某水电站地下厂房岩壁梁设计

朱 红

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概况

某水电站为一引水式电站，工程以发电为主。 电站设计装机容量为20MW，年均发电量5529万kW·h。

地下厂房厂址区基岩为寒武系中上统娄山关群（∈2-3ls1）浅灰、灰白色厚～巨厚层状粗晶至致密白云岩为主，夹少量灰质白云岩，岩性致密坚硬，基岩表层局部呈强风化状，厚（0.5～3）m,弱风化下限埋深（12～22）m 岩体完整性较好，力学强度高，单轴饱和抗压强度（41～58）MPa，属中等坚硬岩类。

2 吊车梁形式选择

该水电站厂房上、下游侧边墙围岩较坚硬、完整，整体性好。 在厂房桥机吊车梁的结构型式选择时，为减少主厂房的开挖跨度，使吊车梁能够在先期投入使用，以加快机组的安装进度，选择无柱式吊车梁中的岩锚式和岩台式两种型式进行对比。 岩台式吊车梁受荷全部由岩台承担，因此要求开挖部位的岩石完整，对开挖爆破控制的要求严格，岩台部位的岩石在开挖后处于应力集中、松弛回弹区，较难成型及达到设计要求，而岩锚式由于其吊车梁与围岩之间选用较合理的岩壁角，岩面和锚杆共同承担吊车梁的荷载，较大的改善了岩台式中岩台难于成型的缺点，对岩石完整性的要求相对较低。 综上所述，该水电站吊车梁选用岩锚式吊车梁。

3 设计的基本原则

岩壁吊车梁是利用围岩的承载能力，采用长锚杆将钢筋混凝土梁体锚固在地下厂房的两侧的稳定岩石上，吊车荷载通过钢筋混凝土吊车梁传递到岩壁，吊车梁主要由锚杆的拉力和混凝土与岩石接触面的摩擦力来共同支撑。

岩壁吊车梁的设计大体分为：梁体的结构计算、锚杆及岩壁角的选择等。 对于大型、复杂地质条件、高应力区、高地震区地下厂房工程的岩壁梁设计宜进行有限元计算，本电站属于中小型工程，且地质条件等相对简单，因此采用概率理论为基础的极限状态设计方法来进行计算。 按极限平衡分析时不考虑岩石应力的影响。假定岩锚吊车梁梁体为刚体，不计混凝土与岩壁之间的凝聚力，只考虑斜面上正应力引起的摩擦力。梁上部的锚杆是主要受力锚杆，承受轴向拉力，而下部锚杆只起加固岩壁的作用，在计算时不予考虑。

4 截面尺寸及吊车基本参数

4.1 截面尺寸确定

该水电站岩壁吊车梁的截面尺寸通过计算分析比较，并参考了类似工程，最终确定：

（1）岩壁吊车梁的顶面宽度B取1 400 mm，其中，轨道中心线至岩壁吊车梁外边缘的水平距离取350 mm。

（2）岩壁角应综合考虑岩层、主要地质构造及节理裂隙的影响，以及岩壁梁截面尺寸，锚杆的布置和受力等因素确定，一般为20°～40°，该电站考虑到围堰较好，设计取45°。

（3）岩壁吊车梁梁体底面倾角：一般取30°～45°，本次设计取35°。

（4）岩壁吊车梁的截面高度取1 500 mm，其中，岩壁吊车梁外边缘高度取1 010 mm。

（5）锚杆的倾角选择。锚杆的倾角越小，锚杆的受力越小，但对抗滑稳定不利；倾角越大，锚杆受力越大，但锚杆上覆盖岩层越薄，不利于锚杆的安全耐久使用，本次设计α1为25°，α2为20°。

4.2 吊车基本参数

最大竖向轮压402 kN；吊车单侧轮数2个；吊车跨度12 m。 大车重5.005 t，小车重15.65 t，桥架重14.129 t。

5 岩壁梁结构设计

5.1 荷载计算

岩壁吊车梁承受的荷载包括桥机的竖向轮压、横向水平荷载、岩壁吊车梁自重（含二期混凝土自重）、轨道及附件重力和梁上防潮隔墙重力。 岩壁吊车梁的受力锚杆还承受释放应力。

5.2 荷载组合

岩壁吊车梁结构设计应考虑三种设计状况：持久状况、短暂状况、偶然状况。 三种设计状况均应按承载能力极限状态进行计算。 见表1和表2。

表1 岩壁吊车梁的作用（荷载）效应组合表

表2 岩壁吊车梁的作用（荷载）效应组合计算结果

5.3 结构设计

5.3.1 单位梁长岩壁吊车梁受拉锚杆截面面积计算

式中 γ0——结构重要性系数，对于结构安全级别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的吊车梁可以分别取1.1、1.0、0.9；

ψ——设计状况系数对应于持久、短暂、偶然分别取1.0、0.95、0.85；

γd——岩壁吊车梁受拉锚杆承载力计算的结构系数，考虑锚杆释放应力影响，不小于1.65。

M——吊车梁单位长度上所有荷载对受压锚杆与岩壁斜面交点的力矩和，见表3。

fy——受拉锚杆抗拉强度设计值；

As1、As2——第一、二排受拉锚杆单位梁长的计算截面面积；

Lt1、Lt2——第一、二排受拉锚杆到受压锚杆与岩壁斜面交点的力臂。

表3 各种状况下的弯矩计算结果表

该水电站经过各种工况的计算，并参考类似工程，采用双排受拉锚筋，第一排钢筋选用直径25 锚筋，间距1 m，倾角25°；第二排选用直径25 锚筋，间距1 m，倾角20°；第一排与第二排的间距取700 mm。

受压锚杆主要起加固围岩的作用，根据已建工程的经验并结合本工程洞室喷锚支护的系统锚杆来考虑，采用直径25 锚杆，间距2 m，入岩深度5.0 m。

5.3.2 岩壁吊车梁与岩壁结合面的抗滑稳定验算

式中 S（.）——沿岩壁斜面上的下滑力；

R（.）——沿岩壁斜面上的阻滑力；

Fv——单位梁长竖向轮压设计值；

Fh——单位梁长横向水平荷载设计值；

G——单位梁长岩壁吊车梁自重（含二期混凝土）设计值；

W——单位梁长上轨道及附件重力和梁上防潮隔墙重力设计值；

β——岩壁角；

ai——第i 排受拉锚杆的倾角；

A——单位梁长岩壁斜面的面积；

A’si——第i 排受拉锚杆单位梁长的实配截面面积；

fk’——岩壁斜面上抗剪断摩擦系数标准值；

r’f——抗剪断摩擦系数的分项系数；

c’k——岩壁斜面上，抗剪断粘接力标准值；

r’c——抗剪断粘接力的分项系数；

rd——抗滑稳定结构系数，不小于1.2。

表4为岩壁吊车梁与岩壁结合面的抗滑稳定验算表。

通过表4 可以看出，该电站岩壁梁与岩壁结合面的抗滑稳定计算在各种设计状况下均满足设计要求。

表4 岩壁吊车梁与岩壁结合面的抗滑稳定验算表

5.3.3 锚杆在稳定岩体内的锚固长度计算

锚杆在稳定岩体内锚固长度应符合下列规定

式中 La——受拉锚杆在稳定岩体内的锚固段长度；

rd——结构系数，不小于1.35；

rb——粘接强度的材料性能分项系数；

fy——受拉锚杆抗拉强度设计值；

frb,k——胶结材料与孔壁的粘接强度标准值，当缺乏资料时，取0.8；

fb,k——胶结材料与钢筋的粘接强度标准值，当缺乏资料时，取2.0；

d——锚杆直径；

D——锚杆孔直径；

As——单根受拉锚杆的截面面积；

r0——结构重要性系数。

经过各种效应组合的计算，并参考类似工程，该水电站受拉锚杆长度取9 m。

附图为锚杆锚固长度计算示意图。

附图 锚杆锚固长度示意图

5.4 配筋计算

岩壁吊车梁的断面较大，吊车梁自身的刚度远大于锚杆的刚度，吊车梁内部应力很小，在混凝土的抗拉、抗压强度设计范围之内，配筋计算比较简单，受力钢筋断面面积按照牛腿公式计算，这里不再详述。

6 结语

（1）经计算，该电站地下厂房岩壁梁宽度B为1 400 mm，高度为1 500 mm，岩壁角为45°；岩壁吊车梁梁体底面倾角35°；受拉锚杆选用2 排Φ25@1 000，L=9 m 的锚杆，梅花形布置，上下两排间距取700 mm，经复核，岩壁梁与岩壁结合面的抗滑稳定满足要求。

（2）岩壁角的选择。 当岩壁角为0°时，锚杆处于纯剪状态，由于锚杆的抗剪强度不高，结构承载能力有限，只适用于吊车荷载较小的情况；当岩壁角为90°时，为岩台式吊车梁，锚杆基本不受力，荷载全部由岩台承担，对围岩的承载能力要求很高，厂房顶拱的跨度也要加大，对厂房下部边墙围岩稳定不利，并且施工成型难度也较大，在设计中需综合考虑各方面的因素进行选取。

（3）锚杆设计。岩壁吊车梁锚杆间距过密时，受“群锚效应”的影响，锚杆承载能力将降低，锚固段被拉破坏的可能性增大；锚杆应力集中在头部（1～2）m范围内，当出现过应力现象时，砂浆容易开裂，此时若有地下水，锚杆就会腐蚀，严重时可能失效，因此在设计中安全余度不宜太小。

（4）岩壁吊车梁的理论分析和设计方法还不是很完善，主要受地质条件及爆破等不确定性因素的影响，所采用的设计理论不能确切的反应岩锚吊车梁的实际受力状态，更多的是根据经验和工程类比的方法进行，因此，本文对中小型地下厂房岩壁梁的设计方法，处理及设计类似工程可提供指导和参考。

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