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ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗(yàn)安全值的確定

文檔作者：費(fèi)萬堂關(guān)景明劉林元常世舉文檔來源： 1．河北豐寧抽水蓄能有限公司 2．中國(guó)水利水電第一工程局有限公司 3．中國(guó)水利水電第三工程局有限公司 4．河南天池抽水蓄能有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月07日
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第42卷第4期
2016年4月 水力發(fā)電
ALIMAK 爬罐軌道膨脹螺栓
抗拉殘驗(yàn)安全值的確定
費(fèi)萬堂 ，關(guān)景明 ，劉林元 ，常世舉
(1．河北豐寧抽水蓄能有限公司， 河北承德067000；2． 中國(guó)水利水電第一工程局
有限公司， 吉林長(zhǎng)春130000；3．中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，
陜西西安710000；4．河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽473000)
摘要：膨脹螺栓是ALIMAK爬罐安全運(yùn)行的重要承載力構(gòu)件。以豐寧抽水蓄能電站引水系統(tǒng)1號(hào)上斜井ALIMAK
STH-5D爬罐施工為研究對(duì)象，運(yùn)用相關(guān)力學(xué)知識(shí)對(duì)軌道膨脹螺栓進(jìn)行抗拉理論計(jì)算，確定了爬罐軌道膨脹螺栓抗
拉承載力的允許值，并經(jīng)過實(shí)際拉拔破壞試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為爬罐螺栓抗拉試驗(yàn)安全值的選定提供了可靠的理論
依據(jù)。
關(guān)鍵詞：ALIMAK爬罐；斜井開挖；膨脹螺栓；拉拔試驗(yàn)
Research on Uplift Bearing Capacity of Expansion Bolts in ALIM AK Clim ber
FEI Wantang ，GUAN Jingming ，LIU Linyuan ，CHANG Shiju
(1．Hebei Fengning Pumped Storage Co．，Ltd．，Chengde 067000，Hebei，China；2．Sinohydro Bureau 1 Co．，Ltd．，
Changchun 130000，Jilin，China；3．Sinohydro Bureau 3 Co．， Ltd．，Xi’an 710000， Shaanxi， China；
4．Henan Tianchi Pumped Storage Co．，Ltd．，Nanyang 473000，Henan，China)
Abstract：Expansion bolt is important bearing component for the safe operation of ALIMAK Climber．Taking the ALIMAK
STH一5 D Climber for the No．1 inclined shaft of diversion system in Fengning Pumped—storage Power Station as research object，
the tension capacity of rail expansion bolt is theoretically calculated based on mechanics theory， and the allowable value of
uplift bearing capacity for expansion bolts in ALIMAK Climber is finally determined． The allowable value is verified by the
pulling destruction tests．The research provides a reliable theoretical basis for the determination of allowable value of expansion
bolts in ALIMAK Climber． “
Key Words：ALIMAK．Climber；excavation of inclined shaft；expansion bolt；pulling destruction test
中圖分類號(hào){TV534 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： o~59．9342(2o16)04 0065-O3
0 引 言
阿里瑪克(ALIMAK)爬罐由瑞典ALIMAK公司
于19世紀(jì)70年代初設(shè)計(jì)生產(chǎn)，80年代引進(jìn)中國(guó)。
最早在礦業(yè)和水電站斜井開挖中使用。近20年來，
隨著我國(guó)水電建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展， 特別是抽水蓄
能電站的興起，ALIMAK爬罐在水電站陡傾角、長(zhǎng)
斜井反導(dǎo)井施工中廣泛應(yīng)用。
過去，當(dāng)爬罐安裝、調(diào)試完成后， 在投入運(yùn)行
之前， 一般情況下要做機(jī)械性能、安全制動(dòng)等試驗(yàn)。
由于ALIMAK爬罐是正規(guī)施工設(shè)備，并且在國(guó)內(nèi)外
已使用數(shù)十年， 因此， 對(duì)ALIMAK爬罐的其他安全
性試驗(yàn)是否該做很少有人考慮。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)
步和以人為本思想的深入人心， 政府、企業(yè)、個(gè)人
乃至整個(gè)社會(huì)安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，近年來，一些
抽水蓄能電站的建設(shè)方，要求對(duì)爬罐軌道膨脹鏍栓
進(jìn)行安全性抗拉試驗(yàn)。但是， 由于ALIMAK爬罐生
收稿日期：2015-12-03
作者簡(jiǎn)介：費(fèi)萬堂(1963一)，男，遼寧朝陽人，教授級(jí)高工，
主要從事抽水蓄能電站運(yùn)行管理和工程建設(shè)管理工作； 常世舉(通訊
作者)．
Po Vo1．42№4固
產(chǎn)廠家沒有給出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)， 在國(guó)內(nèi)也找不到相關(guān)依
據(jù)，抗拉試驗(yàn)安全標(biāo)準(zhǔn)值的確定成為急需解決的
問題。
本文運(yùn)用相關(guān)力學(xué)知識(shí)，通過對(duì)ALIMAK爬罐
軌道膨脹鏍栓(也稱為“吊桿”)進(jìn)行受力計(jì)算分析，
經(jīng)豐寧抽水蓄能電站現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定
了ALIMAK爬罐軌道膨脹鏍栓的抗拉試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)安全
建議值。經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)確認(rèn)后， 可在工程實(shí)踐中推廣
使用。
計(jì)結(jié)構(gòu)， 就軌道膨脹螺栓而言，連接2 m 長(zhǎng)通用軌
道的膨脹螺栓受力更大。因此，本文以此種狀態(tài)的
膨脹螺栓為研究對(duì)象。
爬罐在斜段下行末端發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)，軌道膨
脹螺栓承受剪力最大。在水電工程中，斜井設(shè)計(jì)傾
角一般都小于65。，爬罐在斜井中運(yùn)行時(shí)，軌道膨脹
螺栓受拉力、剪力共同作用?？紤]爬罐所配膨脹螺
栓的材質(zhì)、直徑和膨脹鏍栓組在一定范圍內(nèi)聯(lián)合受
力。因此，軌道膨脹螺栓抗剪不在研究之內(nèi)。
1 爬罐結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)參數(shù) 4 分析方法與荷載施加
ALIMAK STH-5D爬罐系統(tǒng)主要由平臺(tái)、主罐和
副罐構(gòu)成。主罐頂部有一2．4 m ×2．4 m 的操作平
臺(tái)，人員在平臺(tái)上完成鉆孔、填藥、接軌、清撬等
操作，最大載荷為5 000 kN； 副罐具有為主罐提供
救援、維修、人員及材料運(yùn)輸?shù)裙δ埽畲筝d荷為
3 500 kN； 主副罐共用1條軌道，各自獨(dú)立運(yùn)行。爬
罐上由齒輪沿軌道的齒槽爬升或下降， 主罐共有
890、430、1 510、430、1 040、730 mm 6組車輪輪
距7個(gè)輪子。
2 軌道及膨脹螺栓相關(guān)參數(shù)
爬罐軌道分通用軌和加強(qiáng)軌兩種。通用軌有2 m
和1 rn長(zhǎng)兩個(gè)尺寸，可根據(jù)開挖進(jìn)尺選擇使用。沿
軌道上部縱向排列4根th40 mm 鋼管，作為布設(shè)風(fēng)、
水以及通訊線路的通道。在安裝時(shí)，通用軌道每鋪
設(shè)50 m，安裝1根加強(qiáng)軌，特殊情況可適當(dāng)加密加
強(qiáng)軌的數(shù)量。加強(qiáng)軌單根長(zhǎng)2 m，設(shè)計(jì)有4組8個(gè)螺
栓孔， 可視情況選擇膨脹螺栓安裝數(shù)量， 最多可安
裝8根。每根通用軌道單側(cè)端頭設(shè)計(jì)有一組兩個(gè)螺
栓孔， 用于膨脹螺栓安裝， 兩節(jié)軌道間由對(duì)接螺栓
把合。軌道膨脹螺栓內(nèi)徑20 mm，外徑30 mm，分
0．8、1．2、1．5 Ill長(zhǎng)3種， 可根據(jù)圍巖和超欠挖情況
選擇安裝長(zhǎng)度。
3 受力分析及研究思路
主罐為爬罐系統(tǒng)的最大載荷構(gòu)件， 因此， 在研
究時(shí)， 只考慮主罐在滿荷載狀態(tài)下對(duì)軌道膨脹螺栓
的影響。副罐不在研究范圍之內(nèi)。在斜井反導(dǎo)井施
工中，爬罐一般只有平段、斜段、彎段3種運(yùn)行狀
態(tài)。對(duì)于軌道膨脹螺栓， 當(dāng)爬罐處于平段時(shí)抗拉力
呈最大。因此， 只選取此種最不利狀態(tài)進(jìn)行研究。
爬罐平均運(yùn)行速度為20 em／s， 當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到
90 cm／s時(shí)， 隨車保護(hù)裝置啟動(dòng)，剎車報(bào)死， 緊急制
動(dòng)時(shí)間1．00 S。在計(jì)算分析時(shí)， 緊急制動(dòng)時(shí)所形成
沖量的影響可忽略不計(jì)。對(duì)比通用軌和加強(qiáng)軌的設(shè)
4．1 模型簡(jiǎn)化和分析方法
在對(duì)爬罐軌道螺栓受力分析時(shí)，需對(duì)分析目標(biāo)
模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的合理簡(jiǎn)化。根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分
析的一般原則，可基于以下基本假設(shè)：① 軌道材料
均為線彈性材料，結(jié)構(gòu)變形遠(yuǎn)小于其橫斷面尺寸；
② 軌道結(jié)構(gòu)不受溫度影響；③ 由于爬罐行走速度很
慢，分析時(shí)可以用靜態(tài)的方法來近似代替。
4．2 軌道載荷施加
抗拉計(jì)算時(shí)， 柴油液壓動(dòng)力組件、打鉆平臺(tái)、
載人(物)組件間為非剛性連接，分別作為獨(dú)立荷載
考慮。根據(jù)車輪數(shù)按7個(gè)集中力來計(jì)算得到：P =
7 kN， P2=P =P4=P5=4．825 kN ， P =2．15 kN，
P，=6．14 kN。軌道自重作為均布荷載考慮， 即0．44
kN／m。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。
圖1 軌道簡(jiǎn)化受力示意(單位：mm)
5 抗拉承載力計(jì)算
5．1 直線軌道動(dòng)靜態(tài)工況受拉計(jì)算
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式與荷載特性， 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的影
響線方法計(jì)算。以B吊桿為例(如圖2)， 采用將輪
2、輪3、輪4、輪5分別放在B支座位置4種工況，
能使車輪數(shù)最大化的放置在AB，BC兩段。此時(shí)吊
桿B受力最大。
A B C
圖2 B吊桿與B支座位置
貝／J芏，亍于：H? IH JIWe唯 L】邑膨胍嫌任饑：131．吼 叉王但ti ed刪止
其中吊桿B的拉力影響線如圖3所示。將輪2、
輪3、輪4、輪5分別放在B支座位置時(shí)的拉力影響
線如圖4所示。
1．0
圖3 吊桿B的拉力影響線
1．0
a輪2
b輪3
＼L l ／
o．2 I ／／o．265
＼ ／ L7／8／5 ／
1．0
c輪4
1．0
d輪5
圖4 車輪位于B位置時(shí)的影響線
根據(jù)本工程案例的受力特點(diǎn)及受力情況，在研
究爬罐螺栓受力時(shí)，爬罐作為動(dòng)荷載考慮，軌道荷
載作為靜荷載考慮。根據(jù)受力大小判斷本例由活荷
載起控制作用。根據(jù)GB5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載
規(guī)范》第3．2．3條，活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1．4，靜荷載
分項(xiàng)系數(shù)取1．2。通過計(jì)算得到：第1種工況F =
18．77 kN；第2種工況F =18．32 kN； 第3種工況
F =15．78 kN； 第4種工況F =15．76 kN，綜上，
吊桿B受力最大為18．77 kN。
5．2 單根膨脹螺栓靜態(tài)工況受拉計(jì)算
螺栓受力分析如圖1所示。兩節(jié)軌道連接處有
兩根螺栓把合， 共同承擔(dān)軌道、爬罐各部件及承載
物的重力。當(dāng)輪2置于吊桿B位置時(shí)， 兩節(jié)螺栓所
受拉力最大，單根拉力N ：F ／2=9．39 kN。
6 抗拉試驗(yàn)安全值的確定
根據(jù)計(jì)算，單根膨脹螺栓在最不利狀態(tài)下承受
的拉力為9．39 kN，安全系數(shù)選定為1．5倍， 即軌道
膨脹螺栓抗拉試驗(yàn)安全值可初步設(shè)定為14．09 kN。
6．1 現(xiàn)場(chǎng)抗拉試驗(yàn)
本次試驗(yàn)使用sw一3o0錨桿拉拔儀進(jìn)行。試驗(yàn)
分2組， 每組3根，分別由監(jiān)理工程師在臨近工作
面圍巖較差部位選定，其中一組用于安全值驗(yàn)證性
試驗(yàn)，另一組用于破壞性試驗(yàn)。
在安全值驗(yàn)證試驗(yàn)中， 當(dāng)拉拔值等于l4．09 kN
時(shí)，膨脹螺栓均未出現(xiàn)位移，說明安全可靠； 在拉
拔破壞性試驗(yàn)中，最終破壞形態(tài)為埋置在圍巖中的
膨脹螺栓出現(xiàn)位移， 表現(xiàn)為松動(dòng)， 即視為螺栓已被
破壞(現(xiàn)場(chǎng)觀察，實(shí)際仍能增加荷載)，此時(shí)從錨桿
拉拔儀顯示器上讀取數(shù)據(jù)計(jì)人表1中，并計(jì)算出平
均值。本次拉拔破壞試驗(yàn)的平均值為29．10 kN。
表1 爬罐螺栓拉拔破壞試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果
本次拉拔破壞試驗(yàn)平均值為29．10 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大
于14．09 kN。表明，將ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓
抗拉試驗(yàn)安全值確定為14．09 kN，是安全可靠的。
需要強(qiáng)調(diào)的是，如使用爬罐型號(hào)不同，則應(yīng)對(duì)其動(dòng)、
靜荷載復(fù)合后使用。
6．2 拉拔試驗(yàn)的一般要求
拉拔試驗(yàn)應(yīng)在爬灌使用驗(yàn)收前完成。用于試驗(yàn)
的膨脹螺栓可選在工作面附近圍巖較差部位布設(shè)，
分1或2組，每組3根。同等條件下，膨脹螺栓長(zhǎng)
度可首先選擇0．8 in進(jìn)行試驗(yàn)， 如果滿足要求， 其
他長(zhǎng)度無需再做， 如不滿足要求， 需增加膨脹螺栓
長(zhǎng)度，直至滿足要求。一般情況下， 拉拔值大于或
等于標(biāo)準(zhǔn)安全值即可，無需做破壞性拉拔試驗(yàn)。
7 結(jié)語
有資料顯示， 目前我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量
占比不足2％ 。抽水蓄能電站將面臨新的發(fā)展機(jī)遇
期，加上常規(guī)水電的再發(fā)展，斜井導(dǎo)井施工會(huì)大量
存在?，F(xiàn)階段，使用爬罐進(jìn)行斜井的(下轉(zhuǎn)第96頁)
Po VoL 42Ⅳn 4 囫
全流域來水情況， 水庫水位宜在9月底前蓄至正常
蓄水位600 m。12月下旬水庫開始進(jìn)入供水期， 應(yīng)
統(tǒng)籌考慮供水期整體效益，合理消落供水期水庫水
位。溪洛渡供水期內(nèi)水位應(yīng)不低于死水位， 同時(shí)6
月底水位宜按防洪限制水位560 m 控制。
(2)電站在系統(tǒng)中的運(yùn)行方式和供電不同電網(wǎng)
分電方式。《調(diào)度規(guī)程》中根據(jù)溪洛渡水電站的工程
特點(diǎn)提出了在電力系統(tǒng)中的調(diào)峰運(yùn)行方式，考慮到
溪洛渡水電站左、右岸電站分別供電國(guó)家電網(wǎng)和南
方電網(wǎng)的特殊性， 提出了一電廠在不同電網(wǎng)中的分
電方式。溪洛渡水電站直流遠(yuǎn)距離大容量輸電到華
東和華南地區(qū)，考慮到有利于直流輸電線路和水輪
發(fā)電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行， 溪洛渡水電站參與調(diào)
峰運(yùn)行時(shí)應(yīng)在當(dāng)?shù)卣{(diào)峰能力不足時(shí)再調(diào)用溪洛渡機(jī)
組，并確保直流輸電線路的安全運(yùn)行?？紤]到溪洛
渡水電站距離兩個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷中心均較遠(yuǎn)，不宜承擔(dān)
過多的事故備用容量。溪洛渡供電不同電網(wǎng)，按照
相關(guān)的分電比例協(xié)議實(shí)施。實(shí)施時(shí)應(yīng)盡量保證兩電
網(wǎng)的年電量達(dá)到規(guī)定的分電比例，兩電網(wǎng)日電量沒
有達(dá)到分配比例可以在月調(diào)度中滾動(dòng)修正，兩電網(wǎng)
月電量沒有達(dá)到分配比例可以在年調(diào)度中滾動(dòng)修正，
年電量未達(dá)到規(guī)定分配比例的處理方式可在購(gòu)售電
協(xié)議中予以明確。
(3)水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行要求?！墩{(diào)度規(guī)
程》中明確了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求和機(jī)電設(shè)備對(duì)
發(fā)電調(diào)度的要求。根據(jù)機(jī)組招標(biāo)模型壓力脈動(dòng)試驗(yàn)
成果，提出水輪機(jī)在預(yù)想出力50％ 以下范圍內(nèi)運(yùn)行
時(shí)，壓力脈動(dòng)相對(duì)較大，屬于不推薦的運(yùn)行區(qū)； 機(jī)
組開停過程中應(yīng)快速通過。通過調(diào)保計(jì)算提出了機(jī)
組發(fā)電運(yùn)行的約束。
2．4 其他運(yùn)用要求
溪洛渡水電站可研設(shè)計(jì)時(shí)有關(guān)部門未對(duì)工程提
出過較為明確的航運(yùn)需求。隨著近年來社會(huì)經(jīng)濟(jì)的
發(fā)展，溪洛渡壩下游的通航對(duì)電站調(diào)度運(yùn)行提出了
(上接第67頁)反導(dǎo)井開挖是主要施工手段之一。隨
著安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)和安全生產(chǎn)管理更加嚴(yán)格，
對(duì)爬罐安全性試驗(yàn)也會(huì)提出一些新的要求。研究和
確定ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)安全
值，對(duì)于確保安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義，也將為滿足
市場(chǎng)需求提供便利條件。
致謝： 文中計(jì)算部分由上海交通大學(xué)船舶與
建筑學(xué)院土木工程系博士生導(dǎo)師、副教授鄧雪原
和碩士研究生周洪波復(fù)核、校驗(yàn)。在此表示
感謝!
圜Wa Po VoL 42 No．
新的需求。溪洛渡水電站為電力系統(tǒng)中重要調(diào)峰電
源，其調(diào)峰運(yùn)行產(chǎn)生非恒定流將對(duì)向家壩庫區(qū)通航
河道水流產(chǎn)生一定影響。《調(diào)度規(guī)程》編制時(shí)結(jié)合新
的形勢(shì)和需求， 以系統(tǒng)中最不利的調(diào)峰運(yùn)行工況初
步分析，溪洛渡壩址下游約25 kIn河段范圍內(nèi)基本
不滿足通航水位變幅要求， 非恒定流對(duì)航運(yùn)影響較
大。為確保生命財(cái)產(chǎn)安全，提出考慮適當(dāng)留有余地，
暫按壩址至下游30 km 范圍內(nèi)為限制通航區(qū)域， 并
做好相應(yīng)警示標(biāo)志。下一步， 應(yīng)根據(jù)在系統(tǒng)中的各
種實(shí)際典型運(yùn)行情況， 結(jié)合溪洛渡和向家壩聯(lián)合調(diào)
度，進(jìn)一步研究改善通航條件的可行性。
3 結(jié)語
《金沙江溪洛渡水電站水庫運(yùn)用與電站運(yùn)行調(diào)度
規(guī)程》已經(jīng)開始用于全面系統(tǒng)指導(dǎo)溪洛渡水電站各項(xiàng)
調(diào)度運(yùn)行工作， 以保證工程安全，充分發(fā)揮電站的
綜合效益。隨著流域梯級(jí)水電站的相繼建成，越來
越多的單一和梯級(jí)水電站需規(guī)范調(diào)度工作。本文所
述《調(diào)度規(guī)程》的編制和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可以為今后國(guó)內(nèi)其
他水電工程開展相應(yīng)規(guī)范調(diào)度工作提供參考，具有
較好的范例應(yīng)用前景， 還將實(shí)現(xiàn)更大的社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)：
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(責(zé)任編輯 陳 萍)
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(責(zé)任編輯焦雪梅)

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