長(zhǎng)河壩水電站地下廠房巖壁吊車(chē)梁設(shè)計(jì)

張 志 軍，　程 麗 娟，　譚 可 奇

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都　610072)

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長(zhǎng)河壩水電站地下廠房巖壁吊車(chē)梁設(shè)計(jì)

張 志 軍，程 麗 娟，譚 可 奇

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都610072)

摘要：長(zhǎng)河壩水電站地下廠房安裝雙小車(chē)電動(dòng)雙梁橋式QDWHX420+420/16 t-27 m 型起重機(jī)，橋機(jī)一側(cè)軌道上的吊車(chē)輪數(shù)為10，最大輪壓為860 kN。根據(jù)《地下廠房巖壁吊車(chē)梁設(shè)計(jì)規(guī)范》Q(chēng)/CHECC 003-2008，對(duì)吊車(chē)梁的布置、截面尺寸、受拉錨桿截面面積及與巖壁結(jié)合面的穩(wěn)定性進(jìn)行了全面分析、計(jì)算并根據(jù)有限元計(jì)算成果，最終確定了巖壁吊車(chē)梁的截面形狀及錨固支護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：巖壁吊車(chē)梁；橋基輪壓；有限元；錨桿應(yīng)力；長(zhǎng)河壩水電站

1工程概述

長(zhǎng)河壩水電站地下廠房系統(tǒng)安裝4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 600 MW。主機(jī)間尺寸為147 m×30.8 m×73.35 m(長(zhǎng)×寬×高)，安 裝 間 長(zhǎng)60.9 m、副廠房長(zhǎng)20.9 m，廠房總長(zhǎng)度為228.8 m。

廠內(nèi)安裝雙小車(chē)電動(dòng)雙梁橋式QDWHX420+420/16t-27 m 型起重機(jī)，橋機(jī)一側(cè)軌道上的吊車(chē)輪數(shù)為10，最大輪壓為860 kN，最小輪壓為320 kN，縱向剎車(chē)力為68 kN，水平剎車(chē)力為68 kN；吊車(chē)基本特征輪距L1為0.75 m，L2為1.512 m，軌道及附件重力為2 kN/m(圖1)。

圖1　吊車(chē)梁輪壓布置圖

2工程地質(zhì)條件

地下廠房區(qū)巖性以晉寧～澄江期花崗巖為主，巖體強(qiáng)度高，主要結(jié)構(gòu)面為次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙。巖體完整性好，圍巖多呈次塊狀結(jié)構(gòu)，次為鑲嵌狀結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)，少量為碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖類(lèi)別以Ⅲ～Ⅱ類(lèi)為主，局部裂隙密集帶及斷層破碎帶為Ⅳ類(lèi)。

3巖壁吊車(chē)梁設(shè)計(jì)

巖壁吊車(chē)梁與廠房建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別相同。巖壁吊車(chē)梁的錨桿應(yīng)力由圍巖釋放的應(yīng)力與荷載產(chǎn)生的應(yīng)力組成。

在長(zhǎng)河壩水電站巖壁開(kāi)挖過(guò)程中，部分巖壁超挖、成型較差，但在吊車(chē)梁澆筑之前已對(duì)該部分巖壁進(jìn)行了加固修復(fù)處理，修復(fù)后的巖壁強(qiáng)度不低于天然圍巖強(qiáng)度。因此，筆者僅對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面下存在的工況進(jìn)行計(jì)算。

筆者進(jìn)行的計(jì)算工況及相應(yīng)作用(荷載)效應(yīng)組合情況見(jiàn)表1。

3.1剛體極限平衡法

(1)巖壁吊車(chē)梁結(jié)構(gòu)參數(shù)初擬。

根據(jù)國(guó)內(nèi)已建和在建地下水電站工程巖壁吊車(chē)梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并考慮地質(zhì)條件等多種因素，初擬了巖壁吊車(chē)梁界面尺寸、受拉受壓錨桿的直徑、間距、入巖位置以及傾角等參數(shù)。巖壁吊車(chē)梁結(jié)構(gòu)形式及支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖2。

(2)受拉壓錨桿截面積驗(yàn)算。

巖壁吊車(chē)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，按照分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的兩種工況下的滑動(dòng)力矩和抗滑力矩見(jiàn)表2。抗滑力矩大于滑動(dòng)力矩，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

表1　設(shè)計(jì)狀況及作用荷載組合表

備注：吊車(chē)動(dòng)荷載取額定荷載的1.1倍。

圖2　巖壁吊車(chē)梁示意圖

表2　滑動(dòng)力矩和抗滑力矩表

(3)巖壁吊車(chē)梁與巖壁結(jié)合面抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。

根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的兩種工況下的下滑力和阻滑力見(jiàn)表3。阻滑力大于下滑力，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

表3　滑動(dòng)力和抗滑力表

(4)受拉錨桿錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算。

將膠結(jié)材料與孔壁巖石的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取0.8 MPa，錨桿孔直徑取55 mm；膠結(jié)材料與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取2 MPa。根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的兩種工況下的錨固深度見(jiàn)表4，均小于錨桿實(shí)際錨固深度。

表4　錨固深度計(jì)算表

3.2有限元法

(1)物理力學(xué)參數(shù)。

圍巖及支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5、6。對(duì)圍巖與巖壁吊車(chē)梁之間豎向接觸面范圍均涂抹了瀝青，按全脫開(kāi)處理，其斜向接觸面的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表7。

表5　廠區(qū)圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

表6　支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)表

表7　接觸面物理力學(xué)參數(shù)表

(2)三維有限元計(jì)算模型。

第一、二排受拉錨桿和底部受壓錨桿的間距均為0.75 m。現(xiàn)取此間距長(zhǎng)度巖壁吊車(chē)梁作為計(jì)算單元。巖壁吊車(chē)梁三維有限元模型的坐標(biāo)系取順河方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，橫河方向?yàn)閆軸。巖體和混凝土結(jié)構(gòu)采用六面體單元(solid65)，錨桿采用桿單元(link8)，圍巖與巖壁吊車(chē)梁斜向接觸面采用接觸單元(CONTA173和TARGE170)模擬。邊界條件：在圍巖上、下側(cè)和內(nèi)側(cè)施加固端約束，在吊車(chē)梁順軸向兩側(cè)施加法向約束。巖壁吊車(chē)梁和錨桿結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的尺寸大致為巖壁吊車(chē)梁高度的1/16，圍巖部分網(wǎng)格尺寸從吊車(chē)梁部位向外圍逐漸增大。圍巖、吊車(chē)梁、錨桿及接觸面的網(wǎng)格見(jiàn)圖3～6。

圖3　圍巖網(wǎng)格示意圖

圖4　吊車(chē)梁網(wǎng)格示意圖

圖5　錨桿網(wǎng)格示意圖

將吊車(chē)梁上柱傳遞的荷載以及防潮墻荷載轉(zhuǎn)化成面荷載輸入，軌道上附件重力、吊車(chē)豎向荷載及吊車(chē)水平荷載轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)荷載輸入，結(jié)構(gòu)自重通過(guò)施加豎向重力加速度值體現(xiàn)。圖7、8表示了模型面荷載與點(diǎn)荷載的分布情況。由剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：短暫工況乃是控制工況，因此，有限元法只對(duì)控制工況進(jìn)行計(jì)算。

(3)計(jì)算結(jié)果。

圖9為短暫工況下的錨桿應(yīng)力云圖，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在第一排錨桿，為109.047 MPa，小于錨桿的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值300 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在底部錨桿，為11.783 MPa。圖10為吊車(chē)梁位移云圖，吊車(chē)梁最大變形值為0.365 mm，出現(xiàn)在軌道埋件附件。圖11和圖12為短暫工況下接觸面處法向應(yīng)力和摩擦應(yīng)力云圖，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在吊車(chē)梁的底部，為2.257 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa。

圖6　接觸面網(wǎng)格示意圖

圖7　防潮墻、上柱均布荷載示意圖

圖8　軌道處豎向、水平荷載示意圖

4結(jié)語(yǔ)

圖9　錨桿軸向應(yīng)力云圖

圖10　吊車(chē)梁位移云圖

長(zhǎng)河壩水電站巖壁吊車(chē)梁根據(jù)《地下廠房巖壁吊車(chē)梁設(shè)計(jì)規(guī)范》中的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，第一排、第二排受拉錨桿的承載力、錨固深度及吊車(chē)梁整體的抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

用桿單元模擬受拉壓錨桿、實(shí)體單元模擬圍巖與吊車(chē)梁結(jié)構(gòu)、接觸單元模擬接觸面并考慮實(shí)際情況中吊車(chē)梁承受的荷載，有限元法較好地模擬了巖壁吊車(chē)梁的真實(shí)受力情況。與剛體極限平衡法相比，有限元法可以更加準(zhǔn)確地模擬巖壁吊車(chē)梁的工作機(jī)理，更加全面地反映吊車(chē)梁各個(gè)部位的應(yīng)力狀況，從而為吊車(chē)梁的支護(hù)與配筋提供更為可靠的保障。

圖11　接觸面法向應(yīng)力云圖

圖12　接觸面摩擦應(yīng)力云圖

張志軍(1987-)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，工程師，碩士，從事地下工程、水利水電工程設(shè)計(jì)及科研工作；

程麗娟(1984-)，女，四川仁壽人，高級(jí)工程師，博士，從事地下工程、巖土工程等方面的設(shè)計(jì)和科研工作；

譚可奇(1980-)，男，陜西石泉人，副處長(zhǎng)兼設(shè)計(jì)副總工程師，高級(jí)工程師，碩士，從事水電水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理及科研工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

中水五局公司獲兩項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利

日前，由中水五局公司申報(bào)的“一種快速拆裝結(jié)構(gòu)的減壓板”及“一種減壓板跨心墻道路快速拆裝方法”成功獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)的國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，為集團(tuán)公司重大科研專(zhuān)項(xiàng)(300米級(jí)高堆石壩施工關(guān)鍵技術(shù)研究》再添碩果。“一種快速拆裝結(jié)構(gòu)的減壓板”及“一種減壓板跨心墻道路快速拆裝方法”發(fā)明專(zhuān)利關(guān)鍵技術(shù)是通過(guò)對(duì)高礫石土心墻壩跨心墻運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種減壓板跨心墻道路結(jié)構(gòu)及其快速鋪設(shè)連接安裝、拆御的方法，以保證跨心墻道路能夠滿足土石壩填筑施工過(guò)程中跨心墻道路的鋪設(shè)、連接、拆除及高強(qiáng)度快速施工條件下跨心墻道路的位置不斷轉(zhuǎn)換要求。通過(guò)實(shí)際過(guò)車(chē)試驗(yàn)實(shí)測(cè)了不同跨心墻道路修建方式下的心墻土料應(yīng)力值變化，最終得出了減壓板跨心墻道路最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)論。有效解決了高心墻土石壩建設(shè)過(guò)程長(zhǎng)距離繞壩運(yùn)輸造成的資源浪費(fèi)，有利提高了施工組織調(diào)度和平衡規(guī)劃，提高了施工效率，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著。近年來(lái)，中水五局公司依托國(guó)內(nèi)在建的河床深厚覆蓋層上的最高土石壩——長(zhǎng)河壩水電站大壩工程，積極開(kāi)展高土石壩施工關(guān)鍵技術(shù)研究，注重新技術(shù)和新方法的研發(fā)，在高土石壩施工領(lǐng)域?qū)耀@國(guó)家及省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)于提升超高堆石壩施工技術(shù)能力，保證集團(tuán)公司在高土石壩施工領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位將起到積極的推動(dòng)作用。

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015-12-21

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0039-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類(lèi)號(hào):TV7；TV222