巖錨吊車梁荷載試驗(yàn)研究

王永德 謝勇兵 劉 軍

(1. 云南省水利水電科學(xué)研究院,云南 昆明 650228;2. 中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司,云南 昆明 650041)

廣州抽水蓄能電站位于廣東省從化區(qū)呂田鎮(zhèn)境內(nèi),距廣州直線距離90km,電站地下廠房深埋于地面以下450m,開挖尺寸為14.5m ×21m ×44.54m(長(zhǎng)×寬×高)。 地下廠房部位的巖體完整,具有整體塊狀結(jié)構(gòu),總體上工程地質(zhì)條件良好。 巖體內(nèi)主要發(fā)育北北東、北北西和北西向三組斷裂構(gòu)造。 沿上述三組斷裂發(fā)育有不同程度的高嶺石化、蒙脫石化蝕變巖帶;主廠房軸線NE80°與各斷裂構(gòu)造均有較大的交角。 按圍巖分類劃分廠房洞室群所在地質(zhì)塊體屬Ⅰ、Ⅱ類圍巖。

水電站地下廠房巖錨吊車梁是通過(guò)錨桿將鋼筋混凝土吊車梁固定在巖壁上的結(jié)構(gòu)型式,吊車的全部荷載以及吊車的自重通過(guò)長(zhǎng)錨桿和鋼筋混凝土吊車梁與巖壁接觸面上的摩擦力傳到巖體上的。 采用巖錨吊車梁可省去支撐吊車梁的吊車柱或巖臺(tái),從而減少地下廠房的跨度,不僅減少開挖方量,節(jié)約資金、縮短工期,而且還對(duì)地下廠房圍巖穩(wěn)定十分有利。 另外,采用巖錨吊車梁還可提前安裝吊車,投入使用,方便后續(xù)施工。 因此,巖錨吊車梁是可較好應(yīng)用于水電站地下廠房的一種結(jié)構(gòu)型式。

1 載荷試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

目前興建水電站的地下廠房已經(jīng)普遍采用巖錨吊車的結(jié)構(gòu)型式,為驗(yàn)證巖錨吊車梁的安全可靠性,正式投入運(yùn)行前,需做荷載及超載試驗(yàn),檢驗(yàn)巖壁吊車梁的可靠性和安全性。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法是用試重鋼塊分四個(gè)等級(jí)加載,第一級(jí)加載至0.75 倍設(shè)計(jì)荷載,即300t;第二級(jí)加載至設(shè)計(jì)荷載,即400t;第三級(jí)加載至設(shè)計(jì)荷載1.2 倍,即480t;第四級(jí)加載至設(shè)計(jì)荷載1.4 倍,即560t。 試驗(yàn)的同時(shí),為了配合測(cè)量各種荷載下吊車梁的變形、錨桿應(yīng)力、混凝土應(yīng)力及應(yīng)變、吊車梁和巖壁接觸縫開合等情況,將測(cè)試斷面分為五個(gè),即0 +132、0 +99、0 +89、0 +66、0 +46。

首先進(jìn)行0.75 倍設(shè)計(jì)載荷的試驗(yàn)。 試驗(yàn)前觀測(cè)組做好各斷面觀測(cè)數(shù)據(jù)的初始值記錄后,起動(dòng)吊車將重物提起至離地面20 ~ 30mm 停止。 停留時(shí)間約10min,停穩(wěn)后,觀測(cè)組記錄該荷載下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。 再將重物提高至200mm 左右,以5m/min 的速度將重物移至該斷面的上、下游側(cè),每處停留5min,做好各斷面必要觀測(cè)記錄。 該斷面的測(cè)量工作完成以后,吊車往副廠房側(cè)移動(dòng),并在0 +99、0 +89、0 +66、0 +46 各斷面停止,承物分別向各斷面上、下游移動(dòng),停留時(shí)間均為5min,觀測(cè)組記錄該荷載下各斷面的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。 當(dāng)觀測(cè)完成后,吊車以5m/min 的速度開回。 接著用同樣的方法依次進(jìn)行1 倍和1.2 倍設(shè)計(jì)負(fù)荷的試驗(yàn)。 最后進(jìn)行1.4 倍設(shè)計(jì)荷載的靜荷試驗(yàn),該試驗(yàn)僅在0 +132斷面進(jìn)行。 將重物以1m/min 的速度吊起至離地面20 ~30mm 停下,停留時(shí)間為1h,然后放下,試驗(yàn)期間,進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)觀測(cè)。

3 巖錨吊車梁及觀測(cè)儀器埋設(shè)

3.1 巖錨吊車梁概況

巖錨吊車梁處巖壁施工精細(xì),巖壁成型良好,未受破壞,錨桿孔位、孔向、孔深、外露長(zhǎng)度、注漿密實(shí)度嚴(yán)格控制,符合設(shè)計(jì)要求。 錨桿注漿砂漿強(qiáng)度,平均值為38.02MPa,超過(guò)設(shè)計(jì)要求的19.6MPa。 同時(shí)通過(guò)幾組錨桿拉拔試驗(yàn)表明,拉拔力達(dá)14tf,超過(guò)設(shè)計(jì)要求的12tf,也仍未發(fā)現(xiàn)注漿損傷痕跡。 巖錨吊車梁共澆筑1048m3混凝土, 經(jīng)取樣試驗(yàn),28 天平均強(qiáng)度達(dá)36.4MPa,質(zhì)量良好,而設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度為24.5MPa。

廠房巖錨吊車梁設(shè)計(jì)最大起吊重量2 ×200t,最大垂直輪壓55tf,最大橫向水平力5.2tf。 巖錨吊車梁結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

圖1 巖錨吊車梁結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)圖(單位:cm)

3.2 觀測(cè)儀器埋設(shè)

本電站采用巖錨吊車梁,吊車輪壓較大,達(dá)55tf,因此,對(duì)巖錨吊車梁錨筋、混凝土鋼筋埋設(shè)較多觀測(cè)計(jì)儀器。

四點(diǎn)位移計(jì)主要埋設(shè)在樁號(hào)0 +46、0 +89、0 +132三個(gè)主斷面上,觀測(cè)頂拱、邊墻、巖錨吊車梁部位巖體均有不同深度范圍的變形;鋼筋計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、滲壓計(jì)及巖錨吊車梁的錨桿應(yīng)力計(jì)主要埋在樁號(hào)0 +46、0 +66、0 +89、0 +99、0 +132 五個(gè)斷面上。 整個(gè)地下廠房共埋設(shè)四點(diǎn)位移計(jì)26 套,錨桿應(yīng)力計(jì)13 套,鋼筋計(jì)25 套,測(cè)縫計(jì)16 支,滲壓計(jì)6 支。

錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)量錨桿中的拉壓應(yīng)力;位移計(jì)測(cè)量吊車梁受載后向廠內(nèi)的變位;鋼筋計(jì)測(cè)量吊車梁錨筋應(yīng)力;測(cè)縫計(jì)測(cè)量吊車梁巖壁與混凝土之間縫隙張開度;混凝土應(yīng)力計(jì)測(cè)量吊車梁下部混凝土受壓狀況及混凝土梁頂面靠近巖壁處的受拉狀況。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)主要結(jié)果見表1,表中的R4-1-1,R4-1 代表拉錨鋼筋編號(hào),最后的“1”代表1 號(hào)測(cè)點(diǎn)。 錨筋計(jì)上分成四段,沿錨筋不同長(zhǎng)度量測(cè)。 吊車梁受拉錨筋2 號(hào)測(cè)點(diǎn)距巖壁0.5 ~0.8m,3 號(hào)測(cè)點(diǎn)距巖壁3m,4 號(hào)測(cè)點(diǎn)距巖壁6.8m,1 號(hào)測(cè)點(diǎn)在混凝土中;吊車梁下部受壓鋼筋2 號(hào)測(cè)點(diǎn)距巖壁0.5 ~0.8m,3 號(hào)測(cè)點(diǎn)距巖壁2.7m,4號(hào)測(cè)點(diǎn)距巖壁5m,1 號(hào)測(cè)點(diǎn)在混凝土中。

表1 巖錨吊車梁試驗(yàn)結(jié)果 單位:MPa

在1.2 倍動(dòng)荷超載試驗(yàn)時(shí),最大垂直輪壓力61.78tf,橫向水平力6.24tf。 錨桿設(shè)計(jì)最大拉力沿梁長(zhǎng)每米承擔(dān)19.08tf,將最大輪壓,最大橫向水平力換算到每米梁上,為圖1 中的P(391.34kN)和T(33.55kN)。

5 結(jié) 論

試驗(yàn)結(jié)果表明:

a. 受拉錨桿受載后拉應(yīng)力增值均不大,當(dāng)?shù)踯嚵撼袚?dān)設(shè)計(jì)荷載時(shí),最大增值為11.68MPa,發(fā)生在0 +46樁號(hào)下游側(cè)離巖石表面0.5 ~0.8m 吊車梁的R4-3-2測(cè)點(diǎn)上,此時(shí)錨桿應(yīng)力從初始值35.52MPa 增至47.20MPa,其余各測(cè)點(diǎn)受載后,錨桿中最大應(yīng)力增值均在1.66MPa 以下。 這一規(guī)律與其他電站巖錨吊車梁實(shí)測(cè)結(jié)果相同,而本工程巖錨吊車梁的增值幅度更小,說(shuō)明該電站地質(zhì)條件及施工質(zhì)量情況較好。

b. 各錨桿最深處的應(yīng)力增值幅度更小,最大不超過(guò)1MPa,其余基本不變,說(shuō)明錨桿伸入巖壁7m 已經(jīng)足夠。

c. 各錨桿在受吊車荷載之前已有一定應(yīng)力,但均不大,最大初始拉應(yīng)力值為109.79MPa 在R4-3-3 處,其余各點(diǎn)均在65.54MPa 以下,和其他電站相比,是最小的,說(shuō)明該電站地下廠房洞室穩(wěn)定性良好,開挖過(guò)程中邊墻變位不大。

d. R4-3-3 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力較大的原因是附近有斷層通過(guò),受斷層影響其應(yīng)力有增大可能。

e. 吊車梁卸載后,各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本復(fù)原,仍在R4-3-2 測(cè)點(diǎn)偏差最大,但也只達(dá)1.07MPa,說(shuō)明各巖錨吊車梁錨桿基本在彈性范圍內(nèi)工作,是安全可靠的。

f. 除上述觀測(cè)結(jié)果,同時(shí)觀測(cè)到吊車梁上表面靠近巖壁處混凝土中有少量拉應(yīng)力,但都小于0.5MPa,測(cè)縫計(jì)基本無(wú)變化,縫沒(méi)有張開,說(shuō)明混凝土與巖壁間黏著良好。

綜上所述,各測(cè)點(diǎn)在加載過(guò)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(guò)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)。 結(jié)果表明,該電站地下廠房圍巖穩(wěn)定良好,巖錨吊車梁安全可靠。