凤滩水电站新厂岩锚梁承载能力分析

徐华俊

摘要：岩锚悬臂吊车梁是水电站地下厂房的一种特殊结构形式，它通过注浆锚杆（或锚索）将钢筋混凝土梁固定在岩壁上，梁体承受的全部荷载通过锚杆（或锚索）和混凝土与岩台的接触面传递给围岩。地下洞室采用这种承重结构不仅可以缩小厂房跨度，有利于围岩稳定，而且可以提前安装临时桥吊和永久性桥吊，加快厂房下部岩体的开挖，方便混凝土的浇筑以及发电机组的安装，经济效益十分显著。

关键词：凤滩水电站；岩锚；梁承载能力；监测分析

中图分类号：TV315文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）24-0140-03岩锚梁施工是地下厂房土建工程核心部位最重要、最关键的技术。岩锚梁在20世纪20年代首先在挪威得到应用，中国自1986年在鲁布革水电站地下厂房中采用岩锚梁结构以来，至今已经有20多年的历史，并成功应用于多个水电工程。其优点表现为：减小主厂房跨度；提前安装施工临时桥吊，便于混凝土浇注；提前安装永久性桥吊；提前安装机组等。岩锚梁在地下厂房后期的爆破开挖施工引起的侧墙变形对其工作性态存在较大影响，常出现裂缝，且多为垂直于梁体长度方向的横向裂缝。

1地下厂房及岩锚梁裂缝情况简介

1.1地下厂房简介

凤滩水电站地处湖南西北部酉水下游沅陵、古丈、永顺三县交界的凤滩峡谷河段。水库控制流域面积17500km2，总库容17.4亿m3，正常高水位205m，坝顶高程211.5m，最大坝高112.5m，工程以发电为主，兼有防洪航运灌溉等综合效益。

地下厂房洞室群位于左岸山体中，地下厂房纵轴线为NE95°，主厂房机组间距23.5m，安装间长38.5m，布置在主机间东端，主厂房全长88.5m，主厂房岩锚梁以上宽24.8m，以下宽23.0m，拱顶高程152.5m，主变洞平行布置在主厂房下游侧，与主厂房之间岩壁厚度为32.0m，与主厂房有母线廊道、公用配电廊道、主变运输洞相通。

1.2岩锚梁裂缝状况

2008年12月，在上游侧岩锚梁共发现15条裂缝，下游侧岩锚梁共发现9条裂缝。用裂缝塞尺测量裂缝，上游侧最宽达0.4mm，下游侧最宽达1.2mm（6#裂缝）。因被内侧装修砌砖墙挡隔，无法全面检查岩锚梁砼与开挖面喷混的表面是否存在裂缝，也无法判断其是否具有贯穿性。从砌砖墙的5个维修门内没有发现附近有裂缝，目前在作进一步地检查。

2009年11月在进行岩锚梁裂缝施工拆除装饰板时，发现下游边墙的6#裂缝比以前外露部分要宽，并且发现其上岩壁有一条岩层错动缝隙，方向为与水平约成30°角且倾向西端墙（岩锚梁1-1断面），根据地质资料发现，此部位附近存在若干条夹层贯穿上下游围岩，尤以Pb6-6夹层最为接近6#缝和岩层错动缝，岩层错动缝走向大致与Pb6-6走向一致。示意图如图1所示：

图1

2针对岩锚梁裂缝采取的加固措施

在施工期间采取加固措施如下：

2.1加扶壁墙

为加强岩锚梁的承载能力，减小承载时锚杆应力，在主厂房主机段岩锚梁下部加扶壁墙。其中上游侧岩锚梁扶壁墙高6.8m，厚0.45m，采用Φ28L=9300间排距为1m的锚杆加固扶壁墙；下游侧岩锚梁扶壁墙高4.5m，厚0.45m，采用Φ28L=9300间排距为1m的锚杆加固扶壁墙。加固用锚杆向上倾斜10°。上下游扶壁墙沿厂房纵轴方向范围为CZ0-048.000～CZ0+020.000。扶壁墙砼强度等级：锚头部分为C35，其余墙体部分为C25。

2.2主厂房下游侧边墙处理

恢复原取消的下游侧拱脚及岩锚梁上方▽143.100m、下方▽136.00m共计三排2000kN级无黏结预应力锚索。在▽131.00m处，在主变洞长度范围内增加一排对穿的2000kN级无黏结预应力锚索。以增强主厂房下游边墙及与主变洞之间岩柱的稳定性。锚索锚头保护采用浇筑锚头砼墩，砼标号为C25。

施工完成后，为了进一步处理裂缝，对裂缝采用环氧化学灌浆处理：对于缝宽在0.2mm及以上的裂缝，采用电锤打斜孔化学灌浆处理；对于缝宽在0.2mm以内的裂缝，采取表面封闭灌浆处理，恢复混凝土粘结强度，并填充裂缝。

3岩锚梁承载试验

试验的目的是直接检测岩锚梁结构的实际工作状态，判断实际承载能力，评价其在各级试验荷载下的工作性能；通过检测试验验证岩锚梁裂缝处理效果，确定岩锚梁能否承受机组吊装荷载作用。

3.1岩锚梁混凝土强度测试

为了对岩锚梁混凝土质量进行评价，通过回弹法测试岩锚梁的强度，测试点布置在3#测试断面（CZ0-007）、5#测试断面（CZ0+032）、6#测试断面（CZ0-036.25），与应变计的布置断面一致。

通过测试可知，岩锚梁通过回弹法测试的混凝土强度推荐值为44.8MPa，岩锚梁表面设计采用C30钢纤维混凝土，回弹法测试成果表明混凝土强度满足设计要求。

3.2载荷试验

试验共布置5个加载断面，测试内容如下：（1）应变测试：在5#、3#、6#断面布置应变计，测试岩锚梁表面应变；（2）变形测试：在每个测试断面前5.9m布置挠度测点，测试岩锚梁的垂直变形；（3）岩锚梁锚杆应力计和测缝计测试：通过埋设在岩锚梁中监测仪器，测试试验过程中的锚杆应力及岩锚梁裂缝的变化。

3.3试验荷载

根据桥机试重方案确定最大荷载为530×1.1（583t），试验过程中实际最大荷载为590t。试验中采用钢锭进行配重，钢锭分10t、20t两个规格。

4岩锚梁承载能力分析

4.1应变测试结果分析

（1）5#断面（CZ0+029）布置有3块应变计，其中2块分别布置在上、下游岩锚梁体侧面，其最大荷载（590t）作用下的应变分别为5με、8με，为压应变；一块布置在下游岩锚梁顶面，荷载作用下最大应变为6με，为拉应变。

（2）3#断面（CZ0-007）布置有8块应变计，其中下游面布置有6块，其中岩锚梁顶面及侧面上部布置3块应变计（XY3-1、XY3-4、XY3-5），最大荷载（590t）作用下应变为6～11με，为拉应变；岩锚梁侧面下部3块应变计（XY3-3、XY3-6、XY3-7），最大荷载作用下应变为2～7με，均为压应变。上游面布置两块，最大荷载作用下的应变分别为7με、9με，为拉应变。

（3）6#断面（CZ0-036.25）布置4块应变计，其中两块应变计读数异常不予考虑（SY6-2、XY6-1）。上游侧岩锚梁侧面布置一块应变计，最大荷载（590t）下应变为5με，为压应变；下游侧岩锚梁顶面布置一块应变计，最大荷载下应变为8με，为拉应变。

应变测试结果表明：除XY3-1测点外，3个断面应变值均在10με以内，应变值较小，从应变图上可以看出其基本处于线性阶段，最大试验荷载作用下处于安全状态。岩锚梁体不同部位有不同应变值，岩锚梁体顶面及侧面的上部以拉应变为主，岩锚梁侧面下部以压应变为主。

4.2挠度测试结果分析

5#断面（CZ0+032）最大荷载（590t）作用下挠度为0.55mm，残余挠度为0.26mm；3#断面（CZ0-007）最大荷载作用下挠度为0.72mm，残余挠度0.38mm；2#断面（CZ0-023）最大荷载作用（530t）下挠度为0.53mm，残余挠度0.24mm；6#断面（CZ0-036.25）最大荷载作用下挠度为0.63mm，残余挠度0.32mm。

图26#断面（CZ0-036.25）应变测量成果图

图36#断面（CZ0-036.25）挠度测量成果图

图42#断面（CZ0-023）测缝计测量成果图

图56#断面（CZ0-036.25）加载下1#、2#断面测缝计测量成果图

挠度测试结果表明：各断面挠度值在1mm以内，残余挠度在0.4mm以内，有一定的残余变形，主要是由于预压不到位，结构存在一定的空隙压密所致。从挠度曲线图上可以看出，在试验荷载作用下挠度处于线弹性工作范围内。3#断面受6#裂缝影响，挠度、残余挠度均稍大于其它断面。

4.33#断面6#裂缝变形测试结果分析

通过跨6#裂缝布置应变计，换算得到最大裂缝变形为0.00675mm，变形极其微小，6#裂缝变形测试成果说明在荷载作用下裂缝受到的影响较小，其对岩锚梁体并没有产生大的破坏作用。

5结论

岩锚梁是地下厂房的关键结构。基于厂房开挖揭示的地质资料、监测成果和施工过程，以及岩锚梁承载能力试验资料，对岩锚梁裂缝产生、发展作了相关性分析，初步结论如下：（1）基于监测成果，推断岩锚梁裂缝形成的时间主要不在运行期间，而主要在地下厂房进行▽128以下开挖施工时前后时段。（2）因存在夹层及两条母线洞穿过厂房下游侧墙，裂缝段围岩的差异（不均匀）变形是6#裂缝产生的主要原因。（3）通过对岩锚梁在各级荷载作用下的表面应变、挠度、锚杆应力、测缝计数据的分析，在试验荷载作用下，各项实测数据都较小，岩锚梁整体应力变形处于弹性阶段，工作状态稳定。试验过程中6#裂缝变形量微小，说明其对岩锚梁的工作状态影响较小，试验荷载最高为590t，设计荷载为500t，设计荷载在试验荷载范围之内，说明岩锚梁满足设计要求，但在实际吊装过程中，要加强对监测数据的采集和分析。（4）通过各种内观仪器观测，表明岩锚梁加载与卸载过程处于弹性工作状态，岩锚梁运行是稳定的，其承载能力满足设计要求，厂房围岩岩体是安全的。