白鶴灘水電站左岸地下廠房巖壁吊車梁荷載試驗(yàn)監(jiān)測分析

趙振軍 上官瑾2 劉 潔

(1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610042)

巖壁吊車梁是一種鋼筋混凝土與巖體共同受力的結(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(diǎn)。巖壁吊車梁多年的運(yùn)行證明其是一種既經(jīng)濟(jì)又安全的支撐結(jié)構(gòu)。其原理是利用錨桿的抗拉拔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)定的巖體上，使鋼筋混凝土吊車梁與地下廠房邊壁巖體形成一個(gè)牢固的整體。作用在吊車梁的荷載通過錨桿和梁與巖體結(jié)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中被廣泛采用[1-3]。

圖1 典型監(jiān)測布置 (高程單位：m)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，距巧家縣城45km，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級。電站總裝機(jī)容量16000 MW，左岸地下廠房布置8臺1000 MW立式水輪發(fā)電機(jī)。其中主副廠房長438.00m、高88.70m，巖壁吊車梁以下寬31.00 m、以上寬34.00m，按“一”字形布置，從南至北依次布置第一副廠房、輔助安裝場、機(jī)組段和安裝場。左岸地下廠房起重設(shè)備采用兩臺1300/160t橋式起重機(jī)，最大起吊重量2600kN，單個(gè)最大輪壓為1200 kN。鑒于巖壁吊車梁的諸多優(yōu)點(diǎn)，左岸地下廠房的吊車梁型式選用巖壁吊車梁[4-5]。

為及時(shí)了解和掌握巖壁吊車梁的工況安全情況，結(jié)合橋機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)，必須在巖壁吊車梁承受各級荷載時(shí)進(jìn)行全面系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，保證巖壁吊車梁安全。

2 監(jiān)測布置與監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測布置

左岸廠房巖壁吊車梁共布置8個(gè)監(jiān)測斷面：布置錨桿應(yīng)力計(jì)48組、鋼筋計(jì)64支、壓應(yīng)力計(jì)12支、測縫計(jì)56支、水準(zhǔn)點(diǎn)21個(gè)和水準(zhǔn)工作基點(diǎn)4個(gè)。目前左岸廠房巖壁吊車梁已完成錨桿應(yīng)力計(jì)48組、鋼筋計(jì)64支、壓應(yīng)力計(jì)12支、測縫計(jì)56支、水準(zhǔn)點(diǎn)21個(gè)和水準(zhǔn)工作基點(diǎn)4個(gè)。

每個(gè)部位布置2排上傾錨桿應(yīng)力測點(diǎn)(拉桿)，1排下傾錨桿應(yīng)力測點(diǎn)(壓桿)。在2組受拉錨桿之下，與梁接觸圍巖的變形采用4點(diǎn)式多點(diǎn)變位計(jì)監(jiān)測。巖錨梁上直墻與圍巖接縫的剪切位移采用測縫計(jì)監(jiān)測(上直墻位錯(cuò))，巖錨梁上直墻與圍巖開度采用測縫計(jì)監(jiān)測(上直墻開度)；巖錨梁與斜臺圍巖的開度采用測縫計(jì)監(jiān)測(斜臺開度)；巖錨梁與巖梁斜臺圍巖接觸應(yīng)力采用壓應(yīng)力計(jì)監(jiān)測。混凝土梁內(nèi)主筋上布置4個(gè)鋼筋計(jì)測點(diǎn)；其中2個(gè)鋼筋計(jì)應(yīng)力測點(diǎn)在頂部和梁壁沿環(huán)向鋼筋內(nèi)埋設(shè)，另外2個(gè)鋼筋計(jì)應(yīng)力測點(diǎn)在沿廠房縱向的鋼筋內(nèi)埋設(shè)。

巖壁吊車梁監(jiān)測測點(diǎn)在上、下游側(cè)巖梁內(nèi)對稱布置。典型監(jiān)測斷面布置見圖1。

2.2 監(jiān)測方案

根據(jù)主廠房橋機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)技術(shù)措施，試驗(yàn)方案分為靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。其中巖壁吊車梁靜載試驗(yàn)結(jié)合單臺橋機(jī)靜載試驗(yàn)進(jìn)行，目的是檢驗(yàn)巖壁吊車梁受力、變形情況和裂縫發(fā)展情況，靜載試驗(yàn)具體加載方式為：第一次進(jìn)行空負(fù)荷升降,第二次起吊1300t,第三次起吊1430t。橋機(jī)靜載試驗(yàn)在安裝間0+328斷面進(jìn)行。

現(xiàn)場動(dòng)載試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)巖壁吊車梁的承載安全性。巖壁吊車梁動(dòng)載試驗(yàn)按照單臺1300t橋機(jī)起吊50%、75%、100%額定負(fù)荷(650t、975t、1300t)條件下，進(jìn)行起升和行走機(jī)構(gòu)的聯(lián)合動(dòng)作試驗(yàn)。50%、75%、100%額定負(fù)荷時(shí)試驗(yàn)次數(shù)均為3次(上游側(cè)限制線、廠房中心線及下游側(cè)限制線)。左岸1300t橋機(jī)起吊限制線分布見圖2。

圖2 左岸1300t橋機(jī)起吊限制線分布圖 (高程單位：m，尺寸單位：mm)

a.在試驗(yàn)前分別測讀地下廠房內(nèi)監(jiān)測斷面和巖壁吊車梁內(nèi)埋設(shè)儀器的初始值。

b.在巖壁吊車梁進(jìn)入各級試驗(yàn)時(shí)，每進(jìn)行一次荷載試驗(yàn)，均對埋設(shè)在巖梁內(nèi)的各監(jiān)測儀器進(jìn)行連續(xù)觀測，地下廠房圍巖中的儀器在每次荷載試驗(yàn)前、中、后各測讀1次，試驗(yàn)中，如果錨桿應(yīng)力計(jì)、測縫計(jì)、鋼筋計(jì)等儀器物理量變化超過表1中允許值時(shí)，必須及時(shí)上報(bào)并停止試驗(yàn)，分析原因后決定是否繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

c.錨桿應(yīng)力值、多點(diǎn)位移計(jì)值及最大裂縫寬度要求見表1。

表1 巖錨吊車梁荷載試驗(yàn)監(jiān)測儀器允許值一覽

3 荷載試驗(yàn)監(jiān)測成果分析

根據(jù)荷載試驗(yàn)觀測方案，取得了各工況下巖錨梁部位的深部巖體位移、吊車梁上下排拉桿及壓桿的應(yīng)力變化、吊車梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力、上直墻位錯(cuò)、上直墻開度、斜臺開度等監(jiān)測數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中監(jiān)測儀器較多，工況繁雜，數(shù)據(jù)量較大，為了便于分析問題，觀測成果值采用凈增量值，即以試驗(yàn)開始時(shí)觀測值作為基準(zhǔn)值(零值)，試驗(yàn)加載過程中測值相對于基準(zhǔn)值的凈增量加載作為成果值。各監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測成果單位及正負(fù)號約定見表2。

表2 監(jiān)測成果單位及正負(fù)號約定

3.1 靜載試驗(yàn)成果

靜載試驗(yàn)在主廠房北側(cè)安裝間(樁號：左廠0+328)開展，共進(jìn)行了2個(gè)主工況100%額定負(fù)荷(1300t)、110%額定負(fù)荷(1430t)的荷載試驗(yàn)。以試驗(yàn)前的初始值作為“零值”，整編統(tǒng)計(jì)各工況監(jiān)測項(xiàng)目的凈增值，給出各監(jiān)測項(xiàng)目凈增值最大變幅特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表3)。

表3 各工況負(fù)荷狀態(tài)最大變幅特征值統(tǒng)計(jì)

從吊車梁監(jiān)測儀器各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)的數(shù)量水平可見，負(fù)荷狀態(tài)下，吊車梁拉桿應(yīng)力響應(yīng)在5MPa以內(nèi)，上排拉桿應(yīng)力最大增幅約為下排拉桿應(yīng)力增幅的2倍；壓桿應(yīng)力最大變幅在-6.5MPa以內(nèi)，同樣上游側(cè)壓桿應(yīng)力響應(yīng)大于下游側(cè)，上游側(cè)壓應(yīng)力最大變幅為下游側(cè)的10倍左右。上游巖梁斜臺壓應(yīng)力增量在0.15MPa左右，是下游側(cè)應(yīng)力增量的10倍左右。

吊車梁內(nèi)環(huán)向鋼筋應(yīng)力增幅小于5MPa，且縱向鋼筋應(yīng)力增幅大于環(huán)向鋼筋計(jì)應(yīng)力增幅，前者是后者的5倍左右，可見在承受荷載時(shí)縱向形變小于環(huán)向，鋼筋應(yīng)力在縱向鋼筋內(nèi)也較為集中。

在0+328斷面靜載試驗(yàn)中，上、下游錨桿應(yīng)力在1300t、1430t荷載加載卸載過程中的變幅見圖3～圖4。

圖3 0+328斷面靜載試驗(yàn)上游錨桿應(yīng)力變幅過程線

圖4 0+328斷面靜載試驗(yàn)下游錨桿應(yīng)力變幅過程線

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)成果

動(dòng)載試驗(yàn)在主廠房5個(gè)主斷面開展(樁號：左廠0+077、0+115、0+153、0+229及0+328)，共進(jìn)行了3個(gè)主工況50%額定負(fù)荷(650t)、75%額定負(fù)荷(975t)、100%額定負(fù)荷(1300t)的荷載試驗(yàn)。各工況下測點(diǎn)凈增幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 動(dòng)載試驗(yàn)不同工況監(jiān)測項(xiàng)目變化量特征值統(tǒng)計(jì)

從表4中可見，錨索荷載增幅在-9.03～4.48kN之間，吊車梁拉桿應(yīng)力增幅在-0.01～18.09MPa之間；壓桿應(yīng)力增幅在-9.65～0.03MPa之間；邊墻錨桿應(yīng)力增幅在-3.72～2.08MPa之間；鋼筋應(yīng)力增幅在-3.40～-6.96MPa之間；測縫計(jì)開度增幅在-0.55～1.64mm之間。

在動(dòng)載試驗(yàn)整體成果分析的基礎(chǔ)上，對0+328斷面監(jiān)測成果進(jìn)行詳細(xì)分析，以便與靜載試驗(yàn)成果進(jìn)行參考比對。

錨索荷載增幅在-1.10～1.52kN之間，吊車梁拉桿應(yīng)力增幅在0～2.87MPa之間；壓桿應(yīng)力增幅在-6.14～-0.18MPa之間；鋼筋應(yīng)力增幅在-0.11～4.22MPa之間；測縫計(jì)開度增幅在0～0.04mm之間。各監(jiān)測項(xiàng)目測值最大變幅基本發(fā)生在最大加載量(1300t)工況。

在0+328斷面動(dòng)載試驗(yàn)中，上、下游錨桿應(yīng)力在650t、975t、1300t荷載加載卸載過程中的變幅見圖5～圖6。

圖5 0+328斷面上游錨桿應(yīng)力增量時(shí)序過程線

圖6 0+328斷面下游錨桿應(yīng)力增量時(shí)序過程線

4 巖壁吊車梁穩(wěn)定性判定

a.靜載試驗(yàn)中，錨索荷載增幅小于0.92kN，錨桿應(yīng)力變幅小于6.41MPa，測縫計(jì)開度增幅小于0.03mm，鋼筋應(yīng)力增幅小于4.22MPa；增量在卸載后基本釋放。

b.動(dòng)載試驗(yàn)中，各級荷載加載條件下，圍巖變形增量小于0.19mm，錨索荷載增幅小于4.48kN，錨桿應(yīng)力變幅小于18.09MPa，測縫計(jì)開度增幅小于0.18mm，鋼筋應(yīng)力增幅小于6.96MPa，卸載后基本釋放。

c.從監(jiān)測數(shù)據(jù)量值水平來看，各監(jiān)測項(xiàng)目加載時(shí)的變幅遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)給出的測量要求，各測點(diǎn)在加載過程中不同工況下測值變化呈現(xiàn)相同或相似的規(guī)律，并且卸荷后能恢復(fù)到空載狀態(tài)。

5 結(jié) 論

由巖壁吊車梁載荷試驗(yàn)觀測成果可知，該試驗(yàn)成果對工程施工質(zhì)量、設(shè)計(jì)質(zhì)量以及安全監(jiān)測工作質(zhì)量進(jìn)行了有效檢驗(yàn)。通過巖壁吊車梁現(xiàn)場荷載試驗(yàn)，了解了巖壁吊車梁1300t橋機(jī)在不同工況下的受力與變形。荷載試驗(yàn)結(jié)果表明:

a.各級荷載試驗(yàn)過程中通過對各斷面監(jiān)測儀器的分析，各監(jiān)測項(xiàng)目加載時(shí)的變幅遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)給出的測量指標(biāo)，各測點(diǎn)在加載過程中不同工況下測值變化呈現(xiàn)相同或相似的規(guī)律。

b.卸載后，絕大部分測點(diǎn)測值都能回到初始狀態(tài)，說明巖壁吊車梁在承載時(shí)，各部位基本處于彈性狀態(tài)。

c.試驗(yàn)表明巖壁吊車梁梁體結(jié)構(gòu)和體型的設(shè)計(jì)是合理可行的，巖壁吊車梁在吊裝工況下是穩(wěn)定安全的。