某水電站地下廠房巖壁梁設計

朱 紅

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

某水電站為一引水式電站，工程以發電為主。 電站設計裝機容量為20MW，年均發電量5529萬kW·h。

地下廠房廠址區基巖為寒武系中上統婁山關群（∈2-3ls1）淺灰、灰白色厚～巨厚層狀粗晶至致密白云巖為主，夾少量灰質白云巖，巖性致密堅硬，基巖表層局部呈強風化狀，厚（0.5～3）m,弱風化下限埋深（12～22）m 巖體完整性較好，力學強度高，單軸飽和抗壓強度（41～58）MPa，屬中等堅硬巖類。

2 吊車梁形式選擇

該水電站廠房上、下游側邊墻圍巖較堅硬、完整，整體性好。 在廠房橋機吊車梁的結構型式選擇時，為減少主廠房的開挖跨度，使吊車梁能夠在先期投入使用，以加快機組的安裝進度，選擇無柱式吊車梁中的巖錨式和巖臺式兩種型式進行對比。 巖臺式吊車梁受荷全部由巖臺承擔，因此要求開挖部位的巖石完整，對開挖爆破控制的要求嚴格，巖臺部位的巖石在開挖后處于應力集中、松弛回彈區，較難成型及達到設計要求，而巖錨式由于其吊車梁與圍巖之間選用較合理的巖壁角，巖面和錨桿共同承擔吊車梁的荷載，較大的改善了巖臺式中巖臺難于成型的缺點，對巖石完整性的要求相對較低。 綜上所述，該水電站吊車梁選用巖錨式吊車梁。

3 設計的基本原則

巖壁吊車梁是利用圍巖的承載能力，采用長錨桿將鋼筋混凝土梁體錨固在地下廠房的兩側的穩定巖石上，吊車荷載通過鋼筋混凝土吊車梁傳遞到巖壁，吊車梁主要由錨桿的拉力和混凝土與巖石接觸面的摩擦力來共同支撐。

巖壁吊車梁的設計大體分為：梁體的結構計算、錨桿及巖壁角的選擇等。 對于大型、復雜地質條件、高應力區、高地震區地下廠房工程的巖壁梁設計宜進行有限元計算，本電站屬于中小型工程，且地質條件等相對簡單，因此采用概率理論為基礎的極限狀態設計方法來進行計算。 按極限平衡分析時不考慮巖石應力的影響。假定巖錨吊車梁梁體為剛體，不計混凝土與巖壁之間的凝聚力，只考慮斜面上正應力引起的摩擦力。梁上部的錨桿是主要受力錨桿，承受軸向拉力，而下部錨桿只起加固巖壁的作用，在計算時不予考慮。

4 截面尺寸及吊車基本參數

4.1 截面尺寸確定

該水電站巖壁吊車梁的截面尺寸通過計算分析比較，并參考了類似工程，最終確定：

（1）巖壁吊車梁的頂面寬度B取1 400 mm，其中，軌道中心線至巖壁吊車梁外邊緣的水平距離取350 mm。

（2）巖壁角應綜合考慮巖層、主要地質構造及節理裂隙的影響，以及巖壁梁截面尺寸，錨桿的布置和受力等因素確定，一般為20°～40°，該電站考慮到圍堰較好，設計取45°。

（3）巖壁吊車梁梁體底面傾角：一般取30°～45°，本次設計取35°。

（4）巖壁吊車梁的截面高度取1 500 mm，其中，巖壁吊車梁外邊緣高度取1 010 mm。

（5）錨桿的傾角選擇。錨桿的傾角越小，錨桿的受力越小，但對抗滑穩定不利；傾角越大，錨桿受力越大，但錨桿上覆蓋巖層越薄，不利于錨桿的安全耐久使用，本次設計α1為25°，α2為20°。

4.2 吊車基本參數

最大豎向輪壓402 kN；吊車單側輪數2個；吊車跨度12 m。 大車重5.005 t，小車重15.65 t，橋架重14.129 t。

5 巖壁梁結構設計

5.1 荷載計算

巖壁吊車梁承受的荷載包括橋機的豎向輪壓、橫向水平荷載、巖壁吊車梁自重（含二期混凝土自重）、軌道及附件重力和梁上防潮隔墻重力。 巖壁吊車梁的受力錨桿還承受釋放應力。

5.2 荷載組合

巖壁吊車梁結構設計應考慮三種設計狀況：持久狀況、短暫狀況、偶然狀況。 三種設計狀況均應按承載能力極限狀態進行計算。 見表1和表2。

表1 巖壁吊車梁的作用（荷載）效應組合表

表2 巖壁吊車梁的作用（荷載）效應組合計算結果

5.3 結構設計

5.3.1 單位梁長巖壁吊車梁受拉錨桿截面面積計算

式中 γ0——結構重要性系數，對于結構安全級別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的吊車梁可以分別取1.1、1.0、0.9；

ψ——設計狀況系數對應于持久、短暫、偶然分別取1.0、0.95、0.85；

γd——巖壁吊車梁受拉錨桿承載力計算的結構系數，考慮錨桿釋放應力影響，不小于1.65。

M——吊車梁單位長度上所有荷載對受壓錨桿與巖壁斜面交點的力矩和，見表3。

fy——受拉錨桿抗拉強度設計值；

As1、As2——第一、二排受拉錨桿單位梁長的計算截面面積；

Lt1、Lt2——第一、二排受拉錨桿到受壓錨桿與巖壁斜面交點的力臂。

表3 各種狀況下的彎矩計算結果表

該水電站經過各種工況的計算，并參考類似工程，采用雙排受拉錨筋，第一排鋼筋選用直徑25 錨筋，間距1 m，傾角25°；第二排選用直徑25 錨筋，間距1 m，傾角20°；第一排與第二排的間距取700 mm。

受壓錨桿主要起加固圍巖的作用，根據已建工程的經驗并結合本工程洞室噴錨支護的系統錨桿來考慮，采用直徑25 錨桿，間距2 m，入巖深度5.0 m。

5.3.2 巖壁吊車梁與巖壁結合面的抗滑穩定驗算

式中 S（.）——沿巖壁斜面上的下滑力；

R（.）——沿巖壁斜面上的阻滑力；

Fv——單位梁長豎向輪壓設計值；

Fh——單位梁長橫向水平荷載設計值；

G——單位梁長巖壁吊車梁自重（含二期混凝土）設計值；

W——單位梁長上軌道及附件重力和梁上防潮隔墻重力設計值；

β——巖壁角；

ai——第i 排受拉錨桿的傾角；

A——單位梁長巖壁斜面的面積；

A’si——第i 排受拉錨桿單位梁長的實配截面面積；

fk’——巖壁斜面上抗剪斷摩擦系數標準值；

r’f——抗剪斷摩擦系數的分項系數；

c’k——巖壁斜面上，抗剪斷粘接力標準值；

r’c——抗剪斷粘接力的分項系數；

rd——抗滑穩定結構系數，不小于1.2。

表4為巖壁吊車梁與巖壁結合面的抗滑穩定驗算表。

通過表4 可以看出，該電站巖壁梁與巖壁結合面的抗滑穩定計算在各種設計狀況下均滿足設計要求。

表4 巖壁吊車梁與巖壁結合面的抗滑穩定驗算表

5.3.3 錨桿在穩定巖體內的錨固長度計算

錨桿在穩定巖體內錨固長度應符合下列規定

式中 La——受拉錨桿在穩定巖體內的錨固段長度；

rd——結構系數，不小于1.35；

rb——粘接強度的材料性能分項系數；

fy——受拉錨桿抗拉強度設計值；

frb,k——膠結材料與孔壁的粘接強度標準值，當缺乏資料時，取0.8；

fb,k——膠結材料與鋼筋的粘接強度標準值，當缺乏資料時，取2.0；

d——錨桿直徑；

D——錨桿孔直徑；

As——單根受拉錨桿的截面面積；

r0——結構重要性系數。

經過各種效應組合的計算，并參考類似工程，該水電站受拉錨桿長度取9 m。

附圖為錨桿錨固長度計算示意圖。

附圖 錨桿錨固長度示意圖

5.4 配筋計算

巖壁吊車梁的斷面較大，吊車梁自身的剛度遠大于錨桿的剛度，吊車梁內部應力很小，在混凝土的抗拉、抗壓強度設計范圍之內，配筋計算比較簡單，受力鋼筋斷面面積按照牛腿公式計算，這里不再詳述。

6 結語

（1）經計算，該電站地下廠房巖壁梁寬度B為1 400 mm，高度為1 500 mm，巖壁角為45°；巖壁吊車梁梁體底面傾角35°；受拉錨桿選用2 排Φ25@1 000，L=9 m 的錨桿，梅花形布置，上下兩排間距取700 mm，經復核，巖壁梁與巖壁結合面的抗滑穩定滿足要求。

（2）巖壁角的選擇。 當巖壁角為0°時，錨桿處于純剪狀態，由于錨桿的抗剪強度不高，結構承載能力有限，只適用于吊車荷載較小的情況；當巖壁角為90°時，為巖臺式吊車梁，錨桿基本不受力，荷載全部由巖臺承擔，對圍巖的承載能力要求很高，廠房頂拱的跨度也要加大，對廠房下部邊墻圍巖穩定不利，并且施工成型難度也較大，在設計中需綜合考慮各方面的因素進行選取。

（3）錨桿設計。巖壁吊車梁錨桿間距過密時，受“群錨效應”的影響，錨桿承載能力將降低，錨固段被拉破壞的可能性增大；錨桿應力集中在頭部（1～2）m范圍內，當出現過應力現象時，砂漿容易開裂，此時若有地下水，錨桿就會腐蝕，嚴重時可能失效，因此在設計中安全余度不宜太小。

（4）巖壁吊車梁的理論分析和設計方法還不是很完善，主要受地質條件及爆破等不確定性因素的影響，所采用的設計理論不能確切的反應巖錨吊車梁的實際受力狀態，更多的是根據經驗和工程類比的方法進行，因此，本文對中小型地下廠房巖壁梁的設計方法，處理及設計類似工程可提供指導和參考。

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