安全監(jiān)測技術(shù)在大華橋水電站地下廠房巖壁吊車梁荷載試驗的應(yīng)用

王洪巖，張習平，李 志

(1.中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024;2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

1 工程概況

大華橋水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)，采用堤壩式開發(fā)，是瀾滄江上游古水至苗尾河段水電梯級開發(fā)方案的第七級水電站，以發(fā)電為主。上游與黃登水電站，下游與苗尾水電站相銜接，壩址位于營盤鎮(zhèn)下游，電站地理位置適中，對外交通十分便利。壩址右岸有縣級公路通過，公路里程距營盤鎮(zhèn)約22 km，距蘭坪縣城約77 km。

大華橋水電站工程以水力發(fā)電為主要任務(wù)。壩址控制流域面積9.26萬km2，多年平均流量925 m3/s，水庫總庫容2.62億m3。電站正常蓄水位為1 477 m，裝機容量920 MW，多年平均發(fā)電量40.67億kW·h。工程為二等大(2)型工程；大壩、泄水、電站廠房等永久性主要建筑物為2級建筑物，永久性次要建筑物為3級建筑物，臨時建筑物為4級建筑物。

表1 地下廠房巖壁吊車梁監(jiān)測儀器布置統(tǒng)計

巖壁吊車梁分別沿廠房上、下游邊墻在廠右0+020.000～廠左0+158.700范圍內(nèi)布置，全長178.70 m，梁頂高程1 423.83 m，梁底高程為1 421.48 m，壁座角29.4°，梁體下部傾角為30.0°。吊車梁上部布置兩排懸吊錨桿，傾角分別為25°、20°，直徑為Φ32 mm(HRB400)，入巖長度8 m，間距75 cm，梅花型布置。下部布置一排受壓錨桿，直徑為Φ28 mm(HRB400)，入巖長度6 m，傾角為30°。廠房下游邊墻交通洞進口處，該段(廠左0+142.600～廠左0+158.700)吊車梁由設(shè)置在洞口兩側(cè)的結(jié)構(gòu)柱支撐，由巖壁吊車梁懸吊錨桿與下部混凝土柱聯(lián)合受力。安裝2臺450 t/80 t單小車橋式起重機，橋機軌頂高程1 424.00 m，跨度25.6 m，橋機最大輪壓約800 kN，橫向最大水平剎車力為150 kN。

2 巖壁吊車梁的工作原理及在地下廠房的廣泛應(yīng)用

巖壁吊車梁是一種鋼筋混凝土梁與巖體共同受力的新型結(jié)構(gòu)型式，它具有結(jié)構(gòu)簡單、減少廠房洞挖石方，廠房開挖結(jié)束可較快投入使用等特點。巖壁吊車梁經(jīng)過多年的運行是一種既經(jīng)濟又安全的新型支撐結(jié)構(gòu)，其原理是利用錨桿的抗拉撥力和地下廠房邊壁巖體壁座的摩擦力，將鋼筋混凝土吊車梁錨固在地下廠房邊壁完整穩(wěn)定巖體上，使鋼筋混凝土吊車梁與地下廠房邊壁巖體形成一個牢固的整體。作用在吊車梁的荷載通過錨桿和梁與巖體接合面上的摩擦力傳遞到地下廠房邊墻巖體中，充分利用了圍巖的承載能力。所以巖壁吊車梁在地下廠房被廣泛的采用，在我國的魯布革、二灘、東風、大朝山、十三陵抽蓄、宜興抽蓄、張河灣抽蓄、西龍池抽蓄、大崗山、錦屏、魯?shù)乩人娬镜牡叵聫S房中都普遍采用了這種結(jié)構(gòu)形式。

巖壁吊車梁作為一種新型結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)尚無完善的設(shè)計計算方法，也無規(guī)范可循，傳統(tǒng)的計算方法存在諸多局限性。因此，對巖壁吊車梁進行荷載試驗，降低吊裝風險，是非常必要的。如果巖壁梁存在問題，可及早發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的處理措施。在巖壁吊車梁安裝埋設(shè)觀測儀器和進行現(xiàn)場的荷載試驗，結(jié)合監(jiān)測資料，全面深入地分析巖壁吊車梁的作用機理，應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。建設(shè)部發(fā)布的2004年版《工程建設(shè)標準強制性條文》(水利工程部分)也把此項作為強制性條文，必須執(zhí)行。

為保證巖壁吊車梁的安全運行，對巖壁吊車梁在各種負荷工況的運行情況進行全面檢測和分析，本文根據(jù)大華橋水電站地下廠房巖壁吊車梁特點及監(jiān)測布置情況結(jié)合橋機試驗進行了巖壁吊車梁的荷載試驗。試驗過程中，在各種負荷工況下對埋設(shè)在吊車梁內(nèi)及附近圍巖內(nèi)的監(jiān)測儀器進行監(jiān)測，取得了大量的觀測數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測布置及試驗步驟

3.1 監(jiān)測布置

根據(jù)實際地質(zhì)條件及廠房結(jié)構(gòu)布置特點，以了解巖錨吊車梁工作性態(tài)，巖壁吊車梁監(jiān)測共布置7個監(jiān)測斷面，巖壁吊車梁監(jiān)測儀器數(shù)量統(tǒng)計見表1。

3.2 試驗步驟

巖壁吊車梁的承載試驗于2016年5月25日開始至2016年5月30日11時15分止，試驗完成靜載50%Gn→75%Gn→100%Gn，動載完成了75%Gn→100%Gn(Gn為額定起重量)，靜載試驗125%Gn、動載110%Gn，橋機在提升過程中吊鉤出現(xiàn)故障，試驗終止。2016年6月17日試驗完成動載110%Gn，靜載125%Gn。大華橋水電站巖錨梁靜荷載試驗過程時間統(tǒng)計見表2，動荷載試驗過程時間統(tǒng)計見表3。

4 巖壁吊車梁梁荷載試驗成果分析

4.1 巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示橋機距離監(jiān)測斷面越近錨桿應(yīng)力值越大，反之越小。且隨橋機位置變化，錨桿應(yīng)力可能由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，或由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力。反映了吊車梁承載后受力狀態(tài)的復雜性，這與吊車梁結(jié)構(gòu)形式、錨桿錨固牢靠程度以及巖壁成形好壞有一定關(guān)系。

圖1 巖壁吊車梁荷載試驗錨桿應(yīng)力增量過程(RMpd6 1～7為錨桿應(yīng)力計)

表2 大華橋水電站巖錨梁靜荷載試驗過程時間統(tǒng)計

從監(jiān)測成果看出，在吊車梁逐級加載過程中，拉錨桿應(yīng)力值隨荷載量增加而相應(yīng)增大，過程線呈臺階狀，在100%負荷試驗中，應(yīng)力變化值均大于其它荷載應(yīng)力變化量；卸荷后，錨桿應(yīng)力明顯減小甚至歸零。且錨桿應(yīng)力值與吊車梁荷載量大致呈線性關(guān)系，表明承載試驗過程中錨桿及混凝土處于彈性變形階段。逐級加載作用下的應(yīng)力增量線性關(guān)系較為明顯。拉錨桿錨桿應(yīng)力值變化較大的主要發(fā)生在測點1和測點4上，也就是在埋深0.5 m附近，隨深度的增加而明顯的減少；拉錨桿距巖壁3.5 m以后，應(yīng)力值變的很小。錨桿應(yīng)力增量過程線見圖1。

在吊車梁逐級加載過程中，大部分壓錨桿呈受壓狀況，與拉錨桿應(yīng)力值變化規(guī)律相同隨荷載量增加而相應(yīng)增大，過程線呈臺階狀。在100%負荷試驗中，應(yīng)力變化值均大于其他荷載應(yīng)力變化量；壓錨桿應(yīng)力變化較大的主要發(fā)生在測點7上，也就是基本發(fā)生在巖體內(nèi)距巖壁最近的測點。壓錨桿距巖壁3 m以后，應(yīng)力值變的很小。部分錨桿處于拉壓并存狀態(tài)。壓應(yīng)力增量變化見圖2。

表3 大華橋水電站巖錨梁動荷載試驗過程時間統(tǒng)計

4.2 巖壁吊車梁與巖壁之間開合度

巖壁吊車梁巖壁中上部縫的開合度相對豎向巖壁下部及壁座處縫的開合度要大，后者基本為負值，表明壁座處于受壓狀態(tài)。在試驗過程中吊車梁與巖壁之間縫面的開合度(凈增量)普遍較小，最大開合度測值為0.25 mm，絕大部分測值介于-0.07 ～0.09 mm之間。100%載荷試驗結(jié)束后，小部分界面開合度較試驗前界面開合度有所下降，在-0.07～0 mm之間，同時巖壁吊車梁在荷載作用下，應(yīng)力重分布致使部分界面開合度較試驗前有所升高，開合度最大增量0.25 mm。

圖2 巖壁吊車梁荷載試驗受壓錨桿應(yīng)力增量過程(RMpd4-1～7為錨桿應(yīng)力計)

載荷試驗結(jié)束24 h后，經(jīng)再次卸載觀測，巖錨梁梁體與巖壁界面開合度絕大部分測值恢復至試驗前狀態(tài)，開合度最大回彈量為0.25 mm。

從百分表讀數(shù)可知，界面開合度與巖體內(nèi)埋設(shè)的測縫計變化較為吻合，總體趨勢一致。巖壁吊車梁載荷試驗梁體與巖壁界面開合度分別為小于等于0.02 mm、0.02～0.08 mm、大于等于0.08 mm時，分量計算比例分別對應(yīng)為43.33%、30.00%、26.67%。

4.3 巖壁吊車梁附近圍巖監(jiān)測儀器

在巖壁吊車梁上下同斷面布置有圍巖變形和圍巖錨桿應(yīng)力的多點位移計和錨桿應(yīng)力計。荷載試驗過程中，廠房圍巖變形增量很小(接近零值)。梁體上部圍巖1.5 m處邊墻應(yīng)力最大增量 0.19 MPa，下部1.5 m處最大增量0.95 MPa，說明巖壁吊車梁載荷試驗未對周圍巖體產(chǎn)生不利影響。

5 巖錨梁在吊裝重物情況下的穩(wěn)定判別

在重荷載情況下，巖壁吊車梁的錨桿應(yīng)力、梁體與巖壁界面開合度的監(jiān)測結(jié)果分析如下：

(1)巖壁吊車梁拉錨桿在不同工況下，絕大部分錨桿應(yīng)力呈臺階式增量，在100%負荷試驗中，應(yīng)力變化值均大于其他荷載應(yīng)力變化量，在逐級加載作用下應(yīng)力增量線性關(guān)系較好。實測上傾錨桿最大應(yīng)力增量為35.34 MPa，變化較大的主要發(fā)生在測點2、3測點上，也就是在埋深0.5 m附近，

(2)巖壁吊車梁壓錨桿在不同工況下，絕大部分錨桿應(yīng)力呈受壓狀況，大部分應(yīng)力增量在-8 MPa以下。

(3)巖壁吊車梁梁體與巖壁界面開合度在不同工況下最大值為0.25 mm。從巖壁吊車梁載荷試驗成果可以看出：在吊裝重物對巖錨梁會產(chǎn)生一定影響，但影響較小。經(jīng)卸載后觀測，巖壁吊車梁絕大部分錨桿應(yīng)力以及界面開合度恢復至試驗前狀態(tài)。

綜上所述，巖壁吊車梁在吊裝重物工況下，是穩(wěn)定的。

6 結(jié) 語

從對巖壁吊車梁載荷試驗觀測資料分析的結(jié)果來看，試驗是成功的，并取得了較為豐富的試驗成果。同時，相關(guān)工程質(zhì)量也得到了檢驗，包括施工質(zhì)量、設(shè)計質(zhì)量以及監(jiān)測工作質(zhì)量等。通過巖壁吊車梁現(xiàn)場荷載試驗，了解了巖壁吊車梁450 t橋機在不同工況下受力與變形。荷載試驗結(jié)果表明:

(1)巖壁吊車梁梁體上部圍巖1.5 m處邊墻應(yīng)力最大增量 0.19 MPa，下部1.5 m處最大增量0.95 MPa，說明巖錨梁在吊裝重物情況下沒有對周邊圍巖產(chǎn)生不利影響。

(2)各級載荷試驗過程中通過對各斷面監(jiān)測儀器的分析，各斷面監(jiān)測儀器的變化量均比較小，但總體符合受力特點與變形規(guī)律。

(3)卸載后，各監(jiān)測儀器測值的變化情況顯示，絕大部分測點測值都能回到初始狀態(tài)，說明巖壁吊車梁在承載時，各部位基本處在彈性狀態(tài)。

(4)類比小灣水電站、大朝山水電站、錦屏二級水電站巖錨梁載荷試驗成果，增量不同，但總體趨勢較為一致。

(5)試驗表明巖壁吊車梁梁體結(jié)構(gòu)和體型的設(shè)計是合理可行的，巖錨梁在吊裝重物工況下是穩(wěn)定安全的。