第７期 ２００８年１０月 广东水利水电 ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳ０ＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ Ｎｏ．７ ０ｅｔ．２００８ 惠州抽水蓄能电站岩壁吊车梁设计与观测 段自力，黄 勇，覃艳涛 （广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州 ５１０６３５） 摘要：简要介绍惠州抽水蓄能电站工程岩壁吊车梁的锚杆设计原则和计算方法，对惠蓄Ａ厂桥机试验前后岩壁吊车梁锚 杆应力、测缝计以及厂房上下游墙锚杆应力计和多点位移计进行观测，了解岩壁梁的受力状况和动力反应，分析评价岩壁 梁及厂房边墙的安全性。重点对原型观测资料进行分析，对岩壁吊车梁锚杆设计的有关问题进行探讨。 关键词：岩壁吊车梁；刚体平衡法；桥机试验；原型观测 中图分类号：ＴＵ３７５．１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—０ｌ１２（２００８）０７—００５４—０３ 前言 惠蓄岩壁吊车梁锚杆设计采用传统刚体平衡力系 计算方法，按以下基本假定设计： 惠州抽水蓄能电站工程（以下简称惠蓄）总装机规 模为２ ４００ＭＷ，地下厂房由Ａ、Ｂ ２个厂房组成，Ａ、Ｂ厂 房的开挖尺寸为１５２ｍ／１５４．５ｍ×１．５ｍ×４９．４ｍ（长宽 １）沿梁长度方向取ｌｍ按刚体平衡力系计算，不考 虑砼与岩石的粘结力，锚杆应力不考虑岩石变形影响， 仅考虑吊车荷载和梁自重产生的应力； ２）控制砼梁与岩壁的滑动系数 ＜１； ３）锚杆受拉强度安全系数：设计情况Ｋ：２．５，校核 情况Ｋ＝２．０； 高），每个厂房内均装４台３００ＭＷ立轴单级混流可逆 式水泵水轮机组。厂内起重设备各选用１台２×２ ０００ｋＮ／５００ｋＮ／１００ｋＮ双小车电动双梁桥式起重机和１ 台３００ｋＮ／５０ｋＮ电动双梁桥式起重机，跨度均为２０ｍ， 轨顶高程为１５８．９７１ｍ，轨距为２０ｍ，采用岩壁吊车梁支 承。尾水廊道上部各设１台３２０ｋＮ／５０ｋＮ双向桥式起 重机，跨度为５ｍ，轨顶高程为１４２．８７５ｍ，轨距为５ｍ，也 ４）梁内配筋：按壁式连续牛腿计算。吊车梁混凝 土横向配筋沿长度方向取１ｍ计算。 １．２ 吊车梁体型尺寸和锚杆参数 采用岩壁吊车梁支承。 地下厂房深部岩石为燕山期微风化～新鲜的中细 惠蓄主厂房天车由８对轮组成，每侧８个，总轮距 长为６．８ｍ；最大垂直静轮压为５４５ｋＮ，最大垂直动轮压 粒、中粗粒花岗岩，穿插有后期侵入的闪长玢岩脉和煌 斑岩脉，岩脉与围岩呈侵入接触，接触胶结紧密，岩质坚 硬，岩体呈整体～块状结构，少量次块状结构；裂隙主要 有３组，发育密度为０～１．２条／ｍ，其中以Ｎ３０。～５０。 为６１０ｋＮ。折算单位垂直线荷载为５５４．５４５ｋＮ／ｍ，单位 最大横向线荷载为４５．８１２ｋＮ／ｍ。 选用梁断面高ｈ＝２．６ｍ，岩壁角 ＝２０。，受拉锚杆 采用２排全长粘结型锚杆（Ｉ）３６三级钢，间距为７００ｍｍ， 人岩深度为７．５ｍ，倾角分别为 ＝２５。，卢 ＝２０。，受压 锚杆采用１排全长粘结型锚杆ｑｂ３２二级钢，间距为 ７００ｍｍ，入岩深度为５．Ｏｍ。 １．３设计修改 Ｗ、Ｎ６５。～７５。Ｅ两组较发育，其次为Ｎ６０。～７０。Ｗ，倾角 以６０。～８０。陡倾角为主，少量为１５。一２５。缓倾角；裂面 多闭合，少量微张或张开，沿张开裂隙见有线状流水、滴 水；断层发育不多，断层破碎带多由压碎岩、角砾岩和硅 质细脉充填，胶结较好。由此可见，具备建造岩壁吊车 在施工过程中，受拉锚杆采用２排全长粘结型锚杆 ３８二级钢代替。后经复算，除正常工况上排锚杆的安 全系数（Ｋ１＝２．４５２）和１４０％静荷超载工况上排锚杆的 梁的条件。 １岩壁吊车梁设计 １．１设计原则和基本假定 安全系数（Ｋ ＝１．９９８）分别略低于经验安全系数２．５ 收稿日期：２００８—０９一Ｏ１ 作者简介：段自力（１９７８一），男，工学学士，工程师，从事水工设计工作。 ・５４・ ２００８年１０月 第７期 段自力，等：惠州抽水蓄能电站岩壁吊车梁设计与观测 及２．０外，其它安全系数均满足要求。 ２岩壁吊车梁原型观测 计荷载），预埋观测设备（锚杆应力计、测缝计、多点位 移计等）及增加观测设备（应变计、动位移、动加速度计 等）同时观测。 ２）动载试验中（５０％、１００％、１２０％×设计荷载）， ２．１预埋原型观测设备布置 惠蓄Ａ厂岩壁梁预埋监测仪器的断面有３个。断 面位置为Ｉ断面（Ａ厂横０＋５０．４５）、Ⅱ断面（Ａ厂横 ０＋９３．４５）、Ⅲ断面（Ａ厂横０＋１０３．００）。预埋的仪器 大车移动时及小车移动时，观测断面增加的观测设备对 各断面的动态反应进行观测。 有锚杆应力计、测缝计、多点位移计。 ２．２增设原型观测设备布置 除岩壁梁已预埋监测仪器外，为配合桥机试验，还 增加一些仪器： 在地质条件较差的部位增加了断面ＺＧ１（Ａ厂横０ ＋７８．００），在安装问增加断面ＺＧ２（Ａ厂横０＋ １４１．００）。增加的观测仪器有：应变计、动位移计和加 速度计。具体布置为：在每个观测断面上下游各增加 １０个横向应变计，在Ⅲ断面及ＺＧ２断面各增加１４个纵 向应变计（上下游对称布置），观测岩壁梁砼纵向应力 应变状态。在Ⅱ及ＺＧ２两断面上游各增加１组三向位 移计，在Ⅲ断面上游和ＺＧ２断面下游各增加１组两向 位移计，进行动位移观测。在Ⅱ断面和ＺＧ２两断面上 游各布置１组三向加速度计，在Ⅲ断面上游布置１组两 向加速度计进行振动加速度观测。 岩壁梁观测仪器断面布置见图１。 ｌＩ ＩＺＧ１ ｌＩＩ ＩＩＨ Ｉ ＺＧ ２ 一∈ ： 一 一 圈 一 ｌ安装间 ｆ／ ’叭 ｌｊ【 ： 图１岩壁梁监测断面位置（单位：ｍ） ２．３桥机试验 根据规范及业主要求，为检验桥机和岩壁吊车梁的 承载能力，２００６年５月２４日～２６日对惠蓄Ａ厂桥机和 岩壁吊车梁进行了１．４倍额定负荷静载试验（４ ０００ｋＮ Ｘ １．４＝５ ６００ｋＮ）和１．２倍额定负荷动载试验（４ ０００ｋＮ ×１．２＝４ ８００ｋＮ）。 试验主要观测内容包括： １）静荷试验前和试验时（５０％、１００％、１４０％×设 ３）各工况加荷前后所有观测设备进行观测。 ２．４岩壁吊车梁原型观测成果 １）岩壁梁锚杆应力：岩壁梁监测断面范围内，较大 量级锚杆应力计ＡＳ１４—１和ＡＳ１４—２的２号测点２００６ 年５月２２日应力值分别为２１７．９１ＭＰａ、２４３．４４ＭＰａ，双 车１００％Ｐ载荷时，应力值分别为２１９．４３ＭＰａ、 ２４４．８１ＭＰａ，应力增值分别为１．５２ＭＰａ、１．３８ＭＰａ，应力 增值小。其它锚杆应力计增减值范围在一１７．６０～ ７．４６ＭＰａ之间，最大拉应力增值发生在ＡＳ２４—３的孑Ｌ 口位置（桩号：Ａ厂横０＋９３．４６，高程１５８．５５６下游岩 壁梁）：２００６年５月２２日应力值为１３０．８９ＭＰａ，双车 １００％Ｐ载荷时，应力值为１３８．３５ＭＰａ，应力增值为 ７．４６ＭＰａ。 ２）厂房上下游墙锚杆应力：较大量级锚杆应力计 ＡＳ１３—５的３号测点、ＡＳ增３—６的１号测点２００６年５ 月２２日应力值分别为１５１．９７ＭＰａ、２２３．６７ＭＰａ，双车 １００％Ｐ载荷时，应力值分别为１５２．６０ＭＰａ、２２３．５９ＭＰａ， 应力增减值为０．６４ＭＰａ、一０．０７ＭＰａ，应力增减值小。 ３）厂房边墙多点位移计位移：岩石多点位移计Ｍ１４ —６、Ｍ１４—７、Ｍ２４—６的孔口测点２００６年５月２２日位移 值分别为４．６０ｍｍ、５．０２ｒａｍ、４．７０ｍｍ，双车１００％Ｐ载荷 时，位移值分别为４．６２ｍｍ、５．０４ｒａｍ、４．７０ｍｍ，位移增值在 ０．００～０．０２ｍｍ之间，位移变化值小。 ４）岩壁梁测缝计开合度：双车１００％Ｐ负荷作用 下，开合度变化范围为一０．２１～０．５８ｒａｍ，开合度增加值 大，最大开合度值及开合度增量均发生在Ａ厂横０＋ ６３．９６ｍ岩壁梁下游墙１５８．５５３ｍ高程Ｊ１８测孔的位置， 测值分别为２．９９ｒａｍ与０．５８ｒａｍ。说明在桥机荷载作用 下，岩壁吊车梁变位不大，对吊车梁稳定影响不大。 ３岩壁吊车梁原型观测成果分析 １）从观测到最大锚杆应力的Ａ厂岩壁吊车梁锚杆 应力计ＡＳ１４—１和ＡＳ１４—２的应力～时间变化曲线 （图２，图３）可以看出，锚杆的应力增长与厂房的开挖 时间密切相关。Ａ厂在第３、４、５层开挖中，锚杆的应力 都有显著的增加。从锚杆最大应力出现位置来看，观测 ・ ・ ２００８年１Ｏ月第７期 广东水利水电 到的锚杆最大应力都出现在距孔口１．５ｍ的２号测点。 岩壁梁结构的基频为７０．７９Ｈｚ，第２阶频率为 而从锚杆附近的多点位移计Ｍ１４—２（Ａ厂横０＋ ５１．０３，高程１５４．９３ｍ，上游边墙）观测资料分析，锚杆最 大相对位移发生在距孔口１ｍ的１号测点与孔口３ｍ的 ８４．８０Ｈｚ，而桥机的振动基频为５．０Ｈｚ，第２阶频率为 １５。０Ｈｚ。桥机的振动频率要远远小于岩壁梁结构的振 动频率，这防止了桥机运行时与岩壁梁发生“共振”的 ２号测点之间。可见，锚杆最大应力出现在锚杆与岩体 发生较大相对位移的地方，而非孔口。从其它岩壁吊车 梁锚杆应力计成果观测可知，具体位置与地质情况有 可能。通过对加速度和动位移进行功率谱分析，发现岩 壁梁振动加速度与动位移的优势频率主要集中在２０Ｈｚ 以下，表明动力相应在２０Ｈｚ以上的高频分量的振动能 关，且多出现在岩石爆破松动圈。 图２ Ａ厂岩壁吊车梁锚杆应力计ＡＳ：一１应力～时间曲线 图３ Ａ厂岩壁吊车梁锚杆应力计Ａｓ：一２应力～时间曲线 ２）岩壁梁砼表面应力：岩壁梁在桥机试验各级负 荷作用下，各检测断面上表面砼受拉，双车１００％荷载、 双车１２０％荷载和双车１４０％荷载作用下，最大拉应力 分别为０．７ＭＰａ、０．８８ＭＰａ、０．９６ＭＰａ；发生在岩壁梁顶部 和上、下墙相交斜面的角点处的１号测点；各检测断面 垂直临空面和下斜面砼受压，最大压应力分别为一 ０．６１ＭＰａ、一０．７３ＭＰａ、一０．９１ＭＰａ。最大压应力发生在 下斜面和上、下游墙交接处的５号测点；观测结果均小 于砼的轴心抗拉压设计强度，且与壁式牛腿受力特点相 似，说明岩壁吊车梁配筋按壁式连续牛腿设计是合适 的。 ３）为了解桥机和岩壁梁结构的动力特性，桥机还 进行了振动加速度、动应力、动位移观测和频率试验 吊车梁观测最大加速度为：５．６１２ ｘ １０～ｇ，最大动位移： ７．６７ ｘ １０～ｍｍ，均小于国内外类似标准参考值。动应 力值均很小，较静应力小很多，动应力对桥机安全运行 没有影响。 ．Ｓ６． 量较小，岩壁梁的动力稳定性较好。同时吊车梁的动力 特性对地下厂房的抗振有利。由惠蓄地下厂房结构静 动力分析结果与机组运行参数可知，电站主厂房结构前 六阶频率均在４１．９３２Ｈｚ以下，机组运行时的最大频率 为２４．１７Ｈｚ。而岩壁梁实测基频为７０．７９Ｈｚ，与主厂房 第六阶白振频率的错开度为４０％，与运行频率的错开 度为６６％。从抗振角度看，岩壁梁结构抗振设计合理， 运行中不会和其它结构形成“共振”。 ４结语 １）通过惠蓄Ａ厂桥机试验，从岩壁梁锚杆应力计、 厂房上下游墙锚杆应力计、厂房边墙多点位移计、岩壁 梁测缝计等观测设备的观测成果来看，在桥机荷载作用 下，各观测数据增量都不大，说明在桥机荷载作用下，厂 房高边墙围岩稳定，岩壁梁及桥机结构设计合理，可以 安全使用。 ２）从惠蓄Ａ厂原型观测成果看出，岩壁吊车梁的 锚杆应力在厂房开挖过程中随围岩变形而逐渐增加，在 厂房开挖完成后趋于稳定。设计中采用的刚体平衡模 型并未考虑围岩变形的影响，而地下洞室的实际地质情 况较为复杂，存在着不稳定岩体和断层破碎带等不利影 响，因此岩锚梁锚杆设计若采用刚体平衡计算法设计， 取足够的安全系数是有必要的；如采用模拟厂房开挖程 序和围岩变形的三维有限元模型进行分析，则需要较为 完整准确的地质资料为基础，并在施工开挖过程中根据 现场地质条件变化进行必要调整。鉴于岩壁吊车梁的 重要性，除设计中考虑足够的安全储备外，施工过程中 为保证支撑岩壁梁的围岩稳定，应重视对局部软弱破碎 岩体采取加强的支护措施。若是当锚杆应力计未观测 到较大应力，而附近多点位移计又观测到较大位移时， 则有可能厂房边墙围岩最大变形发生在深层，超过岩壁 吊车梁锚杆的支护范围，需加强该部位的系统锚杆支护 深度。 参考文献： ［１］ 何文娟，宋一乐，蒋新东．惠州抽水蓄能电站地下厂房岩 壁吊车梁负荷试验［Ｒ］．广东省水利电勘测设计研究院．
