白鶴灘水電站右岸地下廠房巖壁吊車梁補強加固設(shè)計

錢 軍，邵 兵，陸健健，萬祥兵，江亞麗，陳建林

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司水電工程院，浙江 杭州 311122）

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45 km，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級。電站總裝機容量16 000 MW，左右岸地下廠房各布置8臺1 000 MW立式水輪發(fā)電機。右岸地下廠房的開挖尺寸為438.00 m×88.70 m×34.00 m（31.00 m）（長×高×寬），按“一”字型布置，從南至北依次布置副廠房、輔助安裝場、機組段和安裝場。地下廠房起重設(shè)備選用2臺1 300/125 t橋式起重機，最大起吊重量23 500 kN，單個最大輪壓為1 100 kN，吊車梁型式選用巖壁吊車梁。白鶴灘右岸地下廠房地應力高，地質(zhì)條件復雜，超大噸位巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題是工程的重點和難點。

2 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

白鶴灘右岸地下廠房巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)基本參數(shù)為：梁體采用C30混凝土，高3 300 mm，寬2 850 mm，巖壁角35°；上部2排受拉錨桿采用熱軋帶肋4級鋼筋HRB500，直徑40 mm，長度12 000 mm，間距700 mm；下部一排受壓錨桿采用熱軋帶肋3級鋼筋HRB400，直徑32 mm，長度9 000 mm，間距700 mm。巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)基本參數(shù)見圖1。

圖1 巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)基本參數(shù)圖 單位：mm

3 主要工程地質(zhì)問題

3.1 基本地質(zhì)條件

右岸地下廠房水平埋深420 ～ 800 m，垂直埋深420 ～540 m。地層為單斜巖層，巖層總體產(chǎn)狀為N40° ～ 45°E，SE∠15° ～ 20°，地層走向與廠房軸線大角度相交，交角60° ～ 70°。巖壁吊車梁巖性主要為 P2β34 ～ P2β42 層隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、柱狀節(jié)理玄武巖和少量凝灰?guī)r（見圖2）。地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，主要發(fā)育層間錯動帶C3、C3 - 1，層內(nèi)錯動帶RS411；優(yōu)勢裂隙共3組：① NW 向 陡 傾 角 裂隙：N40° ～ 60°W，NE(SW) ∠ 75° ～85°；② NNE 向陡傾角裂隙：N20° ～ 30°E，NW ∠ 70° ～80°；③緩傾角裂隙：N45° ～ 55°E，SE ∠ 18° ～ 25°。裂隙傾角較緩，延伸范圍較大，與陡傾角裂隙組合對巖壁吊車梁成型影響較大；錯動帶C3、C3 - 1、RS411、斷層F20發(fā)育部位巖體破碎，易在巖壁吊車梁形成潛在不穩(wěn)定塊體；第三類柱狀節(jié)理玄武巖發(fā)育部位對巖壁梁成型影響較大。

圖2 右岸地下廠房巖壁吊車梁高程工程地質(zhì)平切圖

右岸廠區(qū)地應力以構(gòu)造應力為主，第一和第二主應力基本水平，第三主應力大致垂直。第一主應力方向為NNE向，一般在 N0° ～ 20°E，與地下廠房軸線夾角約 10° ～30°，傾角 2° ～ 11°，量值在 22 ～ 26 MPa；第二主應力量值14 ～ 18 MPa，方向與地下廠房洞室軸線方向近垂直；第三主應力近垂直，量值相當于上覆巖體自重應力，一般為13 ～ 16 MPa。右岸地下廠房巖石平均飽和抗壓強度為74 ～112 MPa，巖石強度應力比為2.85 ～ 5.09，局部存在應力集中現(xiàn)象，應力最大可達30 MPa以上，廠區(qū)總體上屬高地應力區(qū)。

3.2 開挖成型情況

右岸地下廠房屬高地應力區(qū)，雖然第一主應力與地下廠房軸線小角度相交，對邊墻的影響較小，但第二主應力量值達到14 ～ 18 MPa，且與地下廠房軸線近垂直相交，對地下廠房邊墻的影響較為明顯。由于第二主應力傾向上游，在巖壁吊車梁開挖過程中，下游側(cè)巖壁吊車梁部位應力集中程度明顯高于上游側(cè)，下游側(cè)巖壁吊車梁開挖過程中產(chǎn)生大范圍破裂破壞現(xiàn)象，一般影響深度30 ～ 50 cm，局部80 ～ 150 cm，應力調(diào)整產(chǎn)生的裂縫一般張開3 ～ 5 mm，局部達1 ～ 2 cm，導致巖臺開挖不成形。

右岸地下廠房地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，斷層F20及其同產(chǎn)狀裂隙，構(gòu)造帶內(nèi)巖體較破碎，開挖爆破后，沿陡傾角結(jié)構(gòu)面塌落，塌落深度一般30 ～ 50 cm，局部100 ～ 150 cm；錯動帶C3、C3 - 1與陡傾角裂隙組合形成塊體，錯動帶上盤巖體產(chǎn)生滑塌；第三類柱狀節(jié)理玄武巖及RS411緩傾角節(jié)理密集帶，柱面裂隙（陡傾角）與緩傾角裂隙相互切割構(gòu)成塊體破壞，破壞深度一般30 ～ 80 cm。

總體上，上游側(cè)巖壁吊車梁開挖成型完整率相對較高，下游側(cè)巖壁吊車梁開挖成型完整率低，巖臺完全缺失比例達到60%以上。

4 補強加固設(shè)計

巖壁吊車梁是通過錨桿錨固在地下洞室?guī)r壁上的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由鋼筋混凝土梁體、錨桿和圍巖共同承受荷載和作用。圍巖是巖壁吊車梁承載的基礎(chǔ)，巖臺的開挖成型質(zhì)量直接影響到巖壁吊車梁的承載能力。白鶴灘右岸地下廠房下游側(cè)巖壁吊車梁開挖成型差，巖臺缺失范圍大，橋機荷載巨大，必須采取補強加固措施保證巖壁吊車梁安全運行。

4.1 補強加固措施

根據(jù)下游側(cè)巖壁吊車梁實際開挖形態(tài)，綜合考慮地質(zhì)條件、施工條件、后續(xù)圍巖劣化等因素，主要采取A型、B型、C型3種補強加固措施（見圖3）。

（1）A型：巖壁吊車梁基本能夠開挖成型，超挖較小，超挖部分采用混凝土回填，并在巖壁梁下部設(shè)置80 cm厚附壁墻，并設(shè)置2排預應力錨索和1排預應力錨桿壓在附壁墻表面，以增加巖壁吊車梁和附壁墻的穩(wěn)定性，巖壁梁及附壁墻范圍內(nèi)進行固結(jié)灌漿。

（2）B型：巖壁吊車梁部位巖體超挖較大，斜壁座基本呈70°，超挖部位用附壁墻修補，附壁墻凸出原設(shè)計開挖線40 cm，并設(shè)置3排預應力錨索和1排預應力錨桿壓住附壁墻，以增加巖壁吊車梁的穩(wěn)定性，巖壁梁及附壁墻范圍內(nèi)進行固結(jié)灌漿。

圖3 補強加固措施示意圖

（3）C型：巖壁吊車梁部位巖體超挖非常大，斜壁座基本呈8°，超挖部位用附壁墻修補，附壁墻凸出原設(shè)計開挖線40 cm，并設(shè)置3排預應力錨索和2排預應力錨桿壓住附壁墻，以增加巖壁吊車梁的穩(wěn)定性，巖壁梁及附壁墻范圍內(nèi)進行固結(jié)灌漿。巖壁吊車梁與補強結(jié)構(gòu)混凝土分兩期澆筑，一期補強結(jié)構(gòu)澆筑且加固措施完成后再澆筑二期巖壁吊車梁混凝土，一、二期混凝土之間鑿毛。

4.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

巖壁吊車梁補強加固后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析采用有限元法和剛體平衡法2種方法進行計算并相互驗證。

4.2.1 有限元法分析

選用大型通用有限元軟件ANSYS對上述A、B、C型補強加固措施進行三維非線性有限元計算，分析巖壁吊車梁錨桿安全性和結(jié)合面抗滑穩(wěn)定性。計算選取單個機組段的局部模型，不考慮廠房下部開挖對巖壁吊車梁的作用與影響；抗滑穩(wěn)定計算不考慮巖壁豎直結(jié)合面的抗剪斷強度，只計入斜面的抗剪斷強度，巖壁結(jié)合面的抗剪斷強度以現(xiàn)場試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，根據(jù)各類圍巖物理力學參數(shù)地質(zhì)建議值進行折減，所得見表1。橋機荷載以集中力的方式施加，錨桿與混凝土采用位移完全協(xié)調(diào)的聯(lián)結(jié)模型，巖壁結(jié)合面采用接觸單元模擬，預應力錨索的荷載以等效壓力的方式作用于補強加固結(jié)構(gòu)的表面。

A、B、C型有限元分析結(jié)果見圖4 ～ 6，巖壁吊車梁斜壁座出現(xiàn)不同程度超挖，經(jīng)修補后，混凝土與圍巖接觸面的開合規(guī)律基本一致，直壁面及斜壁面頂部受拉，處于張開狀態(tài)，斜面中下部及附壁墻部位處于受壓閉合狀態(tài)；接觸面上應力分布規(guī)律也基本一致，剪應力自附壁墻底部向上逐漸較小，巖壁吊車梁的下滑力主要由附壁墻承擔，正應力在斜壁下拐點以及附壁墻底部最大。

圖4 A型修補方案有限元計算結(jié)果圖 單位：Pa

圖5 B型修補方案有限元計算結(jié)果圖 單位：Pa

圖6 C型修補方案有限元計算結(jié)果圖 單位：Pa

根據(jù)NB/T 35079 — 2016《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計規(guī)范》[1]采用應力積分法計算巖壁吊車梁的安全系數(shù)，對A、B、C型補強加固措施進行有限元安全評價（見表1）。通過對比A型、B型、C型計算結(jié)果，隨著巖壁吊車梁的超挖程度加大，巖壁吊車梁的抗滑穩(wěn)定性和收拉錨桿安全系數(shù)逐漸減小，但受拉錨桿和結(jié)合面抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)均較大，滿足規(guī)范要求。

表1 有限元法計算結(jié)果表

4.2.2 剛體平衡法分析

按照NB/T 35079 — 2016《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計采用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，按分項系數(shù)設(shè)計表達式進行計算。其中，受拉錨桿強度通過對梁體底部交點進行剛體轉(zhuǎn)動的力矩和驗算，巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定通過下滑力與阻滑力之和驗算[2-3]。

由于本工程巖壁吊車梁補強加固后的結(jié)構(gòu)體型、承載機理與一般巖壁吊車梁相差較大，完全按照規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行安全性評價已不合適。補強加固段結(jié)構(gòu)高度大幅增加，巖壁角大幅減小，運行期橋機荷載下整個結(jié)構(gòu)繞底部轉(zhuǎn)動的趨勢減弱，定性分析，上部受拉錨桿的實際拉應力將變小，按照正常斷面設(shè)計的受拉錨桿的安全性可以保證，而巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定問題相對突出。

本文采用剛體平衡法驗算補強加固段結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)性。選取單寬結(jié)構(gòu)，根據(jù)巖壁結(jié)合面下滑力S與阻抗力R的比值計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kj，即Kj= R/S。計算計入的主要荷載有：橋機豎向輪壓、橫向水平荷載、橋機軌道及附件重力，結(jié)構(gòu)自重及梁上防潮隔墻重力，巖壁吊車梁受拉錨桿應力、加固預應力錨索拉力等。

剛體平衡法計算得到的結(jié)合面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kj均大于1.815（由結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、設(shè)計狀況系數(shù)、抗滑穩(wěn)定結(jié)構(gòu)系數(shù)相乘所得，見表2）。計算結(jié)果表明，B、C型補強加固后的結(jié)合面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

表2 剛體平衡法計算結(jié)果表

綜合有限元法和剛體平衡法2種方法的計算結(jié)果，下游側(cè)巖壁吊車梁在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上補強加固后，其受拉錨桿和結(jié)合面抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

大型地下廠房內(nèi)橋機支承結(jié)構(gòu)采用巖壁吊車梁具有明顯優(yōu)勢，且運用廣泛。在高地應力區(qū)、軟弱巖層、結(jié)構(gòu)面發(fā)育等不良地質(zhì)條件下，在采取控制開挖成型措施后，巖壁吊車梁的巖臺基礎(chǔ)也往往不能完全成型，結(jié)構(gòu)承載力不能滿足要求。受地質(zhì)條件及施工條件等因素制約，巖壁吊車梁開挖后一般不具備二次開挖或大規(guī)模置換的條件，而在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上進行補強加固更易于實現(xiàn)。考慮到廠房后續(xù)下挖引起的圍巖松弛變形及巖臺質(zhì)量劣化程度較難預測，補強加固措施應偏于保守、穩(wěn)妥。本文提出的幾類現(xiàn)狀基礎(chǔ)補強加固措施對類似工程具有一定的借鑒意義。

巖壁吊車梁補強加固后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析應根據(jù)實際情況選取計算方法和模型，宜采用幾種方法相互驗證。本文選用的2種計算方法雖然采用了局部模型，未考慮廠房下部開挖對巖壁吊車梁的作用與影響，但廠房下部開挖后邊墻外鼓變形將導致巖壁吊車梁加固錨索和錨桿拉力有所增加，有利于提高巖壁吊車梁補強加固結(jié)構(gòu)的承載能力，局部模型計算得到的結(jié)構(gòu)承載能力偏于保守。根據(jù)實施后橋機起吊試驗時巖壁吊車梁的監(jiān)測成果，對補強加固措施的合理性進行實際驗證。