洪屏抽水蓄能電站巖壁吊車梁荷載試驗

熊紅陽，夏萬求，郝志強

(1.南京南瑞集團公司，江蘇南京211106；2.洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；3.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西西安710061)

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洪屏抽水蓄能電站巖壁吊車梁荷載試驗

熊紅陽1，夏萬求2，郝志強3

(1.南京南瑞集團公司，江蘇南京211106；2.洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；3.中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西西安710061)

巖壁吊車梁及圍巖結構的穩定關系到整個地下廠房施工期的安全。通過巖錨梁荷載試驗分析了巖壁吊車梁及接觸邊墻圍巖在各級輪壓荷載試驗下的變形和受力特征。實時監測數據表明，洪屏抽水蓄能電站巖壁吊車梁在各級吊裝荷載下對廠房頂拱邊墻及母線洞結構影響較小，且卸荷后大部分測點測值都能回彈到與空荷時相近的狀態，說明巖壁吊車梁的設計是合理的。

地下廠房；巖壁吊車梁；荷載試驗；變形；洪屏抽水蓄能電站

0 引 言

洪屏抽水蓄能電站位于江西省宜春市靖安縣境內，地下廠房圍巖為致密堅硬的含礫中粗砂巖，斷層、節理不發育，巖體較完整，多以基本穩定的Ⅱ類巖體為主。主副廠房尺寸為161 m×22 m×51.1 m。其中，機組段長98.0 m，安裝場段長43.0 m，副廠房段長20.0 m。利用廠房較好的地質條件，洪屏抽水蓄能電站采用巖壁吊車梁設計方案，不設吊車梁柱，即縮減了廠房洞室開挖跨度，又能盡早為廠房下部吊裝材料設備的施工提供有利條件，從而加快施工進度。

采用剛體極限平衡法計算錨桿的受力和巖壁吊車梁的抗滑穩定安全系數[1- 2]。該方法對模型進行了理想的剛性簡化，考慮的是一種極限狀態，計算出的錨桿受力與實際情況相差較大。近年來，采用數值模擬有限單元法對巖錨梁進行受力分析越來越受到業界的青睞[3- 4]，但受工程地形、地貌、地質條件、巖性、斷裂帶以及模型的本構關系及初始地應力場選取的不同等因素的影響，計算結果會出現顯著差異[5- 6]。目前，地下廠房巖壁吊車梁尚無完善的計算方法和規范可循。為減小施工期橋機吊裝的風險，進行巖錨梁荷載試驗是最有效的手段。

1 巖壁吊車梁的監測設計

1.1 監測儀器布置

根據巖壁吊車梁的工作和受力特點，設計了相應的監測項目，主要有：與混凝土梁接觸的邊墻圍巖支護應力監測、圍巖變形監測、混凝土梁同巖壁間接縫開合度和壓應力監測以及混凝土梁內自身鋼筋應力監測等。

表1 主要監測儀器

序號名稱類型符號數量規格/型號量程13點式錨桿應力計差阻式R12組/36支NZGR300MPa(拉);100MPa(壓)22點式錨桿應力計差阻式R6組/12支NZGR300MPa(拉);100MPa(壓)34點式多點變位計振弦式M6組/24支NVJ100mm4鋼筋計差阻式G24支NZGR300MPa(拉);100MPa(壓)5測縫計差阻式J12支NZJ-12-1～12mm6壓應力計差阻式S12支NZYL-33MPa7讀數儀差阻式—2臺NDA1111—8讀數儀振弦式—2臺NDA1411—

結合廠房實際地質條件及結構特點，沿巖錨梁上、下游對稱布置3個監測斷面，即6個監測部位與廠房監測斷面相對應，主要監測斷面位于1、3號機組中心線及安裝間主變運輸洞中心線。每個部位布置2組上傾(受拉)錨桿應力測點，每組采用3點式錨桿應力計(R)進行監測；1組下傾(受壓)錨桿應力測點采用2點式錨桿應力計(R)監測；在2組受拉錨桿之下，與梁接觸圍巖的變形采用4點式多點變位計(M)監測；巖錨梁與圍巖接縫采用測縫計(J)監測；巖錨梁與圍巖接觸應力采用壓應力計(S)監測；混凝土梁內主筋上布置鋼筋計(G)測點；測點在上、下游對稱布置。監測儀器布置見圖1。圖中，n為樁號。

圖1 監測儀器布置

1.2 監測設備

巖錨梁內埋設的監測儀器及試驗中使用的二次儀表統計見表1。

2 試驗步驟

巖錨梁荷載試驗包括靜載試驗和動載試驗。其中，靜載試驗又分為1號橋機和2號橋機設計荷載的80%(200 t)、100%(250 t)、125%(312.5 t)等3個階段靜載試驗。動載試驗主要為1號橋機和2號橋機設計荷載的110%(275 t)動載試驗。根據設計要求，靜載試驗的每級荷載試驗都在安裝間加載，每次加載到相應工況下保持荷載不變，對監測數據進行采集。動載試驗先在安裝間加載停留，然后載重運行并在主機間每個監測斷面處停留10 min，以對主機間相應斷面監測數據進行采集。

3 成果分析

3.1 靜載試驗

試驗中監測儀器較多，采集數據量較大，為了便于分析簡化問題，觀測成果值采用凈增量值，即以試驗開始時觀測值作為基準值(零值)，試驗加載過程中測值相對于基準值的凈增量作為成果值。

3.1.1 錨桿應力計

在橋機逐級加載過程中，巖錨梁內受拉錨桿測點Rybs- 0+103.4- 2、Rybs- 0+103.4- 3、Rybx- 0+103.4- 2和Rybx- 0+103.4- 3隨荷載量的增減，相應的應力也有增減，基本呈線性變化。在125%級負荷試驗中，應力增量均大于其他級荷載時應力增量。卸荷后，各測點錨桿應力增量明顯減小至誤差范圍內甚至歸零。應力變化較大的測點主要發生在離巖壁較近的1號和2號測點，Rybx- 0+103.4- 3- 1號測點應力增量最大，為6.15 MPa。圍巖內上排受拉錨桿應力增量基本大于第2排。1、2號橋機測點Rybs- 0+103.4- 3拉應力增量變化過程見圖2。

圖2 測點Rybs- 0+103.4- 3拉應力增量過程線

受壓錨桿測點Rybs- 0+103.4- 1和Rybx- 0+103.4- 1與受拉錨桿增量變化規律大致相同，隨荷載的增減而相應增減，基本呈線性關系。在125%級負荷試驗中，各測點壓應力增量值均大于其他級荷載。離巖壁較近的1號測點應力增量明顯大于離巖壁稍遠的2號測點。其中，Rybx- 0+103.4- 1- 1號測點的壓應力增量最大，為-6.42MPa。1、2號橋機Rybx- 0+103.4- 1測點壓應力增量變化過程線見圖3。

圖3 測點Rybx- 0+103.4- 1壓應力增量過程線

3.1.2 巖錨梁與圍巖間的開合度

試驗過程中，巖錨梁與巖石間的開合度增量普遍較小，最大開合度增量為0.05 mm，其他測值增量在0.02～0.04 mm范圍內。卸荷后，巖壁與梁間接縫都有一定的回彈量，最大開合度回彈量為0.04 mm。

3.1.3 巖錨梁內其他監測儀器

與吊車梁結合的圍巖內多點變位計位移增量均在0.10 mm以內，變形都發生在距巖壁3 m的范圍以內；卸荷后，大多測點都回彈到與試驗前測值相近或相同的水平。

巖錨梁內的鋼筋計應力測點增量為-11.48～4.90 MPa，絕大部分鋼筋計能恢復至試驗前的狀態。其中，測點Gybx- 0+103.4- 1鋼筋計在1號橋機125%靜載試驗過程中，由受拉狀態轉變為受壓狀態，變幅為11.48 MPa。后續試驗過程中及1周內跟蹤監測，測值維持在試驗后的狀態。經分析認為，該部位處于主變運輸洞上方，巖錨梁體型不同于其他部位，且1號橋機在試驗過程中，2號橋機空載位置剛好位于該斷面上方，結構受力略有調整。

巖錨梁內，壓應力計應力增量在0.03 MPa以內，卸荷后測值與空荷時壓應力相近。

3.2 動載試驗

在動載試驗中，對1號橋機運行過程進行了重點監測。1號橋機開至監測斷面時均停留10 min，選擇制動后狀態采集數據進行監測，采用試驗開始時的觀測值作為基準值(零值)，試驗加載過程中測值相對基準值的凈增量為成果值。2號橋機同等負荷動載試驗僅對試驗前后測值進行比對監測分析。

3.2.1 錨桿應力計

1號橋機動載試驗過程中，受拉錨桿測點應力增量為2.11～5.52 MPa，最大應力增量發生在巖壁附近Rybx- 0+048- 3- 1號測點處。受壓錨桿測點壓應力增量為2.13～4.39 MPa，最大應力增量發生在巖壁附近Rybx- 0+0- 1- 1號測點處。從動載試驗結束后的卸荷數據看，絕大多數錨桿應力在卸荷后都恢得至試驗前的數值，個別測點應力增量較試驗前略有變化，但均在誤差范圍內。

2號橋機動載試驗過程中，錨桿應力計應力測值試驗前后對比與1號橋機動載工況基本相同。所有測點應力值較試驗前相比，應力變幅范圍在-1.04～2.02 MPa之間，均在誤差允許范圍內。

3.2.2 巖錨梁與圍巖開合度

1號橋機動載試驗過程中，各測點部位接縫開合度增量為-0.02～0.04 mm，且累積變形量均在1 mm以內。2號橋機動載試驗后，各測點部位接縫開合度前后相差在-0.01～0.02 mm范圍以內，測點測值大都回彈到試驗前的狀態。

3.2.3 巖錨梁內其他監測儀器

1號橋機動載試驗過程中，與吊車梁結合的圍巖內多點變位計測點位移增量在0.04 mm以內，變形都發生在距巖壁3 m范圍以內。在2號橋機動載試驗后，圍巖內多點變位計測點位移值基本與試驗前數值相近。

1號橋機動載試驗過程中，巖錨梁內的鋼筋計應力增量范圍在-4.23～4.20 MPa之間，試驗結束后絕大部分鋼筋計能恢復至試驗前的狀態，所有測點較試驗前相比，應力變化范圍在-2.04～1.16 MPa之間，均在誤差允許范圍內。2號橋機動載試驗后，與試驗前應力相比，鋼筋計應力終值變幅范圍在-1.82～1.04 MPa之間，未超過誤差允許范圍。

1號橋機動載試驗過程中，巖錨梁內大多數壓應力計應力增量在0.03 MPa內。其中，在廠右0+048監測斷面停留時段中，當小車運行至下游側時，下游側壓應力計測點Sybx- 0+048- 1測值增量為0.26 MPa，小車運行返回中部并結束在該斷面的停留后，測值恢復至原來狀態，為-0.42 MPa。2號橋機動載試驗過程中，小車一直位于中間位置，動載試驗前后各測點壓應力值變幅均在0.01 MPa以下。

3.3 廠房其他部位監測

巖錨梁荷載試驗進行期間，每日試驗開始前和試驗結束后均對頂拱、邊墻及3號母線洞部位監測儀器進行觀測，試驗前后測值未發現任何異常，測值變化均在誤差范圍內，表明荷載試驗對頂拱、邊墻及3號母線洞部位的影響較小。

4 結 語

在不同工況下，巖錨梁的受拉錨桿測點和受壓錨桿測點大都隨荷載變化呈現較好的線性關系，受拉與受壓實測最大應力增量均在7 MPa以內，變化較大的測點主要位于巖壁表面附近。巖錨梁體與巖壁間開合度在不同工況下增量值均在0.05 mm以內，與巖錨梁接觸的巖壁在不同工況下變形量均在0.10 mm以內，且距接觸面3 m深以后的巖體基本無變化。在不同工況下，巖錨梁與巖壁間的接觸壓應力增量多在0.03 MPa以內。

綜上所述，各測點在加載過程中不同工況下測值變化呈現相同或相似的規律，且卸荷后多能恢復到空載狀態，應力及圍巖變形增量不大，均在彈性變化階段，各測點均未出現超過監測儀器量程和錨桿(鋼筋)屈服強度的現象，表明各部位受力及變形情況均在設計允許范圍內。巖錨梁以外的廠房頂拱、邊墻及3號母線洞各部位受巖錨梁荷載試驗的影響較小。

[1]劉秀珍. 關于巖壁吊車梁的錨固計算方法問題[J]. 水利水電技術， 1998， 29(4)： 11- 14．

[2]丁佩章. 對巖壁吊車梁設計的討論[J]. 紅水河， 1994， 13(1)： 20- 24．

[3]劉進寶， 劉迎曦， 李守巨. 巖壁吊車梁輪壓效應的三維有限元數值分析[J]. 水利水電技術， 2004， 35(9)： 34- 37．

[4]孫洋波， 肖明， 鄭明燕. 各向異性巖體中巖錨吊車梁分析[J]. 長江科學院院報， 2003， 20(4)： 29- 31．

[5]黃志鵬， 周江平， 許愛平， 等. 錦屏一級電站地下廠房巖錨梁載荷試驗研究[J]. 巖土力學， 2011， 32(4)： 471- 475．

[6]涂志軍， 崔巍. 小灣水電站地下廠房巖錨梁現場試驗研究[J]. 巖土力學， 2007， 28(6)： 1139- 1144．

(責任編輯 楊 健)

Loading Tests of Powerhouse Rock Wall Crane Beam in Hongping Pumped-storage Power Station

XIONG Hongyang1, XIA Wanqiu2, HAO Zhiqiang3

(1. Nanjing NARI Group Corporation, Nangjing 211106, Jiangsu, China;2. Jiangxi Hongping Pumped Storage Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China; 3. China Water Conservancy and Hydropower Construction Engineering Consulting Xibei Co., Ltd., Xi’an 710061, Shaanxi, China)

The stabilities of rock wall crane beam and surrounding rock structure relate to the security of entire underground powerhouse during construction period. By rock anchor beam load tests, the characteristics of deformation and stress of rock wall crane beam and surrounding rock under different wheel pressure load are analyzed. The real-time monitoring data shows that the rock wall crane beam of Hongping Pumped-storage Power Station under different load has a small influence on the top arch and sidewall of underground powerhouse and the structure of busbar cavern, and after unloading, most of the measuring points will rebound to the state of no load. The design of rock wall crane beam is reasonable．

underground powerhouse; rock wall crane beam; load test; deformation; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 07

熊紅陽(1982—)，男，湖北崇陽人，工程師，主要從事大壩安全監測施工管理工作．

TV698.1(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0065- 04