響水澗電站巖錨梁承載試驗(yàn)安全監(jiān)測(cè)成果分析

時(shí)二強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

巖錨梁橋機(jī)承載力試驗(yàn)是檢驗(yàn)橋機(jī)工作狀態(tài)及巖錨梁承載能力是否滿足設(shè)計(jì)條件及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求最直觀、最有效的方法。采用向橋機(jī)逐級(jí)加載的方式，將荷載傳遞給巖錨梁混凝土，并通過(guò)巖臺(tái)、拉壓錨桿等巖錨梁結(jié)構(gòu)支撐體系傳遞至周邊巖體。利用設(shè)置在巖錨梁混凝土內(nèi)部及其支撐體系中的監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)其承載受力狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)、全面的監(jiān)測(cè)和分析，檢驗(yàn)巖錨梁結(jié)構(gòu)體在額定荷載及有限超載情況下各結(jié)構(gòu)部件的安全狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)構(gòu)思和構(gòu)造設(shè)置的正確性及合理性。

1 概 述

響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市境內(nèi)，地下廠房發(fā)電機(jī)組安裝及運(yùn)行期檢修維護(hù)吊裝工作由布置在主廠房?jī)?nèi)的兩臺(tái)型號(hào)為QD250/50t/10t-23.5A3的室內(nèi)、雙梁、單小車電動(dòng)橋式起重機(jī)(簡(jiǎn)稱橋機(jī))完成。橋機(jī)軌道布置在地下主廠房上、下游邊墻所設(shè)置的巖錨梁上。橋機(jī)在工作過(guò)程中，通過(guò)自身結(jié)構(gòu)將荷載傳遞給巖錨梁，再由巖錨梁結(jié)構(gòu)將荷載傳遞至周邊圍巖，以達(dá)到橋機(jī)承載要求。為保證巖錨梁的安全運(yùn)行，結(jié)合橋機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了巖錨梁承載試驗(yàn)，對(duì)巖錨梁結(jié)構(gòu)在各種負(fù)荷工況的運(yùn)行情況進(jìn)行全面檢測(cè)和分析。

2 工程條件

2.1 工程地質(zhì)

2.1.1地質(zhì)巖性

2.1.2 巖石物理力學(xué)指標(biāo)

室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表明：微風(fēng)化—新鮮花崗巖的干、濕重度基本接近，其干重度為24.79kN/m3、濕重度為25.06kN/m3，干、濕抗壓強(qiáng)度分別為116.0MPa、100.0MPa，彈性模量(E50)為56.5GPa；而閃長(zhǎng)玢巖的干、濕重度相對(duì)略高，其干重度為25.41kN/m3、濕重度為26.15kN/m3，干、濕抗壓強(qiáng)度分別為88.0MPa、36.0MPa，彈性模量(E50)為25.8GPa。

巖體地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示：三維應(yīng)力最大主應(yīng)力值平均為9.79MPa，中間主應(yīng)力值平均為6.24MPa，最小主應(yīng)力值平均為3.86MPa。工程區(qū)的水平應(yīng)力值大于垂直應(yīng)力值，其地應(yīng)力系數(shù)λ=2.12～2.78。主應(yīng)力方向與所在區(qū)域NEE向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力方向相近，反映工程區(qū)地應(yīng)力仍以構(gòu)造應(yīng)力為主的總體趨勢(shì)。

2.2 巖錨梁結(jié)構(gòu)及錨桿布置

巖錨梁分別沿廠房上、下游邊墻在廠左0+138.500～廠右0+018.500范圍內(nèi)布置，全長(zhǎng)157m。巖錨梁混凝土頂部高程-25.700m，梁底高程為-28.250m，壁座角27.5°，梁體下部?jī)A角為30.3°。巖錨梁巖臺(tái)區(qū)域在巖壁上部布置兩排懸吊錨桿，傾角分別為25°、20°，直徑為36mm，入巖長(zhǎng)度8.7m，間距75cm，梅花形布置；巖臺(tái)下拐點(diǎn)部位布置一排受壓錨桿，直徑為32mm，入巖長(zhǎng)度4.5m，傾角為30.3°。監(jiān)測(cè)錨桿安裝角度、位置、入巖深度及梁內(nèi)長(zhǎng)度與其相同。

2.3 巖錨梁及周邊圍巖監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

巖錨梁結(jié)構(gòu)及周邊圍巖主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有梁底巖臺(tái)處壓應(yīng)力、梁與巖壁間界面開合度、梁內(nèi)縱向分布和環(huán)向主鋼筋應(yīng)力、巖錨梁拉壓錨桿應(yīng)力及周邊圍巖內(nèi)部位移及錨桿應(yīng)力等。

3 試驗(yàn)工況及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

本試驗(yàn)采用單臺(tái)橋機(jī)(單臺(tái)橋機(jī)額定起重量為250t)起吊配重塊逐級(jí)加載的方式，分別在設(shè)計(jì)指定位置進(jìn)行巖錨梁靜荷及動(dòng)荷承載試驗(yàn)。其中，最大試驗(yàn)荷載：靜載為312.5t(125%)、動(dòng)載為275t(110%)，具體荷載試驗(yàn)工況和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下。

3.1 主要試驗(yàn)工況

3.1.1 靜荷載試驗(yàn)

靜荷試驗(yàn)在安裝場(chǎng)內(nèi)(廠左0+113.25)按照分級(jí)加載方式完成。分級(jí)加載順序?yàn)椋?→50% (125t)→80% (200t) → 100% (250t)→125% (312.5t)。試驗(yàn)方法為：當(dāng)荷載為0和100% (250t)時(shí)，小車持荷沿橋機(jī)自身軌道上、下游往返行走3次，并分別在小車上游極限位置、下游極限位置和跨中處懸停10min；當(dāng)荷載為50%(125t)、80%(200t)、125%(312.5t)時(shí)，小車只在橋機(jī)主梁跨中起吊荷載。

3.1.2 動(dòng)荷載試驗(yàn)

由于巖錨梁地質(zhì)條件及調(diào)動(dòng)方式不同，為能夠準(zhǔn)確收集動(dòng)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，較全面地反映巖錨梁的實(shí)際工作狀態(tài)，動(dòng)荷載試驗(yàn)選擇在3個(gè)斷面分別完成設(shè)定的荷載工況。分級(jí)加載順序?yàn)椋?00%(250t)→110%(275t)→50%(125t)→80%(200t)→100%(250t)→110%(275t)。每級(jí)加載時(shí)，按照下述方法進(jìn)行試驗(yàn)：

a.橋機(jī)停在試驗(yàn)斷面A-A(安裝場(chǎng))，小車位于跨中，分別起吊100%和110%荷載，并反復(fù)運(yùn)行起升及小車行走機(jī)構(gòu)，以確定各部件工況良好。小車往返行走過(guò)程中，分別在上游極限位置、下游極限位置和跨中懸停10min。

b.試驗(yàn)斷面A-A試驗(yàn)項(xiàng)目完成后，依次完成50%、80%、100%和110%的動(dòng)載試驗(yàn)。橋機(jī)運(yùn)行方式為：首先，橋機(jī)在安裝場(chǎng)起吊試驗(yàn)荷載，并將小車運(yùn)行至上游極限位置；然后，橋機(jī)從安裝場(chǎng)行走至廠右0+018.5處停止，并將小車運(yùn)行至下游極限位置；最后，橋機(jī)在小車位于下游極限位置情況下返回安裝場(chǎng)。巖錨梁試驗(yàn)監(jiān)測(cè)斷面見圖1，各試驗(yàn)斷面對(duì)應(yīng)位置及荷載工況統(tǒng)計(jì)見表1。

圖1 巖錨梁試驗(yàn)監(jiān)測(cè)斷面

表1 動(dòng)荷載試驗(yàn)斷面對(duì)應(yīng)位置及荷載工況統(tǒng)計(jì)

3.2 巖錨梁應(yīng)力、位移警戒值

3.2.1 試驗(yàn)荷載大于等于額定荷載

大于等于100%總額定荷載時(shí)，正常錨桿最大應(yīng)力增值應(yīng)小于50MPa，相應(yīng)巖錨梁與巖壁之間的最大縫隙增值應(yīng)小于0.5mm，緊鄰巖錨梁上下排多點(diǎn)位移計(jì)的最大位移增值應(yīng)小于0.5mm。

3.2.2 試驗(yàn)荷載等于80%額定荷載

80%總額定荷載時(shí)，正常錨桿最大應(yīng)力增值應(yīng)小于30MPa，相應(yīng)巖錨梁與巖壁之間的最大縫隙增值應(yīng)小于0.3mm，緊鄰巖錨梁上下排多點(diǎn)位移計(jì)的最大位移增值應(yīng)小于0.4mm。

3.2.3 試驗(yàn)荷載小于80%額定荷載

小于80%總額定荷載時(shí)，巖錨梁上的錨桿應(yīng)力值、相應(yīng)巖錨梁與巖壁之間的最大縫隙、緊鄰巖錨梁上下排多點(diǎn)位移計(jì)的最大位移增值控制要求與80%總額定荷載試驗(yàn)時(shí)相同。

4 監(jiān)測(cè)儀器布置和監(jiān)測(cè)方法

4.1 監(jiān)測(cè)儀器布置

在橋機(jī)承載試驗(yàn)過(guò)程中，為能夠較多地獲取巖錨梁工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和對(duì)周邊圍巖的影響能力數(shù)據(jù)，為后續(xù)巖錨梁安全工作狀態(tài)分析提供充足依據(jù)，選取巖錨梁設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)斷面所有監(jiān)測(cè)儀器及緊鄰巖錨梁位置上下各一層圍巖監(jiān)測(cè)儀器參與試驗(yàn)分析。

4.1.1 巖錨梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

巖錨梁上、下游各設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，且上、下游斷面同樁號(hào)布置。每個(gè)斷面監(jiān)測(cè)項(xiàng)目由拉錨桿(2根)和壓錨桿(1根)應(yīng)力、巖臺(tái)(粱底)壓應(yīng)力、縱橫向鋼筋應(yīng)力、側(cè)巖壁與梁體界面開合度組成，且所有儀器均同斷面埋設(shè)。巖錨梁安裝監(jiān)測(cè)儀器共計(jì)96支。巖錨梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和儀器見表2，巖錨梁監(jiān)測(cè)儀器布置斷面見圖2。

表2 巖錨梁監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和儀器 單位：支

圖2 巖錨梁監(jiān)測(cè)儀器布置斷面

4.1.2 圍巖監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

圍巖監(jiān)測(cè)范圍選定在靠近巖錨梁頂部和底部的同斷面圍巖監(jiān)測(cè)儀器范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有圍巖位移和錨桿應(yīng)力。其中，4點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)12套、3點(diǎn)式錨桿應(yīng)力計(jì)17套。

4.2 監(jiān)測(cè)方法

為確保試驗(yàn)過(guò)程中能夠順利、及時(shí)、全面地獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)前將每個(gè)斷面監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行編排接入集線箱，設(shè)置臨時(shí)測(cè)站，進(jìn)行人工快速測(cè)讀。

為能夠快速鑒別數(shù)據(jù)是否超標(biāo)，在試驗(yàn)前將各支監(jiān)測(cè)儀器增長(zhǎng)警戒值換算為對(duì)應(yīng)的模數(shù)變化值，填入數(shù)據(jù)記錄表對(duì)應(yīng)位置，以便試驗(yàn)過(guò)程中能夠第一時(shí)間判斷安全狀態(tài)，建立迅速動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制。

5 巖錨梁監(jiān)測(cè)成果及分析

試驗(yàn)涉及監(jiān)測(cè)儀器195支，采集到的數(shù)據(jù)量大。為了方便比較和分析，選擇每支儀器最不利負(fù)荷工況(即荷載距離儀器最近的工況)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取試驗(yàn)特征值(即峰值)。儀器監(jiān)測(cè)成果值采用凈增量值，即以試驗(yàn)開始時(shí)的觀測(cè)值作為基準(zhǔn)值(零值)，試驗(yàn)加載過(guò)程中測(cè)值相對(duì)于基準(zhǔn)值的凈增量作為成果值。

5.1 錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為能夠全面對(duì)比分析靜、動(dòng)載荷過(guò)程對(duì)巖錨梁安全運(yùn)行狀態(tài)的影響，較好地展示實(shí)際受力狀態(tài)，現(xiàn)以安裝間下游側(cè)巖錨梁3-3監(jiān)測(cè)斷面3套錨桿應(yīng)力計(jì)(2點(diǎn)式壓錨桿R3-1，3點(diǎn)式拉錨桿下排R3-2 、上排R3-3，依序自下而上布置)為例，對(duì)錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析。巖錨梁錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果見表3。

表3 巖錨梁錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果 單位：MPa

由表3可見，巖錨梁逐級(jí)加載過(guò)程中，錨桿應(yīng)力值隨荷載量增加而相應(yīng)增大，大值均發(fā)生在距離巖壁最近的測(cè)點(diǎn)，且隨測(cè)點(diǎn)深度的增加明顯減小，符合普遍規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)束后，卸荷應(yīng)力值普遍保持在一定范圍內(nèi)，未立即恢復(fù)至試驗(yàn)開始時(shí)的初始值，表明應(yīng)力釋放是一個(gè)緩慢的過(guò)程，不能瞬間釋放，與其他工程試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)一致。

兩排拉錨桿靜荷載應(yīng)力增長(zhǎng)值表現(xiàn)為，同深度測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增長(zhǎng)值上排大于下排，且距離巖壁最近測(cè)點(diǎn)尤為明顯。R3-2(下排)、R3-3(上排)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力凈增量對(duì)比曲線見圖3。

圖3 錨桿應(yīng)力計(jì)R3-2、R3-3各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力凈增量對(duì)比曲線

其他部位監(jiān)測(cè)錨桿應(yīng)力值凈增量隨荷載的增加也有明顯增加，由于個(gè)別工況下動(dòng)載停車位置不同，造成應(yīng)力增量與荷載的規(guī)律性不明顯，但應(yīng)力凈增量都小于標(biāo)準(zhǔn)警戒值。

綜合所有監(jiān)測(cè)錨桿應(yīng)力值成果，當(dāng)載荷加到80%總額定荷載時(shí)，正常錨桿應(yīng)力凈增量最大值為4.38MPa，錨桿最大應(yīng)力凈增量遠(yuǎn)小于30MPa警戒值；當(dāng)載荷至125%額定荷載，重達(dá)275t時(shí)，錨桿應(yīng)力凈增量最大值為8.01MPa，小于正常錨桿應(yīng)力凈增量控制值50MPa標(biāo)準(zhǔn)要求，表明巖錨梁工作安全余度很大。

5.2 鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)

鋼筋應(yīng)力與荷載關(guān)系曲線見圖4。由觀測(cè)成果可以看出：在逐級(jí)加載過(guò)程中，鋼筋應(yīng)力值隨荷載量增加而相應(yīng)增大，且鋼筋應(yīng)力值與荷載關(guān)系曲線大致呈線性。當(dāng)載荷達(dá)到110%額定荷載時(shí)，鋼筋最大應(yīng)力凈增量為6.47 MPa，遠(yuǎn)小于同工況(參照)錨桿應(yīng)力規(guī)定值50MPa，反映出巖錨梁設(shè)計(jì)配筋滿足運(yùn)行需要。

圖4 巖錨梁鋼筋應(yīng)力與荷載關(guān)系曲線

5.3 巖錨梁與巖壁間開合度監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)巖壁與混凝土梁間接觸狀態(tài)，在巖錨梁澆筑時(shí)在巖錨梁與巖壁之間安裝12只差阻式測(cè)縫計(jì)(簡(jiǎn)稱界面測(cè)縫計(jì))，每?jī)芍б唤M垂直布置在巖錨梁設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)斷面位置。

從界面測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)成果看，巖錨梁與巖壁間縫面的開合度(凈增量)在所有試驗(yàn)工況下，普遍小于0.02mm，且均未超過(guò)巖錨梁與巖壁之間最大縫隙增值0.3mm、0.5mm的警戒標(biāo)準(zhǔn)值。此監(jiān)測(cè)成果表明，混凝土梁與巖壁間結(jié)合面接觸良好，巖錨梁工作狀態(tài)正常。

5.4 巖臺(tái)壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)埋設(shè)在安裝場(chǎng)巖錨梁設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)斷面的4支壓應(yīng)力計(jì)(上、下游監(jiān)測(cè)斷面各2支，在巖臺(tái)部位上下布置)進(jìn)行全工況試驗(yàn)，對(duì)巖錨梁底部巖臺(tái)在不同工況下壓應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。壓應(yīng)力凈增量監(jiān)測(cè)成果見表4。

表4 壓應(yīng)力凈增量監(jiān)測(cè)成果 單位：MPa

從表4可以看出，橋機(jī)荷載作用對(duì)粱底巖臺(tái)沒(méi)有產(chǎn)生影響。由此推斷，巖錨梁作為剛性梁結(jié)構(gòu)在外界作用力下，其主要受力載體為混凝土梁及懸吊錨桿(拉錨桿)結(jié)構(gòu)。

5.5 圍巖內(nèi)部位移與錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為了解巖錨梁使用時(shí)對(duì)其周邊圍巖穩(wěn)定性的影響，在巖錨梁承載試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)巖錨梁周邊圍巖監(jiān)測(cè)儀器多點(diǎn)位移計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)進(jìn)行同期測(cè)讀。

由圍巖多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)成果可知，廠房圍巖變形增量很小，且較大值均發(fā)生在巖錨梁下部。其中，最大值為0.05mm，發(fā)生在下游邊墻1號(hào)、3號(hào)母線洞頂部(巖錨梁下部)附近的多點(diǎn)位移計(jì)Mcf1-6、Mcf2-6處，其他部位圍巖受巖錨梁橋機(jī)承載試驗(yàn)影響不明顯。此結(jié)果表明，在橋機(jī)荷載作用下，巖錨梁附近圍巖變形主要受高邊墻復(fù)雜交叉洞室影響，該值小于巖錨梁附近圍巖變形增量小于0.4mm的標(biāo)準(zhǔn)，表明巖錨梁周圍巖體穩(wěn)定。巖錨梁附近圍巖變形監(jiān)測(cè)成果較大值見表5。

由圍巖錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)成果可知，在巖錨梁橋機(jī)荷載作用下，廠房圍巖錨桿應(yīng)力變化不明顯，且拉、壓應(yīng)力均有存在，最大拉應(yīng)力為2.21MPa、最大壓應(yīng)力為

表5 巖錨梁附近圍巖監(jiān)測(cè)成果較大值 單位：mm

3.42MPa，滿足正常錨桿最大應(yīng)力增值應(yīng)小于30MPa的標(biāo)準(zhǔn)。巖錨梁附近圍巖錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果見表6。

表6 巖錨梁附近圍巖錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果 單位：MPa

分析認(rèn)為，在橋機(jī)荷載作用于巖錨梁過(guò)程中，廠房圍巖變形、錨桿應(yīng)力變化均不明顯，說(shuō)明橋機(jī)荷載未對(duì)周圍巖體產(chǎn)生較不利影響。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)橋機(jī)各種載荷工況作用下所獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)、全面的分析可知：

a.巖錨梁在承受各級(jí)試驗(yàn)荷載工況下，其內(nèi)部及周邊圍巖監(jiān)測(cè)儀器變化量值均滿足最小設(shè)計(jì)警戒標(biāo)準(zhǔn)值要求。即：當(dāng)試驗(yàn)荷載等于80%總額定荷載時(shí)，正常錨桿最大應(yīng)力增值應(yīng)小于30MPa，相應(yīng)巖錨梁與巖壁之間的最大縫隙增值應(yīng)小于0.3mm，緊鄰巖錨梁上下排多點(diǎn)位移計(jì)的最大位移增值應(yīng)小于0.4mm。

b.監(jiān)測(cè)成果表明，巖錨梁橋機(jī)承載試驗(yàn)過(guò)程中所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計(jì)安全裕度充足。

c.巖錨梁橋機(jī)承載力試驗(yàn)驗(yàn)證了巖錨梁在各種工況下均可處于安全工作狀態(tài)，且在超載情況下應(yīng)力應(yīng)變、位移等設(shè)計(jì)指標(biāo)仍有較高裕度。

d.驗(yàn)證了設(shè)計(jì)假定和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

e.證明了巖錨梁施工質(zhì)量的可靠性。