洪屏抽水蓄能電站巖壁吊車梁荷載試驗(yàn)

熊紅陽，夏萬求，郝志強(qiáng)

(1.南京南瑞集團(tuán)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(shè)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(yàn)

熊紅陽1，夏萬求2，郝志強(qiáng)3

(1.南京南瑞集團(tuán)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(shè)工程咨詢西北有限公司，陜西西安710061)

巖壁吊車梁及圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定關(guān)系到整個(gè)地下廠房施工期的安全。通過巖錨梁荷載試驗(yàn)分析了巖壁吊車梁及接觸邊墻圍巖在各級(jí)輪壓荷載試驗(yàn)下的變形和受力特征。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，洪屏抽水蓄能電站巖壁吊車梁在各級(jí)吊裝荷載下對(duì)廠房頂拱邊墻及母線洞結(jié)構(gòu)影響較小，且卸荷后大部分測(cè)點(diǎn)測(cè)值都能回彈到與空荷時(shí)相近的狀態(tài)，說明巖壁吊車梁的設(shè)計(jì)是合理的。

地下廠房；巖壁吊車梁；荷載試驗(yàn)；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(nèi)，地下廠房圍巖為致密堅(jiān)硬的含礫中粗砂巖，斷層、節(jié)理不發(fā)育，巖體較完整，多以基本穩(wěn)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(jī)組段長98.0 m，安裝場(chǎng)段長43.0 m，副廠房段長20.0 m。利用廠房較好的地質(zhì)條件，洪屏抽水蓄能電站采用巖壁吊車梁設(shè)計(jì)方案，不設(shè)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(shè)備的施工提供有利條件，從而加快施工進(jìn)度。

采用剛體極限平衡法計(jì)算錨桿的受力和巖壁吊車梁的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)[1- 2]。該方法對(duì)模型進(jìn)行了理想的剛性簡化，考慮的是一種極限狀態(tài)，計(jì)算出的錨桿受力與實(shí)際情況相差較大。近年來，采用數(shù)值模擬有限單元法對(duì)巖錨梁進(jìn)行受力分析越來越受到業(yè)界的青睞[3- 4]，但受工程地形、地貌、地質(zhì)條件、巖性、斷裂帶以及模型的本構(gòu)關(guān)系及初始地應(yīng)力場(chǎng)選取的不同等因素的影響，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)顯著差異[5- 6]。目前，地下廠房巖壁吊車梁尚無完善的計(jì)算方法和規(guī)范可循。為減小施工期橋機(jī)吊裝的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行巖錨梁荷載試驗(yàn)是最有效的手段。

1 巖壁吊車梁的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)儀器布置

根據(jù)巖壁吊車梁的工作和受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，主要有：與混凝土梁接觸的邊墻圍巖支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、圍巖變形監(jiān)測(cè)、混凝土梁同巖壁間接縫開合度和壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)以及混凝土梁內(nèi)自身鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)等。

表1 主要監(jiān)測(cè)儀器

序號(hào)名稱類型符號(hào)數(shù)量規(guī)格/型號(hào)量程13點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)差阻式R12組/36支NZGR300MPa(拉);100MPa(壓)22點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)差阻式R6組/12支NZGR300MPa(拉);100MPa(壓)34點(diǎn)式多點(diǎn)變位計(jì)振弦式M6組/24支NVJ100mm4鋼筋計(jì)差阻式G24支NZGR300MPa(拉);100MPa(壓)5測(cè)縫計(jì)差阻式J12支NZJ-12-1～12mm6壓應(yīng)力計(jì)差阻式S12支NZYL-33MPa7讀數(shù)儀差阻式—2臺(tái)NDA1111—8讀數(shù)儀振弦式—2臺(tái)NDA1411—

結(jié)合廠房實(shí)際地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沿巖錨梁上、下游對(duì)稱布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，即6個(gè)監(jiān)測(cè)部位與廠房監(jiān)測(cè)斷面相對(duì)應(yīng)，主要監(jiān)測(cè)斷面位于1、3號(hào)機(jī)組中心線及安裝間主變運(yùn)輸洞中心線。每個(gè)部位布置2組上傾(受拉)錨桿應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，每組采用3點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)(R)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；1組下傾(受壓)錨桿應(yīng)力測(cè)點(diǎn)采用2點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)(R)監(jiān)測(cè)；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)(M)監(jiān)測(cè)；巖錨梁與圍巖接縫采用測(cè)縫計(jì)(J)監(jiān)測(cè)；巖錨梁與圍巖接觸應(yīng)力采用壓應(yīng)力計(jì)(S)監(jiān)測(cè)；混凝土梁內(nèi)主筋上布置鋼筋計(jì)(G)測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)在上、下游對(duì)稱布置。監(jiān)測(cè)儀器布置見圖1。圖中，n為樁號(hào)。

圖1 監(jiān)測(cè)儀器布置

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

巖錨梁內(nèi)埋設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器及試驗(yàn)中使用的二次儀表統(tǒng)計(jì)見表1。

2 試驗(yàn)步驟

巖錨梁荷載試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)。其中，靜載試驗(yàn)又分為1號(hào)橋機(jī)和2號(hào)橋機(jī)設(shè)計(jì)荷載的80%(200 t)、100%(250 t)、125%(312.5 t)等3個(gè)階段靜載試驗(yàn)。動(dòng)載試驗(yàn)主要為1號(hào)橋機(jī)和2號(hào)橋機(jī)設(shè)計(jì)荷載的110%(275 t)動(dòng)載試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，靜載試驗(yàn)的每級(jí)荷載試驗(yàn)都在安裝間加載，每次加載到相應(yīng)工況下保持荷載不變，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。動(dòng)載試驗(yàn)先在安裝間加載停留，然后載重運(yùn)行并在主機(jī)間每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面處停留10 min，以對(duì)主機(jī)間相應(yīng)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

3 成果分析

3.1 靜載試驗(yàn)

試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)儀器較多，采集數(shù)據(jù)量較大，為了便于分析簡化問題，觀測(cè)成果值采用凈增量值，即以試驗(yàn)開始時(shí)觀測(cè)值作為基準(zhǔn)值(零值)，試驗(yàn)加載過程中測(cè)值相對(duì)于基準(zhǔn)值的凈增量作為成果值。

3.1.1 錨桿應(yīng)力計(jì)

在橋機(jī)逐級(jí)加載過程中，巖錨梁內(nèi)受拉錨桿測(cè)點(diǎn)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(yīng)的應(yīng)力也有增減，基本呈線性變化。在125%級(jí)負(fù)荷試驗(yàn)中，應(yīng)力增量均大于其他級(jí)荷載時(shí)應(yīng)力增量。卸荷后，各測(cè)點(diǎn)錨桿應(yīng)力增量明顯減小至誤差范圍內(nèi)甚至歸零。應(yīng)力變化較大的測(cè)點(diǎn)主要發(fā)生在離巖壁較近的1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)，Rybx- 0+103.4- 3- 1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增量最大，為6.15 MPa。圍巖內(nèi)上排受拉錨桿應(yīng)力增量基本大于第2排。1、2號(hào)橋機(jī)測(cè)點(diǎn)Rybs- 0+103.4- 3拉應(yīng)力增量變化過程見圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)Rybs- 0+103.4- 3拉應(yīng)力增量過程線

受壓錨桿測(cè)點(diǎn)Rybs- 0+103.4- 1和Rybx- 0+103.4- 1與受拉錨桿增量變化規(guī)律大致相同，隨荷載的增減而相應(yīng)增減，基本呈線性關(guān)系。在125%級(jí)負(fù)荷試驗(yàn)中，各測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量值均大于其他級(jí)荷載。離巖壁較近的1號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增量明顯大于離巖壁稍遠(yuǎn)的2號(hào)測(cè)點(diǎn)。其中，Rybx- 0+103.4- 1- 1號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力增量最大，為-6.42MPa。1、2號(hào)橋機(jī)Rybx- 0+103.4- 1測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量變化過程線見圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)Rybx- 0+103.4- 1壓應(yīng)力增量過程線

3.1.2 巖錨梁與圍巖間的開合度

試驗(yàn)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(cè)值增量在0.02～0.04 mm范圍內(nèi)。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(nèi)其他監(jiān)測(cè)儀器

與吊車梁結(jié)合的圍巖內(nèi)多點(diǎn)變位計(jì)位移增量均在0.10 mm以內(nèi)，變形都發(fā)生在距巖壁3 m的范圍以內(nèi)；卸荷后，大多測(cè)點(diǎn)都回彈到與試驗(yàn)前測(cè)值相近或相同的水平。

巖錨梁內(nèi)的鋼筋計(jì)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)增量為-11.48～4.90 MPa，絕大部分鋼筋計(jì)能恢復(fù)至試驗(yàn)前的狀態(tài)。其中，測(cè)點(diǎn)Gybx- 0+103.4- 1鋼筋計(jì)在1號(hào)橋機(jī)125%靜載試驗(yàn)過程中，由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，變幅為11.48 MPa。后續(xù)試驗(yàn)過程中及1周內(nèi)跟蹤監(jiān)測(cè)，測(cè)值維持在試驗(yàn)后的狀態(tài)。經(jīng)分析認(rèn)為，該部位處于主變運(yùn)輸洞上方，巖錨梁體型不同于其他部位，且1號(hào)橋機(jī)在試驗(yàn)過程中，2號(hào)橋機(jī)空載位置剛好位于該斷面上方，結(jié)構(gòu)受力略有調(diào)整。

巖錨梁內(nèi)，壓應(yīng)力計(jì)應(yīng)力增量在0.03 MPa以內(nèi)，卸荷后測(cè)值與空荷時(shí)壓應(yīng)力相近。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

在動(dòng)載試驗(yàn)中，對(duì)1號(hào)橋機(jī)運(yùn)行過程進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。1號(hào)橋機(jī)開至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)均停留10 min，選擇制動(dòng)后狀態(tài)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用試驗(yàn)開始時(shí)的觀測(cè)值作為基準(zhǔn)值(零值)，試驗(yàn)加載過程中測(cè)值相對(duì)基準(zhǔn)值的凈增量為成果值。2號(hào)橋機(jī)同等負(fù)荷動(dòng)載試驗(yàn)僅對(duì)試驗(yàn)前后測(cè)值進(jìn)行比對(duì)監(jiān)測(cè)分析。

3.2.1 錨桿應(yīng)力計(jì)

1號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)過程中，受拉錨桿測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增量為2.11～5.52 MPa，最大應(yīng)力增量發(fā)生在巖壁附近Rybx- 0+048- 3- 1號(hào)測(cè)點(diǎn)處。受壓錨桿測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增量為2.13～4.39 MPa，最大應(yīng)力增量發(fā)生在巖壁附近Rybx- 0+0- 1- 1號(hào)測(cè)點(diǎn)處。從動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)束后的卸荷數(shù)據(jù)看，絕大多數(shù)錨桿應(yīng)力在卸荷后都恢得至試驗(yàn)前的數(shù)值，個(gè)別測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增量較試驗(yàn)前略有變化，但均在誤差范圍內(nèi)。

2號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)過程中，錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力測(cè)值試驗(yàn)前后對(duì)比與1號(hào)橋機(jī)動(dòng)載工況基本相同。所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值較試驗(yàn)前相比，應(yīng)力變幅范圍在-1.04～2.02 MPa之間，均在誤差允許范圍內(nèi)。

3.2.2 巖錨梁與圍巖開合度

1號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)過程中，各測(cè)點(diǎn)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(nèi)。2號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)后，各測(cè)點(diǎn)部位接縫開合度前后相差在-0.01～0.02 mm范圍以內(nèi)，測(cè)點(diǎn)測(cè)值大都回彈到試驗(yàn)前的狀態(tài)。

3.2.3 巖錨梁內(nèi)其他監(jiān)測(cè)儀器

1號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)過程中，與吊車梁結(jié)合的圍巖內(nèi)多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)點(diǎn)位移增量在0.04 mm以內(nèi)，變形都發(fā)生在距巖壁3 m范圍以內(nèi)。在2號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)后，圍巖內(nèi)多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)點(diǎn)位移值基本與試驗(yàn)前數(shù)值相近。

1號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)過程中，巖錨梁內(nèi)的鋼筋計(jì)應(yīng)力增量范圍在-4.23～4.20 MPa之間，試驗(yàn)結(jié)束后絕大部分鋼筋計(jì)能恢復(fù)至試驗(yàn)前的狀態(tài)，所有測(cè)點(diǎn)較試驗(yàn)前相比，應(yīng)力變化范圍在-2.04～1.16 MPa之間，均在誤差允許范圍內(nèi)。2號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)后，與試驗(yàn)前應(yīng)力相比，鋼筋計(jì)應(yīng)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(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)過程中，巖錨梁內(nèi)大多數(shù)壓應(yīng)力計(jì)應(yīng)力增量在0.03 MPa內(nèi)。其中，在廠右0+048監(jiān)測(cè)斷面停留時(shí)段中，當(dāng)小車運(yùn)行至下游側(cè)時(shí)，下游側(cè)壓應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)Sybx- 0+048- 1測(cè)值增量為0.26 MPa，小車運(yùn)行返回中部并結(jié)束在該斷面的停留后，測(cè)值恢復(fù)至原來狀態(tài)，為-0.42 MPa。2號(hào)橋機(jī)動(dòng)載試驗(yàn)過程中，小車一直位于中間位置，動(dòng)載試驗(yàn)前后各測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力值變幅均在0.01 MPa以下。

3.3 廠房其他部位監(jiān)測(cè)

巖錨梁荷載試驗(yàn)進(jìn)行期間，每日試驗(yàn)開始前和試驗(yàn)結(jié)束后均對(duì)頂拱、邊墻及3號(hào)母線洞部位監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行觀測(cè)，試驗(yàn)前后測(cè)值未發(fā)現(xiàn)任何異常，測(cè)值變化均在誤差范圍內(nèi)，表明荷載試驗(yàn)對(duì)頂拱、邊墻及3號(hào)母線洞部位的影響較小。

4 結(jié) 語

在不同工況下，巖錨梁的受拉錨桿測(cè)點(diǎn)和受壓錨桿測(cè)點(diǎn)大都隨荷載變化呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，受拉與受壓實(shí)測(cè)最大應(yīng)力增量均在7 MPa以內(nèi)，變化較大的測(cè)點(diǎn)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(nèi)，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(nèi)，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(yīng)力增量多在0.03 MPa以內(nèi)。

綜上所述，各測(cè)點(diǎn)在加載過程中不同工況下測(cè)值變化呈現(xiàn)相同或相似的規(guī)律，且卸荷后多能恢復(fù)到空載狀態(tài)，應(yīng)力及圍巖變形增量不大，均在彈性變化階段，各測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)超過監(jiān)測(cè)儀器量程和錨桿(鋼筋)屈服強(qiáng)度的現(xiàn)象，表明各部位受力及變形情況均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。巖錨梁以外的廠房頂拱、邊墻及3號(hào)母線洞各部位受巖錨梁荷載試驗(yàn)的影響較小。

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(責(zé)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(jiān)測(cè)施工管理工作．

TV698.1(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0065- 04