锦屏一级水电站高位危岩体高空脚手架方案浅析

2023-01-04

1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内的雅砻江干流上, 是雅砻江干流下游河段的控制性水库梯级电站。

锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝坝顶高程1885m, 建基面高程1580m, 最大坝高305m, 正常蓄水位1880m, 死水位1800m, 拱冠梁顶厚16m, 顶拱中心线弧长552.23m。锦屏一级泄洪雾化区左、右岸高位危岩体多为高陡边坡, 危岩体最大高度150余米, 多为80度近垂直边坡, 由于岩面局部存在凸起倒悬岩体, 施工难度非常之大, 安全风险十分突出, 在国内水电站建设中独一无二, 乃至世界水电建设史上也是非常罕见的。我部拟采用钢架管在垂直边坡搭建落地式双排架来解决边坡支护施工过程中的难题。

2 排架结构参数设计

2.1 排架结构

排架搭设均采用Φ48×3.5mm钢架管搭设, 搭建结构为落地式双排架, 排架横向间距1.5m, 纵向间距1.5m, 步距1.8m, 排架内侧立杆距岩面距离1.0m, 其横向搭建宽度不能小于2.5m, 纵向搭建宽度不小于30m, 最大搭建高度初步拟定150m。

2.2 连墙件插筋布置

落地式双排架连墙件插筋分两类形式, 一类与排架上倾45度斜撑杆帮条焊接, 另一类与水平小横杆帮条焊接 (帮条钢筋直径Φ22mm, 焊接长度10d) 。

两类插筋均采用Φ25mm螺纹钢筋, 入岩深度0.8m, 外露0.4m, 灌注M25高标号水泥砂浆进行锚固。第一类插筋钻孔安装方向与斜撑杆方向一致, 与水平面成45度夹角, 按照2步3跨进行布置。第二类插筋钻孔安装方向与岩面水平垂直, 布置位置位于45度插筋上方相邻水平小横杆与岩面接触部位, 布置间排距按照2步3跨进行布置。

柔性拉锚连墙件采用柔性被动防护网的支撑绳 (Φ16mm) 与排架外侧立杆、大小横杆结合部为U15的重卡固定, 拉锚绳与水平面成上倾45度角, 岩壁锚固端采用被动防护网Φ16mm钢绳锚杆, 锚杆长度1.5m, 与拉锚钢绳穿过钢丝绳锚杆的鸡心环采用U15的重卡连接, 重型绳卡每端不少于3道, 固定方式必须符合规范要求。柔性拉锚连墙件按照4步3跨进行布置。

2.3 剪刀撑设置

剪刀撑沿纵向连续布置。

3 设计荷载

(1) 按照坡度大于80度的垂直高陡边坡进行设计。

(2) 脚手板为5cm厚木脚手板, 其自重标准值为0.35k N/m2。

(3) 钢管尺寸均为Φ48×3.5, 其质量符合现行国家标准《碳素结构钢》 (GB/T700中) Q235-A级钢的规定 (Q235钢抗拉、抗压、抗弯强度设计值=205N/mm2, 弹性模量E=2.06×105N/mm2) 。

(4) 施工荷载按照纵向30m排架范围铺设4层木脚手板, 同时作业2层, 每层布置4台钻机, 最多布置8台钻机进行考虑 (连续5跨内布置1台钻机作业) , 单台XZ-30钻机重0.30t, YXZ50钻机, 单台钻机重0.68t, 施工人员3人, 重225kg, 计算荷载按照5跨内布置1台YXZ50钻机, 同时配置3名施工人员, 即, 施工荷载, 计算时, 荷载按照2.5KN/m2考虑。

(5) 连墙件采用钢管、扣件组成的刚性连墙件, 钢丝绳柔性连墙件, 具体详见附图和施工措施内容。

(6) 落地式双排架设计尺寸。立杆横距Lb=1.5 0 m, 横杆间距L=1.5 0 m, 作业层0.7 5 m, 立杆纵距La=1.5 0 m, 横杆步距h=1.80m, 最大搭建高度15 0m。

(7) 落地式双排架基础采用Φ25mm螺纹钢筋进行锚固。

4 设计计算

q为作用于横向水平杆的线荷载设计值;q= (1.2Qp+1.4Qk) ×L;

Qp为脚手板自重, 0.35kN/m2;

Qk为施工均布荷载标准值, 2.5kN/m2;

qk为作用于横向水平杆的线荷载标准值;qk= (Qp+Qk) ×L;

L为小横杆间距, 0.50m;

Lb为立杆横距, 1.50m;

La为立杆纵距, 1.50m;

h为横杆步距, 1.80m;

F为由横向水平杆传给纵向水平杆的集中力设计值;

Fk为由横向水平杆传给纵向水平杆的集中力标准值。

4.1 纵、横向水平杆计算

如图1, 图2所示。

4.1.1 横向水平杆的抗弯强度和挠度计算 (按3跨连续梁计算)

如图3，图4所示。

按照3跨连续梁计算可知 (图3横向水平杆弯矩图) , 跨中最大弯矩:M=0.39kN·m;

4.1.2 纵向水平杆的抗弯强度和挠度计算 (按6跨连续梁计算)

由上图4可知:横向水平杆传给纵向水平杆的集中力设计值, Fmax=3.01kN

纵向水平杆按照6跨连续梁计算, 可知, 跨中最大弯矩:M=1.04k N·m, 支座处最大剪力:F剪=7.02kN (计算方法及原理同4.1.1) 。

如图5所示。

经计算知, 在采用锚索钻机YXZ50钻机施工时, 考虑钻机自重较大, 跨中弯矩较大, 钻机就位前, 对其钻机部位排架进行局部加固, 在确保安全可靠的情况下再进行钻机安放, 加固方式主要采用在大横杆中间加斜撑以提高大横杆的抗弯强度, 斜撑结合岩面系统锚杆进行设置。对于采用XZ-30钻机锚杆施工的钻机可直接安放钻机。

4.1.3 立杆稳定性计算 (按照150m搭建高度进行计算)

(1) 施工荷载作用下, 单根立杆的最大轴向力设计值 (据上述4.1.2计算) :

(2) 按实际 (纵向3跨) 计算脚手架立杆承载的自重。

小横杆: (3.0×8 4×3+3×2×6) ×0.0 3 8 k N/m=3 0.1 0 k N;

大横杆: (5.4×84×2+5.4×8×11) ×0.0 3 8 k N/m=5 2.5 3 k N;

立杆: (2×3×1 50+1.8×4×1 1) ×0.0 3 8 k N/m=3 7.2 1 k N;

扣件: (18×3×3×11+8×4×11+11×3×2) ×0.0 15kN=33.0 kN;

剪刀撑: (4.2×4×11+2.7×4×11) ×0.0 3 8 k N/m=1 1.5 4 k N;

脚手架自重作用下单根立杆产生的轴向力标准值为:

F2k= (30.10+52.53+37.21+33.0+11.54) ÷6=27.40kN。

脚手架自重作用下单根立杆产生的轴向力设计值为:

F 2=2 7.4 0 k N×1.2=3 2.8 8 k N。

(3) 立杆轴向力设计值。

F=F1+F2=7.0 2+3 2.8 8=3 9.9 k N。

(4) 验算长细比。

长细比, 验算长细比时, 应取k=1。计算立杆稳定系数时, 应取k=1.155。长度系数取μ=1.75。

(1) 计算Wk风荷载标准值:Wk=0.7µs·µz·Wo。

式中:0.7为折减系数, (临时性, 最多按5年考虑, 一般3年) ;

Wo为基本风压;查《建筑结构荷载规范》GB50009-2001.西昌地区Wo=0.2kN/m2 (10年一遇) ;

µs为体型系数;µs=1.0φ;

φ为脚手架挡风系数;近视取φ=0.8计算;

µz为风压高度变化系数 (《建筑结构荷载规范》GB50009-2001) ;取µz=3.12。

Wk=0.7µs·µz·Wo=0.7×1.0×0.8×3.12×0.2=0.35KN/m2。

(2) 计算风荷载标准值产生的弯矩:

(3) 立杆稳定验算:

满足要求。

4.2 加强稳定性措施

由于排架高度超过50m, 为了安全期间, 排架设计过程中采用以下措施加强排架整体稳定性, 具体如下。

(1) 沿高度3.6m×5.4m间距分段设置连墙插筋以形成三角形悬挑支架对排架进行分段悬挑、分段卸荷, 以确保排架整体稳定; (2) 沿排架全高采用柔性拉锚系统分段向上斜拉, 斜拉方向上倾45度, 柔性钢绳拉锚系统按照3.6m×5.4m间距进行布置, 以起到分段卸荷的目的, 确保高排架整体安全稳定。

5 结语

目前水电开发正向高山、峡谷发展, 工程中经常会遇见高陡边坡处理, 而且这类高陡边坡会越来越多, 施工的难度也会越来越大, 加之水电行业没有排架规范, 而建筑行业规范排架又不超过50米, 高陡边坡排架施工又为必不可少的施工项目, 本工程成功的排架方案可以作为以后同类工程借鉴的资料。

摘要：高位危岩体位于锦屏一级的坝区正上方, 所有主要建筑物均处于其下方, 岩体如果发生失稳势必造成整个锦屏一级水电站建设重大事故。为了安全、迅速地完成左右岸高位危岩体的处理工程, 在保证高位危岩体施工期间的安全稳定及施工进度采用本施工方案。本方案实施后效果理想, 可为其他类似工程高危岩体施工提供参考。

关键词：高位危岩体,高空脚手架,方案设计