白鶴灘水電站左岸地下廠房巖壁吊車梁荷載試驗監測分析

趙振軍 上官瑾2 劉 潔

(1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 610042)

巖壁吊車梁是一種鋼筋混凝土與巖體共同受力的結構型式，它具有結構簡單、減少廠房洞挖石方，廠房開挖結束可較快投入使用等特點。巖壁吊車梁多年的運行證明其是一種既經濟又安全的支撐結構。其原理是利用錨桿的抗拉拔力和地下廠房邊壁巖體壁座的摩擦力，將鋼筋混凝土吊車梁錨固在地下廠房邊壁完整穩定的巖體上，使鋼筋混凝土吊車梁與地下廠房邊壁巖體形成一個牢固的整體。作用在吊車梁的荷載通過錨桿和梁與巖體結合面上的摩擦力傳遞到地下廠房邊墻巖體中，充分利用了圍巖的承載能力，所以巖壁吊車梁在地下廠房中被廣泛采用[1-3]。

圖1 典型監測布置 (高程單位：m)

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，距巧家縣城45km，上接烏東德梯級，下鄰溪洛渡梯級。電站總裝機容量16000 MW，左岸地下廠房布置8臺1000 MW立式水輪發電機。其中主副廠房長438.00m、高88.70m，巖壁吊車梁以下寬31.00 m、以上寬34.00m，按“一”字形布置，從南至北依次布置第一副廠房、輔助安裝場、機組段和安裝場。左岸地下廠房起重設備采用兩臺1300/160t橋式起重機，最大起吊重量2600kN，單個最大輪壓為1200 kN。鑒于巖壁吊車梁的諸多優點，左岸地下廠房的吊車梁型式選用巖壁吊車梁[4-5]。

為及時了解和掌握巖壁吊車梁的工況安全情況，結合橋機負荷試驗，必須在巖壁吊車梁承受各級荷載時進行全面系統的動態監測，保證巖壁吊車梁安全。

2 監測布置與監測方案

2.1 監測布置

左岸廠房巖壁吊車梁共布置8個監測斷面：布置錨桿應力計48組、鋼筋計64支、壓應力計12支、測縫計56支、水準點21個和水準工作基點4個。目前左岸廠房巖壁吊車梁已完成錨桿應力計48組、鋼筋計64支、壓應力計12支、測縫計56支、水準點21個和水準工作基點4個。

每個部位布置2排上傾錨桿應力測點(拉桿)，1排下傾錨桿應力測點(壓桿)。在2組受拉錨桿之下，與梁接觸圍巖的變形采用4點式多點變位計監測。巖錨梁上直墻與圍巖接縫的剪切位移采用測縫計監測(上直墻位錯)，巖錨梁上直墻與圍巖開度采用測縫計監測(上直墻開度)；巖錨梁與斜臺圍巖的開度采用測縫計監測(斜臺開度)；巖錨梁與巖梁斜臺圍巖接觸應力采用壓應力計監測。混凝土梁內主筋上布置4個鋼筋計測點；其中2個鋼筋計應力測點在頂部和梁壁沿環向鋼筋內埋設，另外2個鋼筋計應力測點在沿廠房縱向的鋼筋內埋設。

巖壁吊車梁監測測點在上、下游側巖梁內對稱布置。典型監測斷面布置見圖1。

2.2 監測方案

根據主廠房橋機負荷試驗技術措施，試驗方案分為靜載試驗和動載試驗。其中巖壁吊車梁靜載試驗結合單臺橋機靜載試驗進行，目的是檢驗巖壁吊車梁受力、變形情況和裂縫發展情況，靜載試驗具體加載方式為：第一次進行空負荷升降,第二次起吊1300t,第三次起吊1430t。橋機靜載試驗在安裝間0+328斷面進行。

現場動載試驗的目的是檢驗巖壁吊車梁的承載安全性。巖壁吊車梁動載試驗按照單臺1300t橋機起吊50%、75%、100%額定負荷(650t、975t、1300t)條件下，進行起升和行走機構的聯合動作試驗。50%、75%、100%額定負荷時試驗次數均為3次(上游側限制線、廠房中心線及下游側限制線)。左岸1300t橋機起吊限制線分布見圖2。

圖2 左岸1300t橋機起吊限制線分布圖 (高程單位：m，尺寸單位：mm)

a.在試驗前分別測讀地下廠房內監測斷面和巖壁吊車梁內埋設儀器的初始值。

b.在巖壁吊車梁進入各級試驗時，每進行一次荷載試驗，均對埋設在巖梁內的各監測儀器進行連續觀測，地下廠房圍巖中的儀器在每次荷載試驗前、中、后各測讀1次，試驗中，如果錨桿應力計、測縫計、鋼筋計等儀器物理量變化超過表1中允許值時，必須及時上報并停止試驗，分析原因后決定是否繼續進行試驗。

c.錨桿應力值、多點位移計值及最大裂縫寬度要求見表1。

表1 巖錨吊車梁荷載試驗監測儀器允許值一覽

3 荷載試驗監測成果分析

根據荷載試驗觀測方案，取得了各工況下巖錨梁部位的深部巖體位移、吊車梁上下排拉桿及壓桿的應力變化、吊車梁內鋼筋應力、上直墻位錯、上直墻開度、斜臺開度等監測數據。試驗中監測儀器較多，工況繁雜，數據量較大，為了便于分析問題，觀測成果值采用凈增量值，即以試驗開始時觀測值作為基準值(零值)，試驗加載過程中測值相對于基準值的凈增量加載作為成果值。各監測項目監測成果單位及正負號約定見表2。

表2 監測成果單位及正負號約定

3.1 靜載試驗成果

靜載試驗在主廠房北側安裝間(樁號：左廠0+328)開展，共進行了2個主工況100%額定負荷(1300t)、110%額定負荷(1430t)的荷載試驗。以試驗前的初始值作為“零值”，整編統計各工況監測項目的凈增值，給出各監測項目凈增值最大變幅特征值統計結果(見表3)。

表3 各工況負荷狀態最大變幅特征值統計

從吊車梁監測儀器各項監測指標的數量水平可見，負荷狀態下，吊車梁拉桿應力響應在5MPa以內，上排拉桿應力最大增幅約為下排拉桿應力增幅的2倍；壓桿應力最大變幅在-6.5MPa以內，同樣上游側壓桿應力響應大于下游側，上游側壓應力最大變幅為下游側的10倍左右。上游巖梁斜臺壓應力增量在0.15MPa左右，是下游側應力增量的10倍左右。

吊車梁內環向鋼筋應力增幅小于5MPa，且縱向鋼筋應力增幅大于環向鋼筋計應力增幅，前者是后者的5倍左右，可見在承受荷載時縱向形變小于環向，鋼筋應力在縱向鋼筋內也較為集中。

在0+328斷面靜載試驗中，上、下游錨桿應力在1300t、1430t荷載加載卸載過程中的變幅見圖3～圖4。

圖3 0+328斷面靜載試驗上游錨桿應力變幅過程線

圖4 0+328斷面靜載試驗下游錨桿應力變幅過程線

3.2 動載試驗成果

動載試驗在主廠房5個主斷面開展(樁號：左廠0+077、0+115、0+153、0+229及0+328)，共進行了3個主工況50%額定負荷(650t)、75%額定負荷(975t)、100%額定負荷(1300t)的荷載試驗。各工況下測點凈增幅統計結果見表4。

表4 動載試驗不同工況監測項目變化量特征值統計

從表4中可見，錨索荷載增幅在-9.03～4.48kN之間，吊車梁拉桿應力增幅在-0.01～18.09MPa之間；壓桿應力增幅在-9.65～0.03MPa之間；邊墻錨桿應力增幅在-3.72～2.08MPa之間；鋼筋應力增幅在-3.40～-6.96MPa之間；測縫計開度增幅在-0.55～1.64mm之間。

在動載試驗整體成果分析的基礎上，對0+328斷面監測成果進行詳細分析，以便與靜載試驗成果進行參考比對。

錨索荷載增幅在-1.10～1.52kN之間，吊車梁拉桿應力增幅在0～2.87MPa之間；壓桿應力增幅在-6.14～-0.18MPa之間；鋼筋應力增幅在-0.11～4.22MPa之間；測縫計開度增幅在0～0.04mm之間。各監測項目測值最大變幅基本發生在最大加載量(1300t)工況。

在0+328斷面動載試驗中，上、下游錨桿應力在650t、975t、1300t荷載加載卸載過程中的變幅見圖5～圖6。

圖5 0+328斷面上游錨桿應力增量時序過程線

圖6 0+328斷面下游錨桿應力增量時序過程線

4 巖壁吊車梁穩定性判定

a.靜載試驗中，錨索荷載增幅小于0.92kN，錨桿應力變幅小于6.41MPa，測縫計開度增幅小于0.03mm，鋼筋應力增幅小于4.22MPa；增量在卸載后基本釋放。

b.動載試驗中，各級荷載加載條件下，圍巖變形增量小于0.19mm，錨索荷載增幅小于4.48kN，錨桿應力變幅小于18.09MPa，測縫計開度增幅小于0.18mm，鋼筋應力增幅小于6.96MPa，卸載后基本釋放。

c.從監測數據量值水平來看，各監測項目加載時的變幅遠小于設計給出的測量要求，各測點在加載過程中不同工況下測值變化呈現相同或相似的規律，并且卸荷后能恢復到空載狀態。

5 結 論

由巖壁吊車梁載荷試驗觀測成果可知，該試驗成果對工程施工質量、設計質量以及安全監測工作質量進行了有效檢驗。通過巖壁吊車梁現場荷載試驗，了解了巖壁吊車梁1300t橋機在不同工況下的受力與變形。荷載試驗結果表明:

a.各級荷載試驗過程中通過對各斷面監測儀器的分析，各監測項目加載時的變幅遠小于設計給出的測量指標，各測點在加載過程中不同工況下測值變化呈現相同或相似的規律。

b.卸載后，絕大部分測點測值都能回到初始狀態，說明巖壁吊車梁在承載時，各部位基本處于彈性狀態。

c.試驗表明巖壁吊車梁梁體結構和體型的設計是合理可行的，巖壁吊車梁在吊裝工況下是穩定安全的。