白鹤滩右岸尾水管检修闸门室岩壁吊车梁缺陷修补研究

郑海圣，杨 飞，孟江波

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，上接乌东德水电站，下邻溪洛渡水电站。电站枢纽由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等主要建筑物组成。两岸引水发电系统对称布置，左右岸地下厂房内分别布置8台1 000 MW立式水轮发电机。

尾水管检修闸门室与尾水调压室分离布置，与主厂房、主变洞轴向平行，位于主变洞与尾水调压室之间。闸门室总长374.5 m，分两层布置，上层跨度12.1～15.0 m，下层跨度9.1～12.0 m，直墙高30.5～31.5 m，闸门井高94 m。岩壁吊车梁位于高程655.2～658.2 m，离起拱点距离5.5～6.5 m，如图1所示。

图1 白鹤滩水电站尾水管检修闸门室布置Fig.1 Layout of the emergency gate chamber at Baihetan hydropower station

2 工程地质条件

右岸尾水管检修闸门室出露岩性为P2β34～P2β61层隐晶质玄武岩、柱状节理玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩和部分凝灰岩，其中柱状节理玄武岩主要分布在P2β61层中下部。层间错动带C3-1出露于洞室下游段边墙及端墙下部，层间错动带C4出露于洞室中段顶拱及上游段边墙和端墙中部，C5出露于洞室上游段顶拱和边墙端墙上部。

尾水管检修闸门室围岩以Ⅲ1类为主，占70%左右，分布于性状较好的隐晶质玄武岩发育部位。Ⅲ2类围岩占5%左右，主要分布于角砾熔岩发育部位。Ⅱ类围岩占10%，Ⅳ类围岩占15%左右，主要分布于3条层间错动带及凝灰岩发育部位。岩壁吊车梁部位岩体以Ⅲ1类为主，局部受层间错动带切割为Ⅳ类。

3 岩壁吊车梁结构布置

尾水管检修闸门室两岸各布置两台台车式启闭机，启闭容量2×6 300 kN，扬程97 m。每个台车每侧轮子个数16 个，轨距8.40 m/11.3 m，最大启闭轮压P=585 kN，最大行走轮压P=385 kN，沿轨道方向水平力P=45 kN，垂直轨道方向水平力P=40 kN。根据确定的吊车型式和起吊荷载，确定岩壁吊车梁顶高程658.0 m，梁顶宽度2.3 m。下拐点以上梁高1.85 m，下拐点以下梁高0.95 m，岩台垂直倾角为40°，梁体外挑0.95 m。

岩锚吊车梁中上部设2 排受拉锚杆，锚杆参数：HRB400C40（层间错动带C4、C5出露区域采用HRB500C40），L=9 m，入岩深度6.9 m，间距75 cm，倾角分别为20°和15°。吊车梁下部设1排受压锚杆，锚杆参数：C32，L=7.5 m，间距75 cm，入岩深度为6.4 m，倾角35°，如图2所示。

图2 岩壁吊车梁结构布置Fig.2 Structure of the rock-bolted crane girder

4 缺陷修补处理研究

受高地应力、柱状节理玄武岩、层间错动带及错动带下盘应力集中影响，右岸尾水管检修闸室岩壁吊车梁开挖面局部洞段成型质量较差。尤其是下游侧边墙，超挖问题较为普遍，壁座下拐点以下最大超挖高度达6 m，如图3所示。

图3 右岸尾水管检修闸门室岩壁吊车梁缺陷面貌Fig.3 Defects on the excavation face of rock-bolted crane girder

岩壁吊车梁基础缺陷将对吊车梁承载力及运行安全带来重大影响。为保证岩壁吊车梁正常运行及荷载安全，对缺陷超挖部位进行修补加固。

4.1 缺陷修补

根据右岸尾水管检修闸门室岩壁吊车梁实际开挖形态，拟定A、B、C、D型4种缺陷修补措施。其中A、B、C 型适用于非错动带影响下的岩壁梁基础缺失，D型适用于层间错动带C4、C5发育影响洞段，修补措施见表1和图4。

图4 右岸尾水管检修闸门室岩壁吊车梁修补示意图Fig.4 Diagrams of the rock-bolted crane girder repair

表1 右岸尾水管检修闸门室岩壁吊车梁修补措施Table 1 Repair measures of the rock-bolted crane girder

右岸尾水管检修闸门室岩壁吊车梁超挖部位总修补长度445.6 m，约占岩壁吊车梁总长度的63.6%。

2.学习无策略没有好的学习习惯。只是做到上课听讲，课余潦草完成作业，没有养成课前预习、课中积极参与发言、课后复习和阅读课外书籍的良好习惯，分析解决问题的能力欠缺。

4.2 扶壁墙支护

在层间错动带、柱状节理玄武岩、断层、长大裂隙和地应力等多种因素作用下，受开挖爆破的进一步影响，岩壁吊车梁壁座基础破裂破坏及卸荷松弛严重，大部分洞段壁座已全部挖掉。为了保证后期岩壁吊车梁的运行安全，在对岩壁吊车梁基础修补的基础上，对P2β61层第一、二类柱状节理玄武岩影响洞段，层间错动带C4、C5影响洞段和壁座下拐点超挖高度大于4 m、深度大于0.5 m 的洞段，布置扶壁墙进行加固。扶壁墙上顶岩壁吊车梁底面，下抵尾水管检修闸门井646检修平台，扶壁墙厚80 cm，高10.15m，竖向主筋C25@20，水平向分布筋C20@20，见图5。

图5 扶壁墙加固典型布置（单位：cm）Fig.5 Layout of reinforcement by counterfort retaining wall

右岸尾水管检修闸门室岩壁吊车梁扶壁墙加固洞段总长度388.6 m，约占岩壁吊车梁总长度的55.5%。

5 修补措施有限元分析

采用三维非线性有限元方法对缺陷处理后的岩壁吊车梁进行结构稳定性复核。根据计算结果对岩壁吊车梁的安全裕度进行计算，确保岩壁吊车梁修补后的安全稳定。C 型缺陷处理断面面积最大，安全风险最高，以C 型缺陷修补措施为典型断面进行分析。

5.1 计算说明

采用三维有限元计算软件Abaqus 进行计算分析。计算模型在洞轴向取30 m，铅直向取24 m，水平向取15.3 m。模型所有材料均采用线弹性材料模型，围岩和岩壁吊车梁结构均按六面体八节点实体单元进行离散，锚杆按线性梁单元进行离散，共划分了33 780个实体单元和1 760个梁单元，见图6。

图6 计算模型三维网格图Fig.6 3D mesh of computational model

锚杆与混凝土之间的联结采用位移完全协调的联结模型，岩体与梁体之间的相互作用采用面-面接触单元模拟。接触面法向属性采用“硬接触”，接触面之间可以传递的接触压力大小不受限制。当接触压力变为零或负值时，接触面可以分离，从而可以模拟在轮压作用下岩-梁接触面直壁张开、壁座受压的效果。出于安全考虑，接触面之间的切向属性采用库仑摩擦公式，不考虑接触面之间的粘结力。

5.2 计算结果

5.2.1 锚杆强度验算

经计算分析，岩壁吊车梁A、B 和C 锚杆Mises应力分布见图7。其中A、B 锚杆受拉应力，C 锚杆受压应力。A 锚杆最大Mises 应力为146.3 MPa，B锚杆最大Mises应力为109.7 MPa，C锚杆最大Mises应力为272.0 MPa。A、B、C锚杆的最大应力均发生在岩壁吊车梁与围岩接触部位。

图7 岩壁吊车梁锚杆Mises应力分布图（单位：Pa）Fig.7 Mises stress distribution of the rock-bolted crane girder

根据NB/T 35079-2016《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》附录B岩壁吊车梁受拉锚杆的安全系数判断，A、B锚杆的安全系数分别为2.7和3.6。由此可见，岩壁吊车梁缺陷修补后，A、B 受拉锚杆的强度满足要求。

岩壁梁与围岩接触面的闭合情况及接触面的正应力分布如图8所示。

图8 岩壁吊车梁与岩面接触面受力分析Fig. 8 Analysis of stress on the contact surface between rockbolted crane girder and rock

计算结果表明，岩壁吊车梁受荷载后，整个接触面除小部分区域处于张开状态，大部分接触面仍处于闭合状态。岩壁梁下部正应力较大，为0.1～0.3 MPa。扶壁墙底部正应力最大，达到1.07 MPa，其余大部分应力水平在0.1～0.2 MPa。由此可见，整个接触面除直壁面以及斜壁面顶部小部分区域处于张开状态，其余部位处于受压状态，接触面应力满足要求。

经计算分析，岩壁吊车梁基础缺失处经缺陷修补后，结构稳定性满足要求。

6 监测结果

2016年2月，白鹤滩右岸尾水管检修闸门室吊车梁投入使用。

监测数据表明，截至2019年1月初，白鹤滩右岸尾水管检修闸门室岩壁吊车梁锚杆应力为-36.34～449.80 MPa（上游侧岩台梁高程655.4 m,ASRGZYL-10-2，2.5 m），超过310 MPa 的监测点有4 个（共32个测点），且目前已经收敛。当前岩梁开合度为-0.32～21.36 mm，最大点为 JRGZ-0+60-3（RGZ0+60.00 断面，下游侧岩梁），目前该测点已经收敛。当前岩梁钢筋应力为-171.92～169.48 MPa，岩梁钢筋应力整体量值较小，目前监测数据已收敛。

7 结语

（1）白鹤滩工程中，针对岩壁吊车梁基础不同缺陷类型、不同围岩特点，制定相应修补加固处理措施。经计算分析，岩壁吊车梁缺陷修补后A、B受拉锚杆的强度满足规范要求，岩壁吊车梁与围岩接触面总体处于受压状态，接触面应力满足规范要求。修补加固处理措施理论可行。

（2）监测数据表明，岩壁吊车梁缺陷修补并投入使用后，目前各项监测数据平稳且已收敛，表明修补加固处理措施满足稳定运行要求。

（3）岩壁吊车梁结构型式可以减小地下闸门室跨度，有利于围岩稳定，吊车可提早投入运行，为后期施工安装提供方便。但岩壁吊车梁基础往往受不良地质条件、开挖施工方式等因素影响，成型较差，甚至影响吊车梁正常运行。因此，岩壁吊车梁设计、施工过程中应充分考虑不利因素，认真评估岩壁吊车梁方案的可行性，针对不可避免的情况，预先拟定加固方案，确保岩壁吊车梁成型良好。