二滩水电站地下厂房岩台吊车梁设计
范湘蓉
国家电力公司成都勘测设计研究院,四川成都 610072
1 概 述
二滩水电站地下厂房埋深200～400m,厂房纵轴线方位为N6°W。主厂房洞室长242.92m,其中,主机间段长191.90m,机组间距31.00m,安装间段长51.02m。厂房洞室跨度25.50m,吊车梁以上跨度30.70m。据国内外的工程类比和实践经验,结合二滩电站地下厂房良好的地质条件,决定采用岩台吊车梁的结构型式,其优越性为:减小洞室开挖跨度,缩小围岩破损区范围,有利于洞室围岩稳定;在洞室开挖到岩台高程后,可提前形成吊车梁,安装临时吊车,有利于洞室的后续施工并可以缩短工期。与传统形式的吊车梁相比,可减少厂房的开挖量,节省混凝土和钢筋用量,从而达到节省投资的目的。
2 厂区工程地质概况
厂区围岩基本上是结构均一、完整的正长岩及部分辉长岩,有少量变质玄武岩及局部裂面绿泥石化玄武岩,无大的软弱面分布,岩体坚硬、完整,多属Ⅰ、Ⅱ类围岩,主要发育的结构面有4组,见表1。其不利组合所构成的不稳定块体可能危及厂房边墙的稳定和吊车梁岩台的形成。
表1 主要结构面产状表
组号
走向
倾向
倾角
1
N30°～50°E
NW
60°～80°
2
N40°～60°W
NE
60°～70°
4
N50°～70°E
SE
45°～75°
6
EW
S
25°～30°
厂房区内原岩初始应力较高,具备产生岩爆的地质环境,在开挖过程中,会出现应力释放(调整)现象,导致围岩局部变形或破坏。
3 岩台吊车梁结构设计
吊车梁主要用于承受吊车轮压、埋设桥机轨道,岩台吊车梁还可起到加固岩体、分散荷载、平整岩面的作用。二滩水电站地下厂房岩台吊车梁总长242.92m。根据结构需要,将上、下游吊车梁各分为长度不等的8段,每段之间设2cm伸缩缝。厂内安装两台双小车桥式起重机(每台2×3139kN),最大轮压达900kN。因桥机起吊重量大,其截面尺寸不宜太小,综合考虑桥吊安装运行等各种因素,确定吊车梁截面尺寸为1.33m×3.50m(高×宽)。其中,为减少厂房上部开挖跨度,挑悬支承干隔墙柱上的部分宽0.90m。吊车梁混凝土标号为250号。作用于吊车梁上的荷载有:
(1)桥机极限位置轮压为900kN,考虑动力系数1.10,荷载系数1.20,则计算轮压Pmax=900×1.1×1.2=1188(kN)(集中力),
(2)厂房天棚通过每个小柱下传荷载P′=491kN(集中力);
(3)吊车梁自重(包括隔墙及挑悬部分自重)q=108kN/m(均布力);
计算吊车梁内力时,将其视为置于岩台上的弹性地基梁,选取典型长度段30.98m计算。计算时不考虑隔墙柱的支承作用,将其作为安全储备,计算断面取为1.33m×2.60m(高×宽)。作为基本荷载组合,将桥吊轮压按每1.0m步长移动,计算出相应的基底反力分布图,从而求得吊车梁各截面内力及配筋量,计算结果表明,最大基底反力为1391kN/m;作为特殊荷载组合,还考虑了在相邻柱间岩台垮塌情况下,将该段吊车梁作为两端固定结构计算梁端内力,两端简支结构计算跨中内力,分别配置梁内钢筋,并满足最小配筋率的要求,吊车梁设计断面及典型配筋见图1。
图1 吊车梁典型断面配筋图
4 吊车梁岩台设计
4.1 吊车梁岩台支护参数的确定
二滩电站吊车梁岩台位于开挖边墙的中上部,地下洞室围岩稳定数值分析和有关地质力学模型试验结果表明,吊车梁岩台位于洞室变形较大的部位。作为地下洞室围岩整体稳定支护设计的一部分,吊车梁岩台的支护设计除了满足吊车梁结构自身的稳定和安全运行外,其支护设计的锚杆锚索还兼顾边墙围岩稳定加固作用。
由吊车荷载等引起的作用于岩台上的力为吊车梁底的基底反力,最大为1391kN/m,相应梁底应力为535kN／m2,远小于岩体抗压强度,满足岩体承载力的要求。
以①、②、⑥组裂隙为代表的赤平投影分析表明,该组裂隙受高边墙临空面的切割,除个别情况外,基本不会对下游边墙构成不稳定的塌滑体。但对上游边墙可构成以第②组裂隙为滑动面的坍滑体,其最大厚度为19m,可能危及厂房上游侧岩台的稳定。因此,按赤平投影图解法重点分析出以②组裂隙为滑动面的最不利组合块体,按块体极限平衡方法进行稳定分析计算,结果见表2。
表2 边墙(1013.0～1028.7m高程)锚固预应力值表
组
号
结构面
塌滑形式
塌滑体
结构面
锚 索
预应力
kN/m2
体积/m3
深度/m
F
C
Ⅰ
①N40°E NW∠70°
沿结构面②滑动
8.37
1.27
0.75
0
94.2
②N50°W NW∠60°
0.65
0
110
⑥EW S∠30°
0.51
0
138
Ⅱ
①N30°E NW∠80°
沿结构面②滑动
24.4
1.83
0.75
0
116
②N40°W NE∠70°
0.65
0
134
⑥EW S∠70°
0.51
0
166
Ⅲ
①N50°E NW∠80°
沿结构面②滑动
23.7
2.57
0.75
0
177
②N60°W NE∠70°
0.65
0
204
⑥EW S∠25°
0.51
0
252
Ⅳ
①N50°E NW∠80°
沿结构面②滑动
141.7
5.41
0.75
0
94.1
②N40°W NE∠60°
0.65
0
112
⑥EW S∠25°
0.51
0
143
Ⅴ
①N30°E NW∠60°
沿结构面②滑动
120.9
4.59
0.75
0
161
②N60°W NE∠70°
0.65
0
186
⑥EW S∠25°
0.51
0
230
Ⅵ
①N50°E NW∠80°
沿结构面②滑动
91.05
5.11
0.75
0
132
②N60°W NE∠60°
0.65
0
158
⑥EW S∠70°
0.51
0
201
在分析计算及大量的工程类比、地下洞室围岩整体稳定分析以及广泛听取国内外专家意见的基础上,根据洞室开挖后岩石的实际出露情况及地应力释放后岩石变形情况进行修正,最终确定了厂房上、下游边墙的支护设计方案。1013.00～1028.70m高程高边墙支护采用锚(杆)、喷(混凝土)、预应力锚索相结合的联合支护型式。支护参数为沙浆锚杆φ30,L=6.0m,间距1.5m,喷混凝土厚0.1m和岩台以下施加P=1750kN,L=20.0m,间距3.0m×4.5m的预应力锚索。
二滩电站吊车梁岩台的支护分两部分:第一部分起加强吊车梁的侧向稳定作用,即通过锚杆将吊车梁锚固在岩台上部的边墙上,这样不但加固了吊车梁,也对岩石边墙起到了支护作用,共同承受外力(包括吊车横向刹车力);第二部分是加强岩台和边墙的稳定。根据地质方面分析,由于岩体中的4组主要裂隙面与上游边墙可能形成陡倾角裂隙及滑动岩块,且高地应力会导致岩爆,致使岩体松动,因此,设计时采用复合型支护的布置型式,即用加强型锚索与边墙系统锚杆加密交错布置来加强锚固。如图2、3、4所示。
    
图2 岩台吊车梁支护设计断面图
     
图3 上游边墙1037.40～1025.00m锚固立视图(典型机组段)
    
图4 下游边墙1037.40～1025.00m锚固立视图(典型机组段)
4.2 吊车梁岩台的开挖施工
在开挖吊车梁岩台时，应采取切实有效的措施，如火焰切割或预裂爆破等，以保证岩台完整成型，但由于有关方面未按合同文件要求控制开挖，致使岩台吊车梁的开挖成型较差，大部分地段岩台实际开挖面与铅直面夹角在30°～35°左右，一些地段更陡或根本无岩台痕迹。在施工中，又将吊车梁岩台下两排锚索间隔取消，总量减少一半，并改变了锚索设计方向，向下倾斜5.71°，使得部分岩台的稳定安全度不足或基本没有安全储备。为此，设计方面在地质部门提供的最新资料基础上，对吊车梁稳定进行了复核（计算中尚未考虑厂房高边墙的应力释放和变形对吊车梁的影响），分析结果见表3。据此，设计上提出:鉴于二滩电站地下厂房的规模和岩台吊车梁的特别重要性,施工时不得再进一步降低开挖和支护的设计要求,对于开挖面与铅直面的夹角小于30°(的岩台部位,承包商应将其回填加固。
表3 岩台吊车梁超挖回填后混凝土岩面滑动的吊车梁稳定安全系数表
滑动面与铅
直面夹角
α
／°
锚索下
倾角
β
／°
混凝土/岩
面摩擦系数
f
每根锚
杆设计
抗剪力
／kN
单位宽度上作用的
1750kN预应力锚索
根 数
／根
单位宽度上作用的
非预拉沙浆锚杆
根 数
／根
吊车梁
稳定安
全系数
锚杆失效或
不能有效发
挥作用时的
安全系数
10
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