鄭小東

（江西省水利水電開發(fā)有限公司，江西南昌 330001）

1 概述

1.1 工程概況

甘孜州水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)的大渡河一級(jí)支流金湯河上，是金湯河梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)，為高壩高水頭混合式開發(fā)的水電站。甘孜州水電站為Ⅲ等中型工程。甘孜州水電站水庫(kù)正常蓄水位 3 090.00 m（黃海高程，下同），死水位 3 037.00 m。電站裝機(jī)2臺(tái)，單機(jī)容量5.0萬kW，總?cè)萘?0萬kW。

甘孜州水電站采用地下廠房，廠址在關(guān)門石。該處河谷狹窄，岸坡陡峻，巖體完整。各洞室圍巖均為泥盆系中統(tǒng)下段中上部的灰白～灰色厚層含生物屑粉～細(xì)晶灰?guī)r、含生物骨屑結(jié)晶灰?guī)r、大理巖化白云巖，局部夾深灰色千枚巖。根據(jù)現(xiàn)有勘探平洞所揭示的地質(zhì)條件，巖體新鮮完整，無大規(guī)模斷層破碎發(fā)育，主洞長(zhǎng)軸方向與巖層走向及優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面呈較大角度相交，圍巖類別為Ⅱ～Ⅲ類，基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差。經(jīng)過有限元分析方法對(duì)甘孜州地下廠房沿洞群圍巖進(jìn)行穩(wěn)定分析后認(rèn)為：采用設(shè)計(jì)推薦的地下廠房洞室支護(hù)系統(tǒng)及施工工序能有效地限制洞室的圍巖變形，可以保證洞室圍巖穩(wěn)定滿足要求。這為采用巖壁吊車梁提供了較良好的圍巖條件。

1.2 巖壁吊車梁的特點(diǎn)

巖壁吊車梁是目前地下廠房普遍采用的一種新型結(jié)構(gòu)。地下廠房采用巖壁吊車梁是我國(guó)近年學(xué)習(xí)西歐等國(guó)家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)后引進(jìn)的一種新型設(shè)計(jì)方法。巖壁吊車梁是用長(zhǎng)錨桿將現(xiàn)澆鋼筋混凝土吊車梁錨固在地下廠房巖壁上的一種結(jié)構(gòu)形式，由鋼筋混凝土吊車梁、長(zhǎng)錨桿和圍巖共同承受荷載和作用[1]。

與常規(guī)混凝土排架柱相比，巖壁吊車梁具有以下優(yōu)點(diǎn)：有利于施工，當(dāng)?shù)叵聫S房開挖至中部時(shí)即可施工巖壁吊車梁，可以提前安裝和使用橋機(jī)，開挖廠房下部以及澆筑混凝土作業(yè)都能用吊車起吊，為施工創(chuàng)造了有利條件并加快施工進(jìn)度。又因?yàn)椴恍枰O(shè)置混凝土排架，從而減少地下廠房洞室開挖跨度、有利于圍巖穩(wěn)定、節(jié)省開挖和頂拱支護(hù)工程量。因此，巖壁吊車梁在水電站地下廠房中越來越被廣泛地采用。

2 巖壁吊車梁設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要求

2.1 設(shè)計(jì)原則及基本假定

地下廠房采用一臺(tái)125 t/32 t單小車電動(dòng)橋式起重機(jī)，吊車單個(gè)最大輪壓為40.6 t，輪壓分布范圍為 5.47 m，吊車梁下游側(cè)橫跨進(jìn)廠交通洞。巖壁吊車梁的基本設(shè)計(jì)方法是將橋機(jī)輪壓換算為均布荷載，截取單位長(zhǎng)度巖壁吊車梁為計(jì)算單元進(jìn)行力系平衡計(jì)算。目前，常見的設(shè)計(jì)方法有相對(duì)比較保守的剛體極限平衡法和改進(jìn)后比較接近實(shí)際情況的彈塑性有限元計(jì)算分析法[2]。

常見的剛體極限平衡法的基本假定如下：①視巖錨吊車梁梁體為剛體，其剛度無窮大，因此可不考慮梁體的橫向變形；②巖錨吊車梁上部錨桿按軸心抗拉構(gòu)件考慮只承受拉力，下部錨桿不承受巖壁梁上的荷載，僅起附加固定作用，上下錨桿均不承受剪力；③上部受拉錨桿的軸力與其力臂成正比；④不計(jì)混凝土與巖壁之間的粘聚力；⑤只考慮巖臺(tái)斜面上正應(yīng)力引起的摩擦力；⑥以附加錨桿與巖壁斜面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸，并根據(jù)力系平衡計(jì)算受拉錨桿內(nèi)力。

改進(jìn)后的彈塑性有限元計(jì)算分析法的基本假定如下：①在橫向視巖錨梁為剛體；②錨桿分別簡(jiǎn)化為剛度不同的彈簧模型；③巖錨梁與基巖的接觸面為一個(gè)不抗拉的自然弱面；④視巖臺(tái)面為彈性地基，基礎(chǔ)反力與基礎(chǔ)被壓縮位移成正比；⑤巖壁吊車梁基礎(chǔ)上反力為正應(yīng)力和剪應(yīng)力，按抗剪斷計(jì)算巖錨梁抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，只考慮巖壁壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)巖錨梁與巖壁之間的粘聚力；⑥不考慮受壓錨桿的作用。

圖1 巖壁吊車梁基本尺寸斷面圖

為了確保工程安全，本工程采用剛體極限平衡法和彈塑性有限元計(jì)算分析法兩種方法進(jìn)行比較分析計(jì)算。

2.2 計(jì)算分析 [3]、[4]

2.2.1 初擬巖壁梁斷面尺寸

巖壁吊車梁的斷面尺寸按照中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（Q/CHECC003-2008）進(jìn)行擬定，巖壁吊車梁基本尺寸見斷面圖1。

2.2.2 剛體極限平衡法

剛體極限平衡法計(jì)算錨桿拉力是以附加錨桿與巖壁斜面交點(diǎn)為原點(diǎn)，力臂以順時(shí)針方向?yàn)檎?，并根?jù)力系平衡計(jì)算受拉錨桿內(nèi)力。由得：

式中：F1、F2—第一、二排錨桿拉力（kN）；

G—巖壁吊車梁自重（kN）；

P—橋機(jī)輪壓在巖壁吊車梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)計(jì)算荷載（kN）；

T—橋機(jī)水平剎車力（kN）；

L、L1、L2、—分別為對(duì)原點(diǎn)力臂（m）。

根據(jù)公式（1）、（2）可求出錨桿拉力，再根據(jù)錨桿拉力、巖壁吊車梁自重、輪壓和水平剎車力計(jì)算垂直巖壁斜面的分力和平行巖壁斜面向下的分力，進(jìn)行抗滑穩(wěn)定校核。剛體平衡法的計(jì)算模型與實(shí)際情況存在一定的差異，但此法簡(jiǎn)單實(shí)用，許多地下工程的巖壁吊車梁按照此法設(shè)計(jì)，經(jīng)過多年運(yùn)行仍安全可靠，也滿足使用要求。

2.2.3 彈塑性有限元分析法

巖壁梁旋轉(zhuǎn)點(diǎn)為地基反力的末端O點(diǎn)，取1.0 m長(zhǎng)巖錨梁為計(jì)算單位，假設(shè)巖壁斜面上地基反力分布寬度為L(zhǎng)，巖壁吊車梁繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α（弧度），巖壁斜面上摩擦力為F4。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2。

式中：F1、F2—第一、二排錨桿拉力（kN）；

圖2 巖壁吊車梁彈塑性有限元法計(jì)算簡(jiǎn)圖

G—巖壁吊車梁自重（kN）；

P—橋式起重機(jī)輪壓在巖壁吊車梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)計(jì)算荷載（kN）；

T—橋式起重機(jī)機(jī)水平剎車力（kN）；

L1、L1—分別為F1、F2對(duì)原點(diǎn)力臂（m）；

L3—巖壁基礎(chǔ)反力力臂（m）；

LG—巖壁梁自重力臂（m）；

LP—輪壓力臂（m）；

LH—橋式起重機(jī)水平剎車力力臂（m）；

F3—單位長(zhǎng)度基礎(chǔ)巖壁反力（kN）；

F4—巖壁基礎(chǔ)面摩擦力（kN）。

在公式（3）、（4）、（5）中受拉錨桿的拉力、地基反力均與巖壁吊車梁轉(zhuǎn)角α有關(guān)系。

式中：L0—錨桿自由段拉伸長(zhǎng)度（m）；

E、A—錨桿彈性模量、錨桿截面面積（m2）；

α—巖壁吊車梁轉(zhuǎn)動(dòng)角度（°）；

L—巖壁斜面受壓長(zhǎng)度（m）；

B—吊車梁的寬度（m）；

K—巖壁彈性抗力系數(shù)。

將公式（6）、（7）、（8）代入公式（3）、（4）、（5）中后，有3個(gè)未知參數(shù)：轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，基礎(chǔ)反力長(zhǎng)度L，摩擦力F4，由以上三個(gè)方程聯(lián)立方程組求解，可求出錨桿拉力。根據(jù)抗剪斷公式驗(yàn)算巖壁吊車梁的穩(wěn)定性，并計(jì)算吊車軌道的水平位移和豎直位移，當(dāng)均滿足要求時(shí)，說明所擬定斷面合理，否則重新擬定斷面進(jìn)行驗(yàn)算，直至合理為止。

2.2.4 巖壁吊車梁梁體配筋計(jì)算

（1）巖壁梁梁體橫向受力鋼筋計(jì)算

根據(jù) 《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（Q/CHECC003-2008）5.3.7 巖壁吊車梁?jiǎn)挝涣洪L(zhǎng)的橫向鋼筋截面面積As可按下列公式計(jì)算：

式中：Asv—單位梁長(zhǎng)度橫向鋼筋的計(jì)算截面面積（m2）；

γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，Ⅱ級(jí)錨固工程γ0=1.0；

γd—梁體橫向鋼筋承載力計(jì)算的結(jié)構(gòu)系數(shù)，不小于 1.2；

Fv、Fh—分別為單位梁長(zhǎng)豎向輪壓及單位梁長(zhǎng)吊車橫向水平荷載設(shè)計(jì)值（kN）；

a—豎向輪壓作用點(diǎn)至巖壁吊車梁下部巖壁邊緣的水平距離（m），此時(shí)應(yīng)考慮安裝偏差20mm，當(dāng)a＜0.3h0時(shí)，取a=0.3h0；

fy—梁體橫向鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）；

h0—巖壁吊車梁截面的有效高度（m）。

（2）巖壁梁梁體縱向受力鋼筋計(jì)算

根據(jù) 《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（Q/CHECC003-2008）5.3.7 巖壁吊車梁?jiǎn)挝涣洪L(zhǎng)的縱向鋼筋按構(gòu)造配筋。

巖壁吊車梁頂部的縱向鋼筋A(yù)L1不宜小于0.07%全斷面面積，兩側(cè)鋼筋縱向鋼筋之和AL2不宜小于0.13%全斷面面積。

2.2.5 錨桿的有效長(zhǎng)度計(jì)算

（1）按照GBJ 86―85（錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范）之規(guī)定，錨桿的有效長(zhǎng)度應(yīng)同時(shí)滿足：

式中：d1—錨桿鋼筋直徑，d1=32 mm；

d1―錨桿孔直徑，d2=d1+40=72 mm；

fst―錨桿抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，fst=310 N/mm2；

fcs―錨桿與水泥砂漿之間粘結(jié)設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，取0.8倍的標(biāo)準(zhǔn)值，水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)M25，fcs=0.8×2.5=2 N/mm2。

fcr―孔壁與水泥砂漿之間粘結(jié)設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，取0.8倍的標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)《水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5176-2003），fcr=0.8×1.0=0.8N/mm2。K―安全系數(shù)，取K=1.2。

（2）根據(jù) 《水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5176-2003），有效錨固長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

式中：γ0―結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，Ⅱ級(jí)錨固工程γ0=1.0；

ψ―設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，持久狀況ψ=1.0；

γd―結(jié)構(gòu)系數(shù)，俯孔γd=1.0；

γc―粘結(jié)強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)，俯孔γc=1.2；

γp―單根預(yù)應(yīng)力錨桿張拉力分項(xiàng)系數(shù)，γp=1.15；

Pm―單根預(yù)應(yīng)力錨桿超張拉力，按Pm=250kN計(jì)算；

D―錨桿孔直徑，D=32+40=72 mm；

c―粘結(jié)材料與孔壁的粘結(jié)強(qiáng)度，按《水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5176-2003）附錄A取c=1.2 MPa。

有效錨固長(zhǎng)度取較大值，即La=1.653。按一般工程經(jīng)驗(yàn)，吊車梁錨入巖體長(zhǎng)度一般為5～8 m，本工程取錨桿長(zhǎng)度為8 m。

2.2.6 計(jì)算成果

剛體極限平衡法計(jì)算成果為F1=80.061 kN，F(xiàn)2=55.638 kN，安全系數(shù)K=1.272＞1.1（規(guī)范規(guī)定值）；

彈塑性有限元分析法計(jì)算成果為L(zhǎng)=451.211 m，α＝6.630×10-4（弧度），F(xiàn)1=76.763 kN，F(xiàn)2=49.864 kN，F(xiàn)3=236.217 kN，F(xiàn)4=1.758×105N=175.800 kN，安全系數(shù)K=3.263＞3.0（規(guī)范規(guī)定值）。

由于剛體極限平衡法過于簡(jiǎn)單，無法考慮圍巖應(yīng)力釋放對(duì)梁的影響，所以建議對(duì)巖壁吊車梁可使用彈塑性有限元分析法作進(jìn)一步分析，以確保梁的安全性，故上下兩排錨桿均采用Φ32的Ⅱ級(jí)鋼筋，間距為1 m。

2.3 施工技術(shù)要求

巖壁吊車梁部位的開挖應(yīng)采用控制爆破技術(shù)并預(yù)留保護(hù)層開挖。巖壁交界面的開挖應(yīng)采用密孔打眼、隔孔裝藥、小藥量嚴(yán)格控制的光面爆破技術(shù)。因?yàn)閹r壁的成型直接關(guān)系到錨桿的受力和梁體的穩(wěn)定，所以巖壁不應(yīng)欠挖，超挖不應(yīng)該大于150 mm，巖壁角誤差不應(yīng)大于3度。巖壁吊車梁錨桿應(yīng)通長(zhǎng)定制，不得采用接頭，也不得與其它構(gòu)件焊接。巖壁吊車梁錨桿應(yīng)在該部位的系統(tǒng)錨桿施工完成且梁體下部邊墻預(yù)裂爆破完成后施工。邊墻噴混凝土?xí)r，與巖壁吊車梁接觸的巖面應(yīng)予以保護(hù)，防止混凝土噴到該巖面上，降低梁體混凝土與巖壁的粘結(jié)強(qiáng)度。梁體混凝土可分先后段進(jìn)行澆筑，以便防止和減少溫度裂縫的產(chǎn)生。只有當(dāng)梁體混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)以后，才可以進(jìn)行廠房下層的巖石爆破開挖。

3 結(jié)語

巖壁吊車梁自20世紀(jì)80年代初從挪威引進(jìn)以來，在我國(guó)水電站地下廠房建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。通過大量的工程實(shí)踐，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和珍貴的工程資料，說明現(xiàn)有的巖壁吊車梁設(shè)計(jì)方法是可行的，目前甘孜州水電站地下廠房巖壁吊車梁的運(yùn)行情況良好。但是到目前為止，巖壁吊車梁的設(shè)計(jì)理論還不是很完善，仍需要進(jìn)一步的研究和探討。

［1］顧鵬飛，喻遠(yuǎn)光.水電站廠房設(shè)計(jì)［M］.北京：水利電力出版社，1985.

［2］楊述仁，周文鐸.地下水電站廠房設(shè)計(jì)［M］.北京：水利電力出版社，1993.

［3］ 郭云強(qiáng).常用方法設(shè)計(jì)巖壁吊車梁探討［J］.中南水利發(fā)電，2002（2）.

［4］ 張孝松，禹 喜.巖錨吊車梁設(shè)計(jì)方法初探［J］.紅水河，2004（1）.