白鶴灘水電站纜機軌道基礎(chǔ)設(shè)計

張　華，鄔　志，王永明（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

白鶴灘水電站纜機軌道基礎(chǔ)設(shè)計

張華，鄔志，王永明（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

白鶴灘水電站纜機采用雙層平移式布置方案，共布置7臺30 t纜機，其中高層3臺，跨度約1 158 m，低層4臺，跨度約1 088 m。纜機軌道基礎(chǔ)位于開挖邊坡上，具有受水平力大、地形地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，設(shè)計難度大。根據(jù)地形地質(zhì)條件，纜機軌道基礎(chǔ)分段選用了適宜的結(jié)構(gòu)型式，采用窮舉法計算分析纜機可能的運行工況，求得纜機荷載的最不利分布位置、纜機軌道基礎(chǔ)的內(nèi)力包絡(luò)圖和變形包絡(luò)圖，確定了結(jié)構(gòu)的尺寸、配筋及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定輔助措施。

纜機；軌道基礎(chǔ)；設(shè)計；結(jié)構(gòu)計算；白鶴灘水電站

1　工程概況

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第二個梯級電站，裝機容量1 600萬kW。其攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834.0 m，最大壩高289.0 m，壩頂中心線弧長714.90 m，壩頂寬14.0 m，拱冠梁底寬70.0 m，壩體最大拱端厚度86.7 m。大壩混凝土總量約892萬m3。

白鶴灘水電站工程大壩混凝土澆筑工程量大，年高峰強度241萬m3，月高峰澆筑強度25萬m3，澆筑強度居于國內(nèi)外類似工程前列，為了滿足大壩混凝土澆筑及金屬結(jié)構(gòu)安裝對工期和澆筑強度的要求，選擇纜機作為本工程主要的垂直運輸設(shè)備。

2　纜機布置方案

白鶴灘水電站纜機采用雙層平移式布置方案，共布置7臺30 t纜機。其中高層布置3臺纜機，主索跨度[1]約1 158 m，低層布置4臺纜機，主索跨度約1 088 m。

高、低層纜機的主車均布置在左岸，副車均布置在右岸，各纜機主車和副車可以在相應(yīng)的軌道上平行移動以覆蓋大壩的澆筑范圍，其中高層纜機（簡稱“高纜”）主索沿軌道長度方向的覆蓋長度約258 m，低層纜機（簡稱“低纜”）主索沿軌道長度方向的覆蓋長度約224 m。高纜主車采用75 m“A字型”高塔架（簡稱“A字架”），并配置平衡臺車以保持A字架穩(wěn)定，低纜主車采用30 m剛性高塔架，高纜副車和低纜副車均采用無塔架纜車。纜機布置三維展示圖見圖1，纜機布置參數(shù)見表1。

表1　纜機布置參數(shù)表Table 1 Parameters of the cable cranes

3　纜機軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型

3.1左岸纜機軌道基礎(chǔ)

左岸纜機軌道基礎(chǔ)的上游側(cè)為進水口開挖邊坡，下游側(cè)為開關(guān)站平臺。受工程樞紐布置、纜機跨度、地形地質(zhì)條件等限制，左岸纜機軌道基礎(chǔ)布置于覆蓋層深厚、沖溝發(fā)育的邊坡上，其中最大的沖溝為延吉溝。

左岸高纜平臺、低纜平臺及平衡臺車平臺均跨延吉溝布置，延吉溝上游覆蓋層深厚，最大深度約50 m，延吉溝下游覆蓋層較淺，以巖石出露為主。

左岸纜機軌道基礎(chǔ)從高到低分為三個部分，分別為平衡臺車平臺、左岸高纜A字架平臺、左岸低纜平臺。左岸纜機軌道基礎(chǔ)三維圖見圖2。

圖2　左岸纜機軌道基礎(chǔ)三維圖Fig.2 3D view of the track foundation for the cable cranes on left bank

3.1.1左岸平衡臺車平臺

（1）跨溝段：平衡臺車平臺在跨延吉溝部位采用墩墻結(jié)構(gòu)，該部位軌道梁長度為111.0 m，寬度為7.5 m，軌道梁單跨長度分為15.0 m和18.0 m兩種，均為簡支梁。軌道梁支承于墩墻頂部，墩墻墻厚2.5m，最高達23.0m，墻頂寬10.5m，靠山側(cè)坡比1∶1.0，靠江側(cè)坡比1∶0.3。

（2）地基梁段：延吉溝上、下游地基梁布置在深覆蓋層基礎(chǔ)上，采用（擴大）地基梁，延吉溝上游地基梁結(jié)構(gòu)長度109.7 m、下游地基梁結(jié)構(gòu)長度56.3m。

3.1.2左岸高纜平臺

（1）架空梁段：左岸高纜主塔采用A字架，3臺纜機同平臺、單臺纜機單條軌道布置，相鄰兩條軌道間距9.0 m。為與引水進水口、泄洪洞進水口開挖邊坡平順銜接，高纜軌道基礎(chǔ)在跨延吉溝段及其上游側(cè)部位均采用架空平臺，架空平臺長度為193.0 m，平臺寬度為20.0 m，軌道主梁單跨16.0 m，按兩跨連續(xù)梁布置，軌道梁頂面設(shè)0.3 m厚的平臺板形成整體平面。

架空平臺在3條軌道下布置軌道梁，軌道梁截面2.0 m×2.8 m（寬×高），軌道梁支承于剪力墻墻頂，在軌道梁分縫處，剪力墻墻頂設(shè)置抗剪墩，厚度與剪力墻相同，墩高1.5 m。

從延吉溝下游邊坡開始向上游屬于深覆蓋層區(qū)域，剪力墻下承臺根據(jù)邊坡開挖條件采用斜承臺，承臺厚2.5 m，每個承臺下布置3根樁，樁徑2.5 m，樁基均布置在軌道軸線上，樁基深入基巖3.5 m，樁深最深達32 m。

（2）地基梁段：左岸高纜平臺延吉溝下游地基梁長度約140.2 m，地基梁截面3.0 m×2.5 m（寬×高）。

3.1.3左岸低纜平臺

（1）架空梁段：左岸低纜主塔采用高塔架，4臺纜機同平臺同軌道布置，軌道間距18.5 m。為與引水進水口、泄洪洞進水口開挖邊坡平順銜接，低纜軌道基礎(chǔ)在跨延吉溝段及其上游側(cè)部位均采用架空平臺，架空平臺長度為166.3 m，平臺寬度為21.9m，軌道主梁單跨15.0 m，按兩跨連續(xù)梁布置，軌道梁頂面設(shè)0.3 m厚的平臺板形成整體平面。

前軌道梁截面2.5 m×3.5 m（寬×高），后軌道梁截面2.3 m×2.8 m（寬×高），中間架空主梁截面2.0 m× 2.8 m（寬×高），軌道梁支承于剪力墻墻頂，在軌道梁分縫處，剪力墻墻頂設(shè)置抗剪墩，厚度與剪力墻相同，墩高1.5 m。

從延吉溝下游邊坡開始向上游屬于深覆蓋層區(qū)域，剪力墻下承臺根據(jù)邊坡開挖條件采用斜承臺，承臺厚2.5 m，每個承臺下布置3根樁，樁徑2.5 m，樁基均布置在軌道軸線上，樁基深入基巖3.5 m，樁深最深達25.6 m。

（2）地基梁段：左岸高纜平臺延吉溝下游地基梁長度約77.8 m，地基梁截面2.5 m×2.5 m（寬×高）。

3.2右岸纜機軌道基礎(chǔ)選型

右岸纜機平臺布置無塔架副車，考慮副車寬度要求、行走安全距離等要求，纜機平臺最小寬度為10.0m，運行期纜機檢修主要在纜機平臺上、下游端的平臺上和平臺后緣邊坡局部擴挖形成的空間完成。

右岸纜機平臺布置在壩肩以上開挖邊坡的擴挖平臺上，右岸高、低纜機軌道基礎(chǔ)均采用地基梁，高纜地基梁長度約270 m，低纜地基梁長度約236 m。

4　荷載組合與工況分析

4.1荷載組合

作用在纜機軌道基礎(chǔ)上的荷載分為：恒載、纜機活荷載及其影響力、其他荷載等。恒載包括結(jié)構(gòu)物自重、土的自重及其引起的土側(cè)壓力、預(yù)施力；纜機活載及其影響力包括纜機輪壓、沖擊力、制動力；其他荷載包括人群荷載、風(fēng)荷載、混凝土收縮的影響力、溫度變化的影響力、支座摩阻力、檢修荷載。纜機軌道基礎(chǔ)建筑物為非永久性結(jié)構(gòu)，可不考慮地震力[2]。

根據(jù)白鶴灘水電站纜機軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性及受力邊界條件，作用在軌道基礎(chǔ)上的恒載主要為結(jié)構(gòu)物自重與錨索預(yù)施力，作用在軌道基礎(chǔ)上的活荷載主要為纜機活載及其影響力、人群荷載、風(fēng)荷載、檢修荷載。上述荷載中起控制作用的是纜機活載及其影響力，其數(shù)值取決于纜機機型、主索跨度、吊罐載荷、吊罐位置、作用于纜機上的風(fēng)荷載、動荷載等，單臺纜機各靜態(tài)工況下的輪壓由纜機設(shè)計制造廠商提供。

纜機在實際運行時，纜索及機械設(shè)備會在刮風(fēng)、起吊載荷等情況下出現(xiàn)振動和彈跳現(xiàn)象，需要考慮風(fēng)荷載作用引起的輪壓變化及振動引起的動荷載[3]。單臺纜機的實際輪壓值由各靜態(tài)工況下的輪壓、風(fēng)荷載引起的輪壓變化及動荷載組合得出。對于持久設(shè)計狀況，選用靜態(tài)輪壓、工作風(fēng)引起的輪壓及動荷載進行組合；對于短暫設(shè)計狀況，選用靜態(tài)輪壓與動荷載進行組合[4]。持久設(shè)計狀況指纜機正常運行時的工況，短暫設(shè)計狀況指纜機安裝、試驗階段的工況。

4.2工況分析

如果說荷載組合分析的主要目的是分析纜機輪壓的大小，工況分析的主要目的則是分析纜機輪壓分布的位置。由于本工程高纜布置有3臺纜機、低纜布置有4臺纜機，各纜機均可以在相應(yīng)的軌道上移動，纜機所處的位置不同，其輪壓對纜機軌道基礎(chǔ)的作用效應(yīng)亦不同。

為分析纜機軌道基礎(chǔ)各分段的穩(wěn)定性、軌道基礎(chǔ)的內(nèi)力，建立了包含地基、樁基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，模擬上部結(jié)構(gòu)與地基的協(xié)同作用，采用窮舉法求解纜機軌道基礎(chǔ)的最小穩(wěn)定安全系數(shù)和內(nèi)力包絡(luò)圖[5-6]。即對結(jié)構(gòu)上可能出現(xiàn)的纜機輪壓分布情況“全部”進行計算，通過提取各工況下各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的支座反力，計算比較得出結(jié)構(gòu)的最小穩(wěn)定安全系數(shù)及相應(yīng)的纜機分布位置（即纜機的最不利分布位置）；通過統(tǒng)計軌道基礎(chǔ)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件各剖面上的內(nèi)力最大值及最小值得出軌道基礎(chǔ)的內(nèi)力包絡(luò)圖。

5　纜機軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算

5.1結(jié)構(gòu)計算步驟

各個軌道基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)計算內(nèi)容均包括承載能力極限狀態(tài)計算和正常使用極限狀態(tài)計算兩部分。

承載能力極限狀態(tài)計算步驟為：（1）最不利荷載分布位置分析；（2）穩(wěn)定驗算、地基承載力驗算及預(yù)應(yīng)力錨索布置；（3）樁基承載力驗算及樁基配筋計算；（4）結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖計算及結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋。其中第（2）步需分試算和驗算兩小步，首先試算未布置預(yù)應(yīng)力錨索、不考慮地基協(xié)同作用情況下各基礎(chǔ)底面受力，并根據(jù)試算結(jié)果布置預(yù)應(yīng)力錨索，再根據(jù)試算出的預(yù)應(yīng)力錨索布置情況，完善計算模型并考慮地基的協(xié)同作用，重新驗算基礎(chǔ)受力。

正常使用極限狀態(tài)驗算步驟：（1）結(jié)構(gòu)變形包絡(luò)圖計算；（2）按變形控制標(biāo)準(zhǔn)驗算。

5.2結(jié)構(gòu)計算控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）穩(wěn)定驗算控制標(biāo)準(zhǔn)。覆蓋層段基礎(chǔ)采用抗剪安全系數(shù)法進行驗算，荷載基本組合時，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.30，荷載偶然組合時，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥1.05；基巖段基礎(chǔ)采用抗剪斷安全系數(shù)法進行抗滑穩(wěn)定驗算，荷載基本組合時，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥3.00，荷載偶然組合時，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)≥2.30[7]。

對于基礎(chǔ)抗傾穩(wěn)定安全評價，荷載基本組合時，基礎(chǔ)抗傾安全系數(shù)≥1.50，荷載偶然組合時，覆蓋層段基礎(chǔ)抗傾安全系數(shù)≥1.40，基巖段基礎(chǔ)抗傾安全系數(shù)≥1.30[7]。覆蓋層段基底合力偏心距應(yīng)滿足e≤0.125B，基巖段基底合力偏心距應(yīng)滿足e≤0.2B（B為基礎(chǔ)沿滑動力方向的長度[4]。

（2）水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)。參照公路、鐵路橋涵相關(guān)規(guī)范，柱頂水平向變位不超過5Lmm（L為相鄰柱間最小跨徑長度，以m計，跨徑小于25 m時按25 m計）[3]。

（3）其他安全系數(shù)按相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求執(zhí)行。

5.3結(jié)構(gòu)計算成果

通過承載能力極限狀態(tài)計算確定了左、右岸纜機軌道基礎(chǔ)錨索布置方案，復(fù)核了結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，確認(rèn)選定的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸能夠滿足結(jié)構(gòu)配筋需求，并通過計算得出各結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋量。對于水平向受力較大的平衡臺車軌道基礎(chǔ)、左岸低纜軌道基礎(chǔ)、右岸高纜和低纜軌道基礎(chǔ)，需采取預(yù)應(yīng)力錨固措施。

通過正常使用極限狀態(tài)計算，得出了平衡臺車軌道基礎(chǔ)、左岸高纜A字架軌道基礎(chǔ)及左岸低纜軌道基礎(chǔ)的變形包絡(luò)圖，最大水平位移值分別為21mm、15mm和24mm，均小于最大水平位移允許值。

6　結(jié)語

（1）白鶴灘水電站纜機是完成大壩混凝土澆筑任務(wù)的主要施工機械，其軌道基礎(chǔ)承受荷載大、活載重復(fù)作用次數(shù)多，左岸纜機軌道基礎(chǔ)跨沖溝布置，且部分建設(shè)于覆蓋層深厚的邊坡上，設(shè)計難度大。通過多次方案比較，在確保軌道基礎(chǔ)穩(wěn)定、安全的前提下，選取了節(jié)省投資、易于施工的結(jié)構(gòu)型式。

（2）根據(jù)不同的地形、地質(zhì)條件，纜機軌道基礎(chǔ)應(yīng)滿足強度、穩(wěn)定、變形控制等要求,其結(jié)構(gòu)按不同位置，分段采用適合地形地質(zhì)條件的基礎(chǔ)型式。對于豎向受力較大的左岸高纜A字架軌道基礎(chǔ)和左岸低纜軌道基礎(chǔ)，在覆蓋層段采用樁基礎(chǔ)；對于豎向受力相對較小的平衡臺車軌道基礎(chǔ)，在覆蓋層段采用擴大基礎(chǔ)。對于水平向受力較大的平衡臺車軌道基礎(chǔ)、左岸低纜軌道基礎(chǔ)、右岸高纜和低纜軌道基礎(chǔ)，采取預(yù)應(yīng)力錨固措施。

（3）通過建立三維有限元模型，模擬上部結(jié)構(gòu)與地基的協(xié)同作用，計算邊界條件與實際情況更吻合。采用窮舉法進行工況分析，求得纜機荷載的最不利分布位置、纜機軌道基礎(chǔ)的內(nèi)力包絡(luò)圖和變形包絡(luò)圖，使結(jié)構(gòu)計算成果與實際情況更接近。

[1]SL 375-2007,纜索起重機技術(shù)條件[S].

[2]康世榮,陳東山.水利水電工程施工組織設(shè)計手冊第五卷：結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國水利水電出版社,1997: 723-726.

[3]陳江，周紹紅，楊光亮，胡傳彬.小灣水電站纜機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].水力發(fā)電，2006,32(11):60-62.

[4]陳江.小灣水電工程纜機布置與基礎(chǔ)設(shè)計研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.

[5]袁駟，葉康生，林斯達.移動荷載下桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖的精確計算[J].工程力學(xué)，2007,24(增刊Ⅱ):129-134.

[6]林斯達.移動荷載作用下桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖的精確計算理論[D].北京:清華大學(xué)，2008.

[7]SL 379-2007,水工擋土墻設(shè)計規(guī)范[S].

作者郵箱：zhang_h8@ecidi.com

Title:Structural design of cable cranes foundations for Baihetan hydropower station

by ZHANG Hua, WU Zhi and WANG Yong-ming∕PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

The 7 sets of 30 t cable crane were taken to pour concrete for Baihetan hydropower dam. Double layer shift arrange was adopted,including 3 sets of cable crane on higher elevation with a span of 1 058 m,as well as 4 sets of cable crane on lower elevation with a span of 1 088 m.The cable cranes foundations located in the excavation slope.It was difficult to design,because of huge horizontal force, the complex terrain and geological conditions.According to topographic and geologic conditions,appro?priate structure type was selected for every segment of the track foundation of cable cranes.Using bruteforce method,possible operating conditions were analyzed and the most unfavorable position of every ca?ble crane,internal forces network diagrams and displacement envelope of the track foundation were ob?tained.Accordingly,the size of structure,reinforcement and complementary measures for structural sta?bility were determined.

cable cranes;track foundation;design;structure calculation;Baihetan hydropower station

TV51

B

1671-1092（2016）04-0016-04

2016-06-20

張華（1984-），男，江蘇南通人，注冊巖土工程師，碩士，主要從事施工組織設(shè)計工作。