岩锚吊车梁荷载试验研究

王永德 谢勇兵 刘 军

(1. 云南省水利水电科学研究院,云南 昆明 650228;2. 中国水利水电第十四工程局有限公司,云南 昆明 650041)

广州抽水蓄能电站位于广东省从化区吕田镇境内,距广州直线距离90km,电站地下厂房深埋于地面以下450m,开挖尺寸为14.5m ×21m ×44.54m(长×宽×高)。 地下厂房部位的岩体完整,具有整体块状结构,总体上工程地质条件良好。 岩体内主要发育北北东、北北西和北西向三组断裂构造。 沿上述三组断裂发育有不同程度的高岭石化、蒙脱石化蚀变岩带;主厂房轴线NE80°与各断裂构造均有较大的交角。 按围岩分类划分厂房洞室群所在地质块体属Ⅰ、Ⅱ类围岩。

水电站地下厂房岩锚吊车梁是通过锚杆将钢筋混凝土吊车梁固定在岩壁上的结构型式,吊车的全部荷载以及吊车的自重通过长锚杆和钢筋混凝土吊车梁与岩壁接触面上的摩擦力传到岩体上的。 采用岩锚吊车梁可省去支撑吊车梁的吊车柱或岩台,从而减少地下厂房的跨度,不仅减少开挖方量,节约资金、缩短工期,而且还对地下厂房围岩稳定十分有利。 另外,采用岩锚吊车梁还可提前安装吊车,投入使用,方便后续施工。 因此,岩锚吊车梁是可较好应用于水电站地下厂房的一种结构型式。

1 载荷试验目的

目前兴建水电站的地下厂房已经普遍采用岩锚吊车的结构型式,为验证岩锚吊车梁的安全可靠性,正式投入运行前,需做荷载及超载试验,检验岩壁吊车梁的可靠性和安全性。

2 试验方法

试验方法是用试重钢块分四个等级加载,第一级加载至0.75 倍设计荷载,即300t;第二级加载至设计荷载,即400t;第三级加载至设计荷载1.2 倍,即480t;第四级加载至设计荷载1.4 倍,即560t。 试验的同时,为了配合测量各种荷载下吊车梁的变形、锚杆应力、混凝土应力及应变、吊车梁和岩壁接触缝开合等情况,将测试断面分为五个,即0 +132、0 +99、0 +89、0 +66、0 +46。

首先进行0.75 倍设计载荷的试验。 试验前观测组做好各断面观测数据的初始值记录后,起动吊车将重物提起至离地面20 ~ 30mm 停止。 停留时间约10min,停稳后,观测组记录该荷载下的各项数据。 再将重物提高至200mm 左右,以5m/min 的速度将重物移至该断面的上、下游侧,每处停留5min,做好各断面必要观测记录。 该断面的测量工作完成以后,吊车往副厂房侧移动,并在0 +99、0 +89、0 +66、0 +46 各断面停止,承物分别向各断面上、下游移动,停留时间均为5min,观测组记录该荷载下各断面的各项数据。 当观测完成后,吊车以5m/min 的速度开回。 接着用同样的方法依次进行1 倍和1.2 倍设计负荷的试验。 最后进行1.4 倍设计荷载的静荷试验,该试验仅在0 +132断面进行。 将重物以1m/min 的速度吊起至离地面20 ~30mm 停下,停留时间为1h,然后放下,试验期间,进行必要的数据观测。

3 岩锚吊车梁及观测仪器埋设

3.1 岩锚吊车梁概况

岩锚吊车梁处岩壁施工精细,岩壁成型良好,未受破坏,锚杆孔位、孔向、孔深、外露长度、注浆密实度严格控制,符合设计要求。 锚杆注浆砂浆强度,平均值为38.02MPa,超过设计要求的19.6MPa。 同时通过几组锚杆拉拔试验表明,拉拔力达14tf,超过设计要求的12tf,也仍未发现注浆损伤痕迹。 岩锚吊车梁共浇筑1048m3混凝土, 经取样试验,28 天平均强度达36.4MPa,质量良好,而设计要求强度为24.5MPa。

厂房岩锚吊车梁设计最大起吊重量2 ×200t,最大垂直轮压55tf,最大横向水平力5.2tf。 岩锚吊车梁结构尺寸见图1。

图1 岩锚吊车梁结构尺寸简图(单位:cm)

3.2 观测仪器埋设

本电站采用岩锚吊车梁,吊车轮压较大,达55tf,因此,对岩锚吊车梁锚筋、混凝土钢筋埋设较多观测计仪器。

四点位移计主要埋设在桩号0 +46、0 +89、0 +132三个主断面上,观测顶拱、边墙、岩锚吊车梁部位岩体均有不同深度范围的变形;钢筋计、锚杆应力计、渗压计及岩锚吊车梁的锚杆应力计主要埋在桩号0 +46、0 +66、0 +89、0 +99、0 +132 五个断面上。 整个地下厂房共埋设四点位移计26 套,锚杆应力计13 套,钢筋计25 套,测缝计16 支,渗压计6 支。

锚杆应力计测量锚杆中的拉压应力;位移计测量吊车梁受载后向厂内的变位;钢筋计测量吊车梁锚筋应力;测缝计测量吊车梁岩壁与混凝土之间缝隙张开度;混凝土应力计测量吊车梁下部混凝土受压状况及混凝土梁顶面靠近岩壁处的受拉状况。

4 试验结果

试验主要结果见表1,表中的R4-1-1,R4-1 代表拉锚钢筋编号,最后的“1”代表1 号测点。 锚筋计上分成四段,沿锚筋不同长度量测。 吊车梁受拉锚筋2 号测点距岩壁0.5 ~0.8m,3 号测点距岩壁3m,4 号测点距岩壁6.8m,1 号测点在混凝土中;吊车梁下部受压钢筋2 号测点距岩壁0.5 ~0.8m,3 号测点距岩壁2.7m,4号测点距岩壁5m,1 号测点在混凝土中。

表1 岩锚吊车梁试验结果 单位:MPa

在1.2 倍动荷超载试验时,最大垂直轮压力61.78tf,横向水平力6.24tf。 锚杆设计最大拉力沿梁长每米承担19.08tf,将最大轮压,最大横向水平力换算到每米梁上,为图1 中的P(391.34kN)和T(33.55kN)。

5 结 论

试验结果表明:

a. 受拉锚杆受载后拉应力增值均不大,当吊车梁承担设计荷载时,最大增值为11.68MPa,发生在0 +46桩号下游侧离岩石表面0.5 ~0.8m 吊车梁的R4-3-2测点上,此时锚杆应力从初始值35.52MPa 增至47.20MPa,其余各测点受载后,锚杆中最大应力增值均在1.66MPa 以下。 这一规律与其他电站岩锚吊车梁实测结果相同,而本工程岩锚吊车梁的增值幅度更小,说明该电站地质条件及施工质量情况较好。

b. 各锚杆最深处的应力增值幅度更小,最大不超过1MPa,其余基本不变,说明锚杆伸入岩壁7m 已经足够。

c. 各锚杆在受吊车荷载之前已有一定应力,但均不大,最大初始拉应力值为109.79MPa 在R4-3-3 处,其余各点均在65.54MPa 以下,和其他电站相比,是最小的,说明该电站地下厂房洞室稳定性良好,开挖过程中边墙变位不大。

d. R4-3-3 测点应力较大的原因是附近有断层通过,受断层影响其应力有增大可能。

e. 吊车梁卸载后,各测点应力基本复原,仍在R4-3-2 测点偏差最大,但也只达1.07MPa,说明各岩锚吊车梁锚杆基本在弹性范围内工作,是安全可靠的。

f. 除上述观测结果,同时观测到吊车梁上表面靠近岩壁处混凝土中有少量拉应力,但都小于0.5MPa,测缝计基本无变化,缝没有张开,说明混凝土与岩壁间黏着良好。

综上所述,各测点在加载过程中不同工况下测值变化呈现相同或相似的规律,且卸荷后多能恢复到空载状态,应力及围岩变形增量不大,均在弹性变化阶段,各测点均未出现超过监测仪器量程和锚杆(钢筋)屈服强度的现象,表明各部位受力及变形情况均在设计允许范围内。 结果表明,该电站地下厂房围岩稳定良好,岩锚吊车梁安全可靠。