周风华¹            熊  卫¹               陈秀菊²   

（1.小浪底设计处   2.河南黄河工程局）

摘要：近十多年来，岩壁吊车梁在国内地下厂房的设计中得到了广泛的应用，在回龙岩壁吊车梁的锚固设计中，我们采用了多种方法进行了计算，力求得到合理的设计，并从中得到了一些启示。

关键词：岩壁吊车梁   锚固设计   思考

1 基本情况

1.1     工程概况

    回龙抽水蓄能电站位于河南省南召县城北16km的岳庄村附近。它是为解决南阳地区的供电调峰问题而专设的调峰电站，装机规模2x60MW，安装两台单级可逆混流式水泵水轮机组。年发电量20032万KW·h，年抽水耗电量27120万KW·h，电站综合效率73.9%。主要建筑物包括上水库、下水库、引水发电系统和地下厂房等。主厂房与主变室采用“一”字形布置，主厂房与尾闸室采用平行布置。电站距负荷中心南阳市直线距离70Km,距云阳和遮山220KV变电站直线距离分别为28km和65km，距鸭河口火电站直线距离48km，具有良好的建设抽水蓄能电站的地理条件。

1.2岩壁吊车梁的发展现状

     近十多年来，岩壁吊车梁在国内地下厂房的设计中得到了广泛的应用，继鲁布革之后，东风、广蓄、太平驿、天荒坪、二滩、小浪底等电站的地下厂房均采用了这种结构形式。它有着“减小厂房下部开挖跨度，早安装，早利用，安全可靠。”等诸多优点。岩壁吊车梁的计算理论和方法也日趋完善，由早期的简化力矩平衡法、力矢多边形法，到近期提出的考虑岩壁座反力的力矩平衡法，岩壁梁的计算方法和合理假定已经得到进一步的发展。但如何找到一种既简单又符合实际受力形式的计算方法还在探索之中。在南阳回龙抽水蓄能电站主厂房岩壁吊车梁的设计中，我们采用了三种计算方法互相验证，并通过工程类比，力求得到更为合理的设计。

1.3工程地质条件

南阳回龙抽水蓄能电站地下厂房，位于F₂₅、L₁₄之间的新鲜完整岩体中，岩性为细粒花岗岩。厂房底到顶拱高程为433.20～466.25m，上覆岩体厚240m，根据岩性、构造和地下水的活动情况综合判定，地下厂房区洞室围岩属整体块状结构，为II类围岩。

岩体物理力学参数如下：

岩体抗剪断值：tgj=1.2（考虑到节理裂隙和开挖松弛的影响，计算时选用j=40^o），C=1.5Mpa,单轴饱和抗压强度100Mpa。

1.4     设计参数

    回龙主厂房选用一台125t/32t的桥机，吊车跨度15.5m，吊车最大轮压430KN，根据《水工混凝土结构设计规范》中牛腿的计算公式，考虑桥机布置，初步拟定岩壁梁尺寸1.35x1.75m，结构形式见图1：

 图1：岩壁吊车梁结构图

      荷载标准值：

每米所受轮压：P_K=492KN（根据水工混凝土规范方法计算）

吊车水平制动力：H_K=22.7KN

岩壁梁自重：G_K=46.08KN

轨道及附件重：1.5KN

2计算方法

2.1 力矢多边形法^[1]

  设计假定：

   ①不考虑混凝土与岩壁座粘结力；

   ②不考虑下部锚杆受压作用。计算简图如图2。

图2   力矢多边形法简图

根据力矢多边形法则，并假定n=L₁/L₂=F₁/F₂，得：

F=Pcos(α+j-γ)/sin(α+β+j)

F₂=F sin(β₁-β)/ sin(β₁-β₂)

F₁=nF ₂=n F sin(β₁-β)/ sin(β₁-β₂)

2.2力矩平衡法（一）

设计假定：

①不考虑岩壁座正压力；

②不考虑混凝土与岩壁座粘结力；

③不考虑下部锚杆的受压作用；

④上部两排锚杆承受的拉力与力臂成正比。

计算简图如图3。

图3    不考虑岩壁座反力的力矩平衡法简图

对O点取矩：

∑M=P·e_p+H·e_H+G_i·e_Gi=F₁·L₁+F₂·L₂

假定n=F₁/F₂=L₁/L₂

   则 F₁= L₁/（L₁²+ L₂²）·∑M

      F₂= L₂/（L₁²+ L₂²）·∑M

2.3 力矩平衡法（二）^[2]

设计假定：

①不考虑混凝土与岩壁座粘结力；

②不考虑下部锚杆的受压作用；

③不计直立岩壁对吊车梁的反力；

④上部两排锚杆承受的拉力与力臂成正比；

⑤岩壁座反力假定为三角形或矩形分布（计算时采用三角形）。

文献二经过论证，采用这种计算方法，锚杆受到的拉力与所选取的力矩作用点无关，符合静力平衡条件，而将力矩作用点取在岩壁座反力合力的作用点时，将使平衡方程得到简化，岩壁座反力三角形分布时，合力作用点为岩壁座下部1/3处。

 计算简图如图4。

图4   考虑岩壁座反力的力矩平衡法简图

平衡方程式为：

∑M=P·e_p+H·e_H+G_i·e_Gi=F₁·L₁+F₂·L₂

∑P_vicosα+∑P_hisinα-∑F_isin(α+β_i)-T_O=0

∑P_visinα-∑P_hicosα+∑F_icos(α+β_i)-N_O=0

n=F₁/F₂=L₁/L₂

联立求解上述平衡方程式，得：

F₁= L₁/（L₁²+ L₂²）·∑M    （或F₁= n F₂）

   F₂= L₂/（L₁²+ L₂²）·∑M

   T_O=∑P_vicosα+∑P_hisinα-F₁sin(α+β₁) –F₂sin(α+β₂)

 N_O=  ∑P_visinα-∑P_hicosα+F₁cos(α+β₁) +F₂cos(α+β₂)

各符号的意义：

P_vi：所有外力中的垂直分力。

P_hi：所有外力中的水平分力。

3计算结果

3.     1各种工况计算结果

不同方法、不同工况计算结果见表1。

 表1     不同方法、不同工况计算结果表      （单位：KN）

 （上表中：方法一为力矢多边形法；方法二为不考虑岩壁座反力的力矩平衡法；方法三为考虑岩壁座反力的力矩平衡法（反力为三角形，沿岩壁座斜面全断面分布）

3.2锚杆截面计算

    以第一排锚杆受力作为控制力：A_S=F₁/f_y

根据计算结果选取两排F32@0.7m锚杆。

不同计算方法的安全系数见表2。

表2           不同计算方法的安全系数表

3.3工程类比

根据围岩等级、岩性、承受荷载等与国内已建工程岩壁梁进行类比，见表3。

     表3                 工程类比

以上工程单位长轮压值均为用水工混凝土规范方法计算，具有可比性。所以回龙采用两排f32@0.7m锚杆是合理的。

4 关于岩壁吊车梁锚固计算的思考

4.1关于超挖处理

根据计算结果，超挖大于1000px时，安全余度较小，应采取如下方法加强：（1）超挖部分用相同标号的混凝土回填，并增加梁体配筋。（2）受力锚杆按需要加密。

4.2关于计算方法的讨论

（1）力矢多边形法

力矢多边形法的优点在于力与力之间关系明确，是单纯的几何关系，计算简单、方便。但它本身也有其不足之处。从前面的计算结果可以看出，在保证岩壁座成型（α为设计角度）的情况下，当边墙有不同程度的超挖时，力矢多边形法的计算结果变化很小，而另外两种方法计算结果则有较大变化，这是因为力矢多边形法只考虑了力的大小和方向，没有考虑离的作用点，也就是说不论桥机荷载作用在离边墙多远的位置，用力矢多边形法都将得出相同的结果（见图5），这是不符合实际的。

图5   竖向荷载作用位置示意图

根据悬臂梁的计算原理，当桥机荷载P离边墙越远，边墙处所受的弯矩越大，相应的锚杆所受拉力也应越大。计算结果中，边墙超挖500px时，锚杆拉力仅增大1.5KN左右，这一点点变化仅仅是由于超挖后，岩壁梁体积增大，从而重力增大的结果。

有些工程在计算中依然采用这种方法，是由于我们在设计中一般都采用了较大的安全系数（一般＞2）。而设计情况下，桥机荷载P到边墙的距离是在一个有限的范围内变化，并不象理论那样可以无限增大，甚至影响到安全的程度。

（2）不考虑岩壁座反力的力矩平衡法

这种方法的优点在于由一个力矩方程就可求出锚杆受力，计算简便。但从图3中可以看出：当选取的力矩作用点沿斜面向上时，桥机竖向荷载P的力臂增大，水平荷载H的力臂减小，但由于H远远小于P，总体上力矩M是增大的，同时，锚杆的力臂L将减小，根据F=M/L，可以看出，计算出的锚杆拉力F将增大，也就是说，对不同的年点取矩，得出的锚杆拉力不同，这是不符合静力平衡法则的，见表4。

  表4  不考虑岩壁座反力的力矩平衡法对不同点取矩计算结果（KN）

    虽然如此，在工程设计中还多采用这种方法对下排受压锚杆作用点取矩，一是因为它计算简单快捷，二是因为当岩壁梁发生倾覆破坏时，实际上是绕着下排受压锚杆作用点（或最低点）发生翻转、倾覆，而不可能沿着其它以上各点翻转。因此对下排受压锚杆作用点取矩是比较符合实际情况的。总之，按此法求得的锚杆拉力偏小。

（3）考虑岩壁座反力的力矩平衡法

这种方法的优点在于：它符合力矢平衡法则，无论对斜面上哪一点取矩，都能得出相同的结果，目前对岩壁梁锚固设计的研究也已经证实考虑岩壁座反力是比较合理的。方法三在计算中对岩壁座反力作用点取矩更使计算得到了简化。但岩壁座反力的大小、分布形式、分布范围，目前还没有一个明确的定论。而这些又是直接影响计算结果的因素，例如岩壁座反力矩形分布计算结果较三角形分布大，沿斜面全断面分布计算结果较部分断面分布小等，所以关于岩壁座反力的分布还值得进一步探讨。

总之，关于岩壁座反力的计算方法还在不断研究和探索之中。目前在设计中最好进行多种方法的比较计算，并通过工程类比来得到合理的设计。

 （本文在写作过程中得到王积军高级工程师的指导和帮助，在此表示诚挚的感谢。）

参考文献

1.王积军，岩壁吊车梁在小浪底地下厂房的应用，黄河规划设计，1992，1期

2.刘秀珍，关于岩壁吊车梁的锚固计算方法问题，水利水电技术，1998，4期

3.陆宗磐，岩壁吊车梁工程实例及若干问题探讨

4.《水利水电工程地下建筑物设计手册》，四川科学技术出版社，1993，成都