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ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗安全值的確定

文檔作者：費萬堂關(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．中國水利水電第一工程局有限公司 3．中國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		點擊數(shù)：	更新時間： 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
抗拉殘驗安全值的確定
費萬堂 ，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． 中國水利水電第一工程局
有限公司， 吉林長春130000；3．中國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號上斜井ALIMAK
STH-5D爬罐施工為研究對象，運用相關(guān)力學(xué)知識對軌道膨脹螺栓進行抗拉理論計算，確定了爬罐軌道膨脹螺栓抗
拉承載力的允許值，并經(jīng)過實際拉拔破壞試驗進行了驗證，為爬罐螺栓抗拉試驗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
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{TV534 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： 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)計生產(chǎn)，80年代引進中國。
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
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， 在投入運行
之前， 一般情況下要做機械性能、安全制動等試驗。
由于ALIMAK爬罐是正規(guī)施工設(shè)備，并且在國內(nèi)外
已使用數(shù)十年， 因此， 對ALIMAK爬罐的其他安全
性試驗是否該做很少有人考慮。隨著社會的不斷進
步和以人為本思想的深入人心， 政府、企業(yè)、個人
乃至整個社會安全意識的不斷增強，近年來，一些
抽水蓄能電站的建設(shè)方，要求對爬罐軌道膨脹鏍栓
進行安全性抗拉試驗。但是， 由于ALIMAK爬罐生
收稿日期：2015-12-03
作者簡介：費萬堂(1963一)，男，遼寧朝陽人，教授級高工，
主要從事抽水蓄能電站運行管理和工程建設(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)， 在國內(nèi)也找不到相關(guān)依
據(jù)，抗拉試驗安全標(biāo)準(zhǔn)值的確定成為急需解決的
問題。
本文運用相關(guān)力學(xué)知識，通過對ALIMAK爬罐
軌道膨脹鏍栓(也稱為“吊桿”)進行受力計算分析，
經(jīng)豐寧抽水蓄能電站現(xiàn)場拉拔試驗驗證，最終確定
了ALIMAK爬罐軌道膨脹鏍栓的抗拉試驗標(biāo)準(zhǔn)安全
建議值。經(jīng)權(quán)威機構(gòu)確認(rèn)后， 可在工程實踐中推廣
使用。
計結(jié)構(gòu)， 就軌道膨脹螺栓而言，連接2 m 長通用軌
道的膨脹螺栓受力更大。因此，本文以此種狀態(tài)的
膨脹螺栓為研究對象。
爬罐在斜段下行末端發(fā)生緊急制動時，軌道膨
脹螺栓承受剪力最大。在水電工程中，斜井設(shè)計傾
角一般都小于65。，爬罐在斜井中運行時，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、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，人員在平臺上完成鉆孔、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，各自獨立運行。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軌兩種。通用軌有2 m
和1 rn長兩個尺寸，可根據(jù)開挖進尺選擇使用。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，通用軌道每鋪
設(shè)50 m，安裝1根加強軌，特殊情況可適當(dāng)加密加
強軌的數(shù)量。加強軌單根長2 m，設(shè)計有4組8個螺
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)計有一組兩個螺
栓孔， 用于膨脹螺栓安裝， 兩節(jié)軌道間由對接螺栓
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3種， 可根據(jù)圍巖和超欠挖情況
選擇安裝長度。
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， 只考慮主罐在滿荷載狀態(tài)下對軌道膨脹螺栓
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種運行狀
態(tài)。對于軌道膨脹螺栓， 當(dāng)爬罐處于平段時抗拉力
呈最大。因此， 只選取此種最不利狀態(tài)進行研究。
爬罐平均運行速度為20 em／s， 當(dāng)運行速度達到
90 cm／s時， 隨車保護裝置啟動，剎車報死， 緊急制
動時間1．00 S。在計算分析時， 緊急制動時所形成
沖量的影響可忽略不計。對比通用軌和加強軌的設(shè)
4．1 模型簡化和分析方法
在對爬罐軌道螺栓受力分析時，需對分析目標(biāo)
模型結(jié)構(gòu)進行必要的合理簡化。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
抗拉計算時， 柴油液壓動力組件、打鉆平臺、
載人(物)組件間為非剛性連接，分別作為獨立荷載
考慮。根據(jù)車輪數(shù)按7個集中力來計算得到：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。計算簡圖見圖1。
圖1 軌道簡化受力示意(單位：mm)
5 抗拉承載力計算
5．1 直線軌道動靜態(tài)工況受拉計算
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位置時的影響線
根據(jù)本工程案例的受力特點及受力情況，在研
究爬罐螺栓受力時，爬罐作為動荷載考慮，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，活荷載分項系數(shù)取1．4，靜荷載
分項系數(shù)取1．2。通過計算得到：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， 兩節(jié)螺栓所
受拉力最大，單根拉力N ：F ／2=9．39 kN。
6 抗拉試驗安全值的確定
根據(jù)計算，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
膨脹螺栓抗拉試驗安全值可初步設(shè)定為14．09 kN。
6．1 現(xiàn)場抗拉試驗
本次試驗使用sw一3o0錨桿拉拔儀進行。試驗
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證性
試驗，另一組用于破壞性試驗。
在安全值驗證試驗中， 當(dāng)拉拔值等于l4．09 kN
時，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， 即視為螺栓已被
破壞(現(xiàn)場觀察，實際仍能增加荷載)，此時從錨桿
拉拔儀顯示器上讀取數(shù)據(jù)計人表1中，并計算出平
均值。本次拉拔破壞試驗的平均值為29．10 kN。
表1 爬罐螺栓拉拔破壞試驗實測結(jié)果
本次拉拔破壞試驗平均值為29．10 kN，遠遠大
于14．09 kN。表明，將ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓
抗拉試驗安全值確定為14．09 kN，是安全可靠的。
需要強調(diào)的是，如使用爬罐型號不同，則應(yīng)對其動、
靜荷載復(fù)合后使用。
6．2 拉拔試驗的一般要求
拉拔試驗應(yīng)在爬灌使用驗收前完成。用于試驗
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
度可首先選擇0．8 in進行試驗， 如果滿足要求， 其
他長度無需再做， 如不滿足要求， 需增加膨脹螺栓
長度，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。
7 結(jié)語
有資料顯示， 目前我國抽水蓄能電站裝機容量
占比不足2％ 。抽水蓄能電站將面臨新的發(fā)展機遇
期，加上常規(guī)水電的再發(fā)展，斜井導(dǎo)井施工會大量
存在?，F(xiàn)階段，使用爬罐進行斜井的(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
特點提出了在電力系統(tǒng)中的調(diào)峰運行方式，考慮到
溪洛渡水電站左、右岸電站分別供電國家電網(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)電機組的安全、經(jīng)濟運行， 溪洛渡水電站參與調(diào)
峰運行時應(yīng)在當(dāng)?shù)卣{(diào)峰能力不足時再調(diào)用溪洛渡機
組，并確保直流輸電線路的安全運行。考慮到溪洛
渡水電站距離兩個電網(wǎng)負荷中心均較遠，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)議實施。實施時應(yīng)盡量保證兩電
網(wǎng)的年電量達到規(guī)定的分電比例，兩電網(wǎng)日電量沒
有達到分配比例可以在月調(diào)度中滾動修正，兩電網(wǎng)
月電量沒有達到分配比例可以在年調(diào)度中滾動修正，
年電量未達到規(guī)定分配比例的處理方式可在購售電
協(xié)議中予以明確。
(3)水輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行要求?！墩{(diào)度規(guī)
程》中明確了機組的安全穩(wěn)定運行要求和機電設(shè)備對
發(fā)電調(diào)度的要求。根據(jù)機組招標(biāo)模型壓力脈動試驗
成果，提出水輪機在預(yù)想出力50％ 以下范圍內(nèi)運行
時，壓力脈動相對較大，屬于不推薦的運行區(qū)； 機
組開停過程中應(yīng)快速通過。通過調(diào)保計算提出了機
組發(fā)電運行的約束。
2．4 其他運用要求
溪洛渡水電站可研設(shè)計時有關(guān)部門未對工程提
出過較為明確的航運需求。隨著近年來社會經(jīng)濟的
發(fā)展，溪洛渡壩下游的通航對電站調(diào)度運行提出了
(上接第67頁)反導(dǎo)井開挖是主要施工手段之一。隨
著安全意識的不斷增強和安全生產(chǎn)管理更加嚴(yán)格，
對爬罐安全性試驗也會提出一些新的要求。研究和
確定ALIMAK爬罐軌道膨脹螺栓抗拉試驗標(biāo)準(zhǔn)安全
值，對于確保安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義，也將為滿足
市場需求提供便利條件。
致謝： 文中計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。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)峰運行產(chǎn)生非恒定流將對向家壩庫區(qū)通航
河道水流產(chǎn)生一定影響?！墩{(diào)度規(guī)程》編制時結(jié)合新
的形勢和需求， 以系統(tǒng)中最不利的調(diào)峰運行工況初
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， 非恒定流對航運影響較
大。為確保生命財產(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
種實際典型運行情況， 結(jié)合溪洛渡和向家壩聯(lián)合調(diào)
度，進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用與電站運行調(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
調(diào)度運行工作， 以保證工程安全，充分發(fā)揮電站的
綜合效益。隨著流域梯級水電站的相繼建成，越來
越多的單一和梯級水電站需規(guī)范調(diào)度工作。本文所
述《調(diào)度規(guī)程》的編制和經(jīng)驗總結(jié)可以為今后國內(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， 還將實現(xiàn)更大的社會效益。
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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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