(shù)。

圍巖及支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)見表5、6。對(duì)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(xué)參數(shù)見表7。

表5　廠區(qū)圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

表6　支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)表

表7　接觸面物理力學(xué)參數(shù)表

(2)三維有限元計(jì)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。現(xiàn)取此間距長(zhǎng)度巖壁吊車梁作為計(jì)算單元。巖壁吊車梁三維有限元模型的坐標(biāo)系取順河方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，橫河方向?yàn)閆軸。巖體和混凝土結(jié)構(gòu)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(cè)和內(nèi)側(cè)施加固端約束，在吊車梁順軸向兩側(cè)施加法向約束。巖壁吊車梁和錨桿結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的尺寸大致為巖壁吊車梁高度的1/16，圍巖部分網(wǎng)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(wǎng)格見圖3～6。

圖3　圍巖網(wǎng)格示意圖

圖4　吊車梁網(wǎng)格示意圖

圖5　錨桿網(wǎng)格示意圖

將吊車梁上柱傳遞的荷載以及防潮墻荷載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)荷載輸入，結(jié)構(gòu)自重通過施加豎向重力加速度值體現(xiàn)。圖7、8表示了模型面荷載與點(diǎn)荷載的分布情況。由剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果可見：短暫工況乃是控制工況，因此，有限元法只對(duì)控制工況進(jìn)行計(jì)算。

(3)計(jì)算結(jié)果。

圖9為短暫工況下的錨桿應(yīng)力云圖，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第一排錨桿，為109.047 MPa，小于錨桿的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)力和摩擦應(yīng)力云圖，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在吊車梁的底部，為2.257 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa。

圖6　接觸面網(wǎng)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(jié)語

圖9　錨桿軸向應(yīng)力云圖

圖10　吊車梁位移云圖

長(zhǎng)河壩水電站巖壁吊車梁根據(jù)《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

用桿單元模擬受拉壓錨桿、實(shí)體單元模擬圍巖與吊車梁結(jié)構(gòu)、接觸單元模擬接觸面并考慮實(shí)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(shí)受力情況。與剛體極限平衡法相比，有限元法可以更加準(zhǔn)確地模擬巖壁吊車梁的工作機(jī)理，更加全面地反映吊車梁各個(gè)部位的應(yīng)力狀況，從而為吊車梁的支護(hù)與配筋提供更為可靠的保障。

圖11　接觸面法向應(yīng)力云圖

圖12　接觸面摩擦應(yīng)力云圖

張志軍(1987-)，男，內(nèi)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(shè)計(jì)及科研工作；

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

譚可奇(1980-)，男，陜西石泉人，副處長(zhǎng)兼設(shè)計(jì)副總工程師，高級(jí)工程師，碩士，從事水電水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理及科研工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

中水五局公司獲兩項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利

日前，由中水五局公司申報(bào)的“一種快速拆裝結(jié)構(gòu)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(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)的國(guó)家發(fā)明專利，為集團(tuán)公司重大科研專項(xiàng)(300米級(jí)高堆石壩施工關(guān)鍵技術(shù)研究》再添碩果。“一種快速拆裝結(jié)構(gòu)的減壓板”及“一種減壓板跨心墻道路快速拆裝方法”發(fā)明專利關(guān)鍵技術(shù)是通過對(duì)高礫石土心墻壩跨心墻運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種減壓板跨心墻道路結(jié)構(gòu)及其快速鋪設(shè)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(shè)、連接、拆除及高強(qiáng)度快速施工條件下跨心墻道路的位置不斷轉(zhuǎn)換要求。通過實(shí)際過車試驗(yàn)實(shí)測(cè)了不同跨心墻道路修建方式下的心墻土料應(yīng)力值變化，最終得出了減壓板跨心墻道路最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)論。有效解決了高心墻土石壩建設(shè)過程長(zhǎng)距離繞壩運(yùn)輸造成的資源浪費(fèi)，有利提高了施工組織調(diào)度和平衡規(guī)劃，提高了施工效率，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著。近年來，中水五局公司依托國(guó)內(nèi)在建的河床深厚覆蓋層上的最高土石壩——長(zhǎng)河壩水電站大壩工程，積極開展高土石壩施工關(guān)鍵技術(shù)研究，注重新技術(shù)和新方法的研發(fā)，在高土石壩施工領(lǐng)域?qū)耀@國(guó)家及省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)于提升超高堆石壩施工技術(shù)能力，保證集團(tuán)公司在高土石壩施工領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位將起到積極的推動(dòng)作用。

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015-12-21

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0039-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7；TV222