邵 偉, 楊 洋, 張 強(qiáng)

(四川足木足河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司,四川 成都 610041)

1 概 述

巴拉水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩,壩高140.00 m,壩頂寬10.0 m,長(zhǎng)286.5 m,其防滲體系由混凝土面板、趾板和帷幕灌漿構(gòu)成。壩址區(qū)域地層巖性為花崗巖,根據(jù)前期勘探孔揭示出來(lái)的地質(zhì)條件推測(cè),趾板附近河床巖體在基巖面以下36.0～70.0 m內(nèi)巖體透水率一般為3～5 Lu;左岸巖體在100.0～120.0 m內(nèi)巖體透水率一般為3～10 Lu;右岸與左岸基本相同,大于10 Lu的中等透水帶底界埋深一般為100.0～105.0 m。壩基巖體小于3 Lu的相對(duì)隔水層埋深較大,河床基巖面以下一般為70.0～80.0 m,左岸一般達(dá)115.0～120.0 m,右岸為120.0～125.0 m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,帷幕灌漿質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)為≤3 Lu,采用雙排帷幕,主副帷幕排距2.0 m,主、副帷幕孔間距2.0 m,分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三序孔施灌,斜趾板段帷幕灌漿孔深最深達(dá)141.0 m。斜趾板段帷幕灌漿分三序施灌,孔深較大,段次較多,工程量大。為滿足斜趾板帷幕灌漿施工工期要求,避免鉆機(jī)在頻繁移動(dòng)工況下帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn),確保帷幕灌漿孔鉆孔質(zhì)量,提出了斜趾板帷幕灌漿鉆孔臺(tái)車(chē)的設(shè)計(jì)方案[1-2]。

2 技術(shù)參數(shù)擬定

帷幕灌漿鉆孔鉆機(jī)采用XY-2B地質(zhì)鉆機(jī),鉆孔臺(tái)車(chē)的設(shè)計(jì),擬定了鉆孔臺(tái)車(chē)、行走和提升系統(tǒng)和荷載等技術(shù)參數(shù)。

2.1 鉆孔臺(tái)車(chē)的制作

鉆孔臺(tái)車(chē)采用[14、[16 a槽鋼焊接制作,左岸斜趾板臺(tái)車(chē)最大高度1.7 m、寬3.75 m、長(zhǎng)3.0 m,呈三角形;右岸斜趾板臺(tái)車(chē)最大高度2.0 m、寬3.75 m、長(zhǎng)3.0 m,呈三角形,下部置于軌道上,平臺(tái)頂面根據(jù)不同坡比采用墊片將鉆機(jī)調(diào)整呈水平狀態(tài)。平臺(tái)頂面操作平臺(tái)采用滿鋪5 cm厚木馬道板。平臺(tái)所有臨空面設(shè)置安全護(hù)欄和擋腳板,護(hù)欄高1.2 m,并掛密目網(wǎng)封閉,擋腳板高20 cm。設(shè)置爬梯,便于人員上下,梯步采用架管和角鋼加工制作。

臺(tái)車(chē)底部置于軌道上,安裝3組定制滾輪,必要時(shí)可在滾輪兩側(cè)安裝鋼板,防止臺(tái)車(chē)脫軌。臺(tái)車(chē)運(yùn)行到位后,采用“雙保險(xiǎn)”(鎖定卡、Φ22 mm保險(xiǎn)副繩)對(duì)臺(tái)車(chē)進(jìn)行鎖定,Φ22 mm保險(xiǎn)副繩固定于專(zhuān)用地錨上(3φ25圓鋼,錨入混凝土(基巖)內(nèi)1.0 m、外露0.2 m),臺(tái)車(chē)鎖定時(shí)須將副繩繃直,確保副繩處于受力狀態(tài)。

2.2 行走及提升系統(tǒng)

臺(tái)車(chē)行走軌道采用24 kg/m鋼軌,間距1.75 m。軌道大面緊貼趾板混凝土,局部變坡比部位可適當(dāng)加高。趾板轉(zhuǎn)彎部位軌道設(shè)置成弧形,便于臺(tái)車(chē)行走。按每2.0 m設(shè)置φ25錨筋將軌道固定(交錯(cuò)布置),錨筋入混凝土30 cm,外露10 cm,外露端與軌道焊接固定。鉆孔臺(tái)車(chē)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 鉆孔臺(tái)車(chē)示意圖

牽引系統(tǒng)采用10 t電動(dòng)葫蘆牽引。每個(gè)鉆孔臺(tái)車(chē)牽引及設(shè)置2個(gè)鎖定錨固點(diǎn)(牽引及鎖定主繩、保險(xiǎn)副繩各一個(gè))。錨點(diǎn)直接利用固結(jié)灌漿孔或重新鉆孔安裝錨筋,錨筋采用3φ25圓鋼(L=1.2m,入混凝土(巖)1.0 m,外露20 cm),注0.5∶1水泥漿,且注漿飽滿。外露端頭焊接短鋼筋成十字架,防止鋼繩或葫蘆掛鉤滑脫。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

本次計(jì)算選擇不利工況[3-4],即右岸斜趾板最陡峭處(坡度1∶1.438)進(jìn)行計(jì)算。

3.1 提升系統(tǒng)受力計(jì)算

鉆孔臺(tái)車(chē)提升系統(tǒng)受力計(jì)算分別計(jì)算荷載、鋼絲繩破斷拉力、10 t葫蘆額定提升力和錨筋錨固力。

3.1.1 荷載計(jì)算

鉆孔臺(tái)車(chē)采用10 t葫蘆牽引移動(dòng),運(yùn)行時(shí),臺(tái)車(chē)上按照最多放置1臺(tái)XY-2B地質(zhì)鉆機(jī)、141.0 m鉆桿及必要的工器具棚考慮,不考慮施工人員。

根據(jù)臺(tái)車(chē)各類(lèi)材料用量計(jì)算,臺(tái)車(chē)自重荷載按0.8 t×10 N/kg=8 kN考慮,臺(tái)車(chē)上的木板及防護(hù)設(shè)施自重荷載按150 kg/m2考慮,(7.5×150)×10/1 000=11.25,鉆機(jī)、鉆桿及工器具棚自重荷載按(1 200+7×141+150)×10/1 000=23.37 kN考慮,則葫蘆牽引總荷載為:(8+11.25+23.37)×cos55.2=24.32 kN。

3.1.2 鋼絲繩破斷拉力計(jì)算

根據(jù)《重要用途鋼絲繩》[5],牽引鋼絲繩選用Φ22 mm,6×37S+IWR型鋼絲繩,公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1770 MPa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,鋼絲繩的破斷拉力按下式進(jìn)行計(jì)算:

鋼絲繩破斷力:查表,Fg=305 kN(GB 8918-2006表11);

鋼絲繩的允許破斷力:

[Fg]=a×Fg÷k=0.82×305÷5=50.02 kN

(1)

式中a為鋼絲繩之間的換算系數(shù)(折減系數(shù)),a取0.82;k為鋼絲繩的使用安全系數(shù),k取5。

載重作用下鋼絲繩的牽引力(滑動(dòng)摩擦系數(shù),鋼與鋼取μ=0.15):

F牽=24.32+μ×24.32×cos55.2°=26.40 kN≤50.02 kN,滿足要求。

3.1.3 10 t葫蘆額定提升力計(jì)算

按《水電水利工程施工卷?yè)P(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范》[6],根據(jù)以上計(jì)算,鋼絲繩的牽引力F牽=26.40 kN<10 t×10 N/kg =100 kN(10 t葫蘆的額定提升力),由于提升系統(tǒng)布設(shè)在大壩斜趾板混凝土面,涉及斜坡面的設(shè)備及人員安全,風(fēng)險(xiǎn)較大,所以在提升系統(tǒng)的選型上加大安全系數(shù)K=2.0,可知選取額定提升力為10 t的葫蘆符合要求。

3.1.4 錨筋錨固力計(jì)算

本文錨固計(jì)算按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[7],相關(guān)計(jì)算如下:

(1)按錨固體表面與周?chē)鷰r體間的粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算,所得到的錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為:

Nak=laCfrbk/K

(2)

式中l(wèi)a為錨固端長(zhǎng)度,設(shè)為1.0 m;C為錨固體截面周長(zhǎng),3φ25圓鋼取0.20 m;frbk為巖層與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,按軟巖石取360 kPa(GB 50330-2013表8.2.3-2);K為錨桿錨固體抗拔安全系數(shù),取2.0(GB 50330-2013表8.2.3-1)。

則,Nak=1.0×0.20×360/2=36.0 kN

(2)按錨筋與錨固砂漿間的粘結(jié)力來(lái)計(jì)算,確定的錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為:

Nak=laCfb/K

(3)

式中l(wèi)a為錨固端長(zhǎng)度,設(shè)為1.0 m;C為錨固體截面周長(zhǎng),3φ25圓鋼取0.2 m;fb為鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,按M25水泥漿強(qiáng)度等級(jí)取值2.10 MPa(GB 50330-2013表8.2.4);K為錨桿錨固體抗拔安全系數(shù),取2.0(GB 50330-2013表8.2.3-1)。

則,Nak=1.0×0.20×2 100/2=210.0 kN

從偏于安全考慮,按上述計(jì)算值取小值,3φ25圓鋼,錨固長(zhǎng)度1.0 m,巖石條件按Ⅳ2類(lèi)巖石考慮。錨固力Nak=36.0 kN>F牽=26.4 kN,滿足要求。

錨筋所受剪力偏安全考慮取26.4 kN,3φ25圓鋼抗剪能力設(shè)計(jì)值取抗拉能力的0.6倍,fv=0.6fy=0.6×300=180 N/mm2。

N=fvA=180 N/mm2×3.14×(25/2)2×3=264.94 kN

根據(jù)以上計(jì)算,錨筋所受剪力遠(yuǎn)小于其承載力,抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.2 鉆孔臺(tái)車(chē)受力計(jì)算

鉆孔臺(tái)車(chē)受力計(jì)算首先確定荷載參數(shù),利用Midas GEN 2017軟件建立三維模型,根據(jù)簡(jiǎn)化模型分別計(jì)算臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)整體、頂部橫梁、側(cè)面三家框架承載力和后方框架承載力。

3.2.1 荷載參數(shù)

3.2.1.1 恒荷載參數(shù)

根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管教手架安全技術(shù)規(guī)范》[8]規(guī)定取值:

鉆孔臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)自重:按Q235鋼計(jì)入。

腳手板鋪設(shè)層數(shù):1。

腳手板類(lèi)別:竹串片腳手板/木腳手板。

腳手板自重標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2):0.35。

腳手板上其他構(gòu)件自重(kN/m2):0.55。

欄桿類(lèi)別:Φ48.3×3.6鋼管。

欄桿擋腳板自重標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2):0.17。

安全設(shè)施與安全網(wǎng)(kN/m2):0.01。

3.2.1.2 活荷載參數(shù)

鉆孔臺(tái)車(chē)采用10 t葫蘆牽引移動(dòng),臺(tái)車(chē)運(yùn)行期間承受的荷載主要為臺(tái)車(chē)自重、臺(tái)車(chē)上放置的鉆機(jī)、鉆桿重量以及腳手板和防護(hù)設(shè)施重量等。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,斜趾板帷幕灌漿孔最深141.0 m。運(yùn)行時(shí),臺(tái)車(chē)上按照最多放置1臺(tái)XY-2B地質(zhì)鉆機(jī),141.0 m鉆桿考慮。

根據(jù)臺(tái)車(chē)各類(lèi)材料用量計(jì)算,主要包括的活荷載情況如下:

(1)鉆機(jī)、鉆桿及工器具棚自重荷載按(1 200+7×141+150)×10/1 000=23.37 kN考慮,模型中取24 kN,并按集中力平均分配給臨近的四根上層梁。

(2)施工期間鉆孔臺(tái)車(chē)上按照最多放置1臺(tái)XY-2B地質(zhì)鉆機(jī)、141.0 m鉆桿、一個(gè)工器具棚,同時(shí)配備3名作業(yè)人員考慮。

3.2.2 模型建立

Midas GEN 2017是一款建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件。軟件具有強(qiáng)大的圖形結(jié)果自動(dòng)生成功能,圖形結(jié)果可以形象地分析確認(rèn)表格結(jié)果。具有人性化的操作界面,并且采用了卓越的計(jì)算機(jī)顯示技術(shù),是建筑領(lǐng)域通用結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。鉆孔臺(tái)車(chē)模型見(jiàn)圖2。

圖2 鉆孔臺(tái)車(chē)模型圖

3.2.3 臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)荷載參數(shù)

根據(jù)3.2.1荷載參數(shù),經(jīng)模型模擬,可得出以下荷載作用參數(shù):

(1)臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)欄桿擋板荷載作用均勻分布,為0.2 kN/m;

(2)臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)腳手板及上部其他構(gòu)件自重作用均勻分布,為0.9 kN/m2;

(3)鉆機(jī)、鉆桿及工具自重作用按集中力作用在上層梁格考慮,為6 kN;

(4)臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)腳手板上活荷載作用均勻分布,為3 kN/m2。

3.2.4 臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)整體受力分析

Midas GEN提供了各種工況組合,以下分析采用glCB2組合,即:1.3D+1.5(L),作為研究的主要組合,現(xiàn)對(duì)臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)的整體受力的內(nèi)力和變形做出以下分析。

圖3為臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)整體位移等值線圖,從圖中可知,臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)位移變形最大處發(fā)生在臺(tái)車(chē)前部橫梁中部,這是由于鉆孔鉆進(jìn)荷載作用在前部,導(dǎo)致該處有較大位移,其最大位移值為2.19 mm,撓度比約為0.09%,在容許撓度比范圍內(nèi),滿足要求。

圖3 臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)整體位移等值線圖(單位:mm)

(2)梁?jiǎn)卧献畲蟮慕M合應(yīng)力是判斷鋼梁上是否有超過(guò)構(gòu)件屈服強(qiáng)度的一個(gè)很重要的指標(biāo),圖4給出了臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)各主要梁?jiǎn)卧系淖畲蠼M合應(yīng)力,從圖中可以看出,整個(gè)臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)中最大的組合應(yīng)力出現(xiàn)在定制滑輪上部的縱梁上,該梁為開(kāi)口向上的[16 a號(hào)槽鋼,由于此處存在彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和局壓應(yīng)力的共同作用,所以出現(xiàn)了相對(duì)較大的組合應(yīng)力值,達(dá)到了201.2 kN/m2,幾乎接近于Q235鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,所以,在施工過(guò)程中可以在此處設(shè)置加勁肋或者做局部加強(qiáng)處理,并在施工過(guò)程中留意觀察這些滑輪處的變形和受力狀態(tài)。其他構(gòu)件都有足夠的強(qiáng)度富余。

圖4 臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)各主要梁?jiǎn)卧M合應(yīng)力圖(單位:kN/m2)

3.2.5 臺(tái)車(chē)頂部橫梁受力分析

臺(tái)車(chē)頂部橫梁和縱梁可分別按照簡(jiǎn)支梁或連續(xù)梁進(jìn)行強(qiáng)度和撓度計(jì)算,按照其上承受的荷載為均布荷載,按《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)(第二版)》[9]計(jì)算其最大彎矩和變形。

I16工字鋼材料參數(shù)為慣性矩Ix=1 130 cm4,橫截面積Ax=26.1 cm2,截面模量Wx=141 cm3,回轉(zhuǎn)半徑ix=6.58 cm,單位重量20.5 kg/m。

本模型直接采用有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析各個(gè)主要梁?jiǎn)卧氖芰Α?/p>

(1)根據(jù)模型模擬中臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)坡前橫梁位移等值線圖得出,臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)坡前橫梁位移最大撓度為2.192 mm。

橫梁的最大撓度小于2 000/250=8 mm,滿足要求。

(2)根據(jù)模型模擬中臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)坡前橫梁內(nèi)力圖得出,臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)坡前橫梁 最大彎矩Mqmax=3.2 kN·m;

σ=Mqmax/W=3.2×106/(141×103)=22.7 N/mm2。

橫梁的計(jì)算強(qiáng)度小于215 N/mm2,滿足要求。

3.2.6 臺(tái)車(chē)側(cè)面三角框架承載力分析

臺(tái)車(chē)側(cè)面為三角形鋼架,其位移、變形、應(yīng)力和內(nèi)力均可以從模擬結(jié)果中得到,主要成果如下:

(1)根據(jù)模型模擬中臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)側(cè)面鋼架位移等值線圖得出,最大撓度v=0.983 mm,由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]附錄C,表C.0.4-1得出其容許擾度為[v]=l/250。

v=0.983 mm≤[v]=l/250=2 415/250=9.66 mm,滿足撓度要求。

(2)根據(jù)模型模擬中臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)側(cè)面鋼架各梁?jiǎn)卧獌?nèi)力圖得出,彎矩最大值為3.2×106N·mm,軸力為11.2 kN。

δ=Mmax/Wx+N/A=3.2×106/152 000+

11.2×103/2 930=25 N/mm2<215 N/mm2

故強(qiáng)度滿足要求。

3.2.7 臺(tái)車(chē)后方框架承載力分析

孔臺(tái)車(chē)模型圖臺(tái)車(chē)后方為一桁架,其位移、變形、應(yīng)力和內(nèi)力均可以從模擬結(jié)果中得到。

(1)根據(jù)模型模擬中臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)后方桁架位移等值線圖得出,最大位移為0.962 mm。

(2)根據(jù)模型模擬中臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)后方桁架各梁?jiǎn)卧M合應(yīng)力圖得出,最大組合應(yīng)力值為25.6 kN/m2。

該桁架在靜力工作狀態(tài)下,無(wú)論位移還是應(yīng)力量級(jí)都較小,處于安全狀態(tài)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)上述設(shè)計(jì)計(jì)算分析,結(jié)果如下:

(1)根據(jù)3.1設(shè)計(jì)參數(shù)和受力計(jì)算,在最大施工荷載下,鉆孔臺(tái)車(chē)提升系統(tǒng)受力穩(wěn)定,滿足安全運(yùn)行要求。

(2)根據(jù)3.2三維模型簡(jiǎn)化模型、模擬計(jì)算和結(jié)果分析可知,鉆孔臺(tái)車(chē)在繩卡固定安裝好之后的施工階段,臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)整體受力、頂部橫梁受力、側(cè)面三角框架承載和后方框架承載力及其撓度均處于安全狀態(tài)。

5 結(jié) 論

本文基于巴拉水電站混凝土面板堆石壩建設(shè)工期需求,通過(guò)理論計(jì)算的方式提出了一種帷幕灌漿鉆孔臺(tái)車(chē)的設(shè)計(jì)方案,目前已在巴拉水電站斜趾板帷幕灌漿中應(yīng)用,快速、高效、低耗的進(jìn)行帷幕灌漿鉆孔施工,加快帷幕灌漿施工進(jìn)度,得出以下結(jié)論:

(1)該鉆孔臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)安全可靠,提升系統(tǒng)切實(shí)可行,類(lèi)似項(xiàng)目可根據(jù)工程實(shí)際情況,參考本文的研究理念,自行設(shè)計(jì)不同工況下的鉆孔臺(tái)車(chē)。

(2)鉆孔臺(tái)車(chē)在投入使用前,應(yīng)編制操作規(guī)章,以便于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。同時(shí)須注意,應(yīng)定期對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行檢查,臺(tái)車(chē)行走前應(yīng)將人員撤離,不管在任何工況下,牽引都必須處于“雙保險(xiǎn)”狀態(tài)下以確保安全。

(3)帷幕灌漿作業(yè)包含鉆孔、灌漿和封孔作業(yè),本文僅從斜趾板帷幕灌漿鉆孔工序單方面考慮加快帷幕灌漿施工進(jìn)度,在具備條件時(shí),或可從集不同工序于一體進(jìn)行研究。