白鶴灘右岸尾水管檢修閘門室?guī)r壁吊車梁缺陷修補研究

鄭海圣，楊 飛，孟江波

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，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，上接烏東德水電站，下鄰溪洛渡水電站。電站樞紐由攔河壩、泄洪消能設施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。兩岸引水發(fā)電系統(tǒng)對稱布置，左右岸地下廠房內分別布置8臺1 000 MW立式水輪發(fā)電機。

尾水管檢修閘門室與尾水調壓室分離布置，與主廠房、主變洞軸向平行，位于主變洞與尾水調壓室之間。閘門室總長374.5 m，分兩層布置，上層跨度12.1～15.0 m，下層跨度9.1～12.0 m，直墻高30.5～31.5 m，閘門井高94 m。巖壁吊車梁位于高程655.2～658.2 m，離起拱點距離5.5～6.5 m，如圖1所示。

圖1 白鶴灘水電站尾水管檢修閘門室布置Fig.1 Layout of the emergency gate chamber at Baihetan hydropower station

2 工程地質條件

右岸尾水管檢修閘門室出露巖性為P2β34～P2β61層隱晶質玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖和部分凝灰?guī)r，其中柱狀節(jié)理玄武巖主要分布在P2β61層中下部。層間錯動帶C3-1出露于洞室下游段邊墻及端墻下部，層間錯動帶C4出露于洞室中段頂拱及上游段邊墻和端墻中部，C5出露于洞室上游段頂拱和邊墻端墻上部。

尾水管檢修閘門室圍巖以Ⅲ1類為主，占70%左右，分布于性狀較好的隱晶質玄武巖發(fā)育部位。Ⅲ2類圍巖占5%左右，主要分布于角礫熔巖發(fā)育部位。Ⅱ類圍巖占10%，Ⅳ類圍巖占15%左右，主要分布于3條層間錯動帶及凝灰?guī)r發(fā)育部位。巖壁吊車梁部位巖體以Ⅲ1類為主，局部受層間錯動帶切割為Ⅳ類。

3 巖壁吊車梁結構布置

尾水管檢修閘門室兩岸各布置兩臺臺車式啟閉機，啟閉容量2×6 300 kN，揚程97 m。每個臺車每側輪子個數(shù)16 個，軌距8.40 m/11.3 m，最大啟閉輪壓P=585 kN，最大行走輪壓P=385 kN，沿軌道方向水平力P=45 kN，垂直軌道方向水平力P=40 kN。根據(jù)確定的吊車型式和起吊荷載，確定巖壁吊車梁頂高程658.0 m，梁頂寬度2.3 m。下拐點以上梁高1.85 m，下拐點以下梁高0.95 m，巖臺垂直傾角為40°，梁體外挑0.95 m。

巖錨吊車梁中上部設2 排受拉錨桿，錨桿參數(shù)：HRB400C40（層間錯動帶C4、C5出露區(qū)域采用HRB500C40），L=9 m，入巖深度6.9 m，間距75 cm，傾角分別為20°和15°。吊車梁下部設1排受壓錨桿，錨桿參數(shù)：C32，L=7.5 m，間距75 cm，入巖深度為6.4 m，傾角35°，如圖2所示。

圖2 巖壁吊車梁結構布置Fig.2 Structure of the rock-bolted crane girder

4 缺陷修補處理研究

受高地應力、柱狀節(jié)理玄武巖、層間錯動帶及錯動帶下盤應力集中影響，右岸尾水管檢修閘室?guī)r壁吊車梁開挖面局部洞段成型質量較差。尤其是下游側邊墻，超挖問題較為普遍，壁座下拐點以下最大超挖高度達6 m，如圖3所示。

圖3 右岸尾水管檢修閘門室?guī)r壁吊車梁缺陷面貌Fig.3 Defects on the excavation face of rock-bolted crane girder

巖壁吊車梁基礎缺陷將對吊車梁承載力及運行安全帶來重大影響。為保證巖壁吊車梁正常運行及荷載安全，對缺陷超挖部位進行修補加固。

4.1 缺陷修補

根據(jù)右岸尾水管檢修閘門室?guī)r壁吊車梁實際開挖形態(tài)，擬定A、B、C、D型4種缺陷修補措施。其中A、B、C 型適用于非錯動帶影響下的巖壁梁基礎缺失，D型適用于層間錯動帶C4、C5發(fā)育影響洞段，修補措施見表1和圖4。

圖4 右岸尾水管檢修閘門室?guī)r壁吊車梁修補示意圖Fig.4 Diagrams of the rock-bolted crane girder repair

表1 右岸尾水管檢修閘門室?guī)r壁吊車梁修補措施Table 1 Repair measures of the rock-bolted crane girder

右岸尾水管檢修閘門室?guī)r壁吊車梁超挖部位總修補長度445.6 m，約占巖壁吊車梁總長度的63.6%。

2.學習無策略沒有好的學習習慣。只是做到上課聽講，課余潦草完成作業(yè)，沒有養(yǎng)成課前預習、課中積極參與發(fā)言、課后復習和閱讀課外書籍的良好習慣，分析解決問題的能力欠缺。

4.2 扶壁墻支護

在層間錯動帶、柱狀節(jié)理玄武巖、斷層、長大裂隙和地應力等多種因素作用下，受開挖爆破的進一步影響，巖壁吊車梁壁座基礎破裂破壞及卸荷松弛嚴重，大部分洞段壁座已全部挖掉。為了保證后期巖壁吊車梁的運行安全，在對巖壁吊車梁基礎修補的基礎上，對P2β61層第一、二類柱狀節(jié)理玄武巖影響洞段，層間錯動帶C4、C5影響洞段和壁座下拐點超挖高度大于4 m、深度大于0.5 m 的洞段，布置扶壁墻進行加固。扶壁墻上頂巖壁吊車梁底面，下抵尾水管檢修閘門井646檢修平臺，扶壁墻厚80 cm，高10.15m，豎向主筋C25@20，水平向分布筋C20@20，見圖5。

圖5 扶壁墻加固典型布置（單位：cm）Fig.5 Layout of reinforcement by counterfort retaining wall

右岸尾水管檢修閘門室?guī)r壁吊車梁扶壁墻加固洞段總長度388.6 m，約占巖壁吊車梁總長度的55.5%。

5 修補措施有限元分析

采用三維非線性有限元方法對缺陷處理后的巖壁吊車梁進行結構穩(wěn)定性復核。根據(jù)計算結果對巖壁吊車梁的安全裕度進行計算，確保巖壁吊車梁修補后的安全穩(wěn)定。C 型缺陷處理斷面面積最大，安全風險最高，以C 型缺陷修補措施為典型斷面進行分析。

5.1 計算說明

采用三維有限元計算軟件Abaqus 進行計算分析。計算模型在洞軸向取30 m，鉛直向取24 m，水平向取15.3 m。模型所有材料均采用線彈性材料模型，圍巖和巖壁吊車梁結構均按六面體八節(jié)點實體單元進行離散，錨桿按線性梁單元進行離散，共劃分了33 780個實體單元和1 760個梁單元，見圖6。

圖6 計算模型三維網格圖Fig.6 3D mesh of computational model

錨桿與混凝土之間的聯(lián)結采用位移完全協(xié)調的聯(lián)結模型，巖體與梁體之間的相互作用采用面-面接觸單元模擬。接觸面法向屬性采用“硬接觸”，接觸面之間可以傳遞的接觸壓力大小不受限制。當接觸壓力變?yōu)榱慊蜇撝禃r，接觸面可以分離，從而可以模擬在輪壓作用下巖-梁接觸面直壁張開、壁座受壓的效果。出于安全考慮，接觸面之間的切向屬性采用庫侖摩擦公式，不考慮接觸面之間的粘結力。

5.2 計算結果

5.2.1 錨桿強度驗算

經計算分析，巖壁吊車梁A、B 和C 錨桿Mises應力分布見圖7。其中A、B 錨桿受拉應力，C 錨桿受壓應力。A 錨桿最大Mises 應力為146.3 MPa，B錨桿最大Mises應力為109.7 MPa，C錨桿最大Mises應力為272.0 MPa。A、B、C錨桿的最大應力均發(fā)生在巖壁吊車梁與圍巖接觸部位。

圖7 巖壁吊車梁錨桿Mises應力分布圖（單位：Pa）Fig.7 Mises stress distribution of the rock-bolted crane girder

根據(jù)NB/T 35079-2016《地下廠房巖壁吊車梁設計規(guī)范》附錄B巖壁吊車梁受拉錨桿的安全系數(shù)判斷，A、B錨桿的安全系數(shù)分別為2.7和3.6。由此可見，巖壁吊車梁缺陷修補后，A、B 受拉錨桿的強度滿足要求。

巖壁梁與圍巖接觸面的閉合情況及接觸面的正應力分布如圖8所示。

圖8 巖壁吊車梁與巖面接觸面受力分析Fig. 8 Analysis of stress on the contact surface between rockbolted crane girder and rock

計算結果表明，巖壁吊車梁受荷載后，整個接觸面除小部分區(qū)域處于張開狀態(tài)，大部分接觸面仍處于閉合狀態(tài)。巖壁梁下部正應力較大，為0.1～0.3 MPa。扶壁墻底部正應力最大，達到1.07 MPa，其余大部分應力水平在0.1～0.2 MPa。由此可見，整個接觸面除直壁面以及斜壁面頂部小部分區(qū)域處于張開狀態(tài)，其余部位處于受壓狀態(tài)，接觸面應力滿足要求。

經計算分析，巖壁吊車梁基礎缺失處經缺陷修補后，結構穩(wěn)定性滿足要求。

6 監(jiān)測結果

2016年2月，白鶴灘右岸尾水管檢修閘門室吊車梁投入使用。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，截至2019年1月初，白鶴灘右岸尾水管檢修閘門室?guī)r壁吊車梁錨桿應力為-36.34～449.80 MPa（上游側巖臺梁高程655.4 m,ASRGZYL-10-2，2.5 m），超過310 MPa 的監(jiān)測點有4 個（共32個測點），且目前已經收斂。當前巖梁開合度為-0.32～21.36 mm，最大點為 JRGZ-0+60-3（RGZ0+60.00 斷面，下游側巖梁），目前該測點已經收斂。當前巖梁鋼筋應力為-171.92～169.48 MPa，巖梁鋼筋應力整體量值較小，目前監(jiān)測數(shù)據(jù)已收斂。

7 結語

（1）白鶴灘工程中，針對巖壁吊車梁基礎不同缺陷類型、不同圍巖特點，制定相應修補加固處理措施。經計算分析，巖壁吊車梁缺陷修補后A、B受拉錨桿的強度滿足規(guī)范要求，巖壁吊車梁與圍巖接觸面總體處于受壓狀態(tài)，接觸面應力滿足規(guī)范要求。修補加固處理措施理論可行。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，巖壁吊車梁缺陷修補并投入使用后，目前各項監(jiān)測數(shù)據(jù)平穩(wěn)且已收斂，表明修補加固處理措施滿足穩(wěn)定運行要求。

（3）巖壁吊車梁結構型式可以減小地下閘門室跨度，有利于圍巖穩(wěn)定，吊車可提早投入運行，為后期施工安裝提供方便。但巖壁吊車梁基礎往往受不良地質條件、開挖施工方式等因素影響，成型較差，甚至影響吊車梁正常運行。因此，巖壁吊車梁設計、施工過程中應充分考慮不利因素，認真評估巖壁吊車梁方案的可行性，針對不可避免的情況，預先擬定加固方案，確保巖壁吊車梁成型良好。