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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：	更新時間： 2021年01月07日
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第42卷第4期
2016年4月 水力發電
ALIMAK 爬罐軌道膨脹螺栓
抗拉殘驗安全值的確定
費萬堂 ，關景明 ，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件。以豐寧抽水蓄能電站引水系統1號上斜井ALIMAK
STH-5D爬罐施工為研究對象，運用相關力學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。
關鍵詞：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70年代初設計生產，80年代引進中國。
最早在礦業和水電站斜井開挖中使用。近20年來，
隨著我國水電建設事業的不斷發展， 特別是抽水蓄
能電站的興起，ALIMAK爬罐在水電站陡傾角、長
斜井反導井施工中廣泛應用。
過去，當爬罐安裝、調試完成后， 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爬罐是正規施工設備，并且在國內外
已使用數十年， 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、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管理工作； 常世舉(通訊
作者)．
Po Vo1．42№4固
產廠家沒有給出相應標準， 在國內也找不到相關依
據，抗拉試驗安全標準值的確定成為急需解決的
問題。
本文運用相關力學知識，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，
經豐寧抽水蓄能電站現場拉拔試驗驗證，最終確定
了ALIMAK爬罐軌道膨脹鏍栓的抗拉試驗標準安全
建議值。經權威機構確認后， 可在工程實踐中推廣
使用。
計結構， 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，本文以此種狀態的
膨脹螺栓為研究對象。
爬罐在斜段下行末端發生緊急制動時，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、直徑和膨脹鏍栓組在一定范圍內聯合受
力。因此，軌道膨脹螺栓抗剪不在研究之內。
1 爬罐結構組成及技術參數 4 分析方法與荷載施加
ALIMAK STH-5D爬罐系統主要由平臺、主罐和
副罐構成。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、人員及材料運輸等功能，最大載荷為
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參數
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，作為布設風、
水以及通訊線路的通道。在安裝時，通用軌道每鋪
設50 m，安裝1根加強軌，特殊情況可適當加密加
強軌的數量。加強軌單根長2 m，設計有4組8個螺
栓孔， 可視情況選擇膨脹螺栓安裝數量， 最多可安
裝8根。每根通用軌道單側端頭設計有一組兩個螺
栓孔， 用于膨脹螺栓安裝， 兩節軌道間由對接螺栓
把合。軌道膨脹螺栓內徑20 mm，外徑30 mm，分
0．8、1．2、1．5 Ill長3種， 可根據圍巖和超欠挖情況
選擇安裝長度。
3 受力分析及研究思路
主罐為爬罐系統的最大載荷構件， 因此， 在研
究時， 只考慮主罐在滿荷載狀態下對軌道膨脹螺栓
的影響。副罐不在研究范圍之內。在斜井反導井施
工中，爬罐一般只有平段、斜段、彎段3種運行狀
態。對于軌道膨脹螺栓， 當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進行研究。
爬罐平均運行速度為20 em／s， 當運行速度達到
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
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
模型結構進行必要的合理簡化。根據結構靜力學分
析的一般原則，可基于以下基本假設：① 軌道材料
均為線彈性材料，結構變形遠小于其橫斷面尺寸；
② 軌道結構不受溫度影響；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。根據車輪數按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 直線軌道動靜態工況受拉計算
根據結構形式與荷載特性， 采用結構力學的影
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。根據受力大小判斷本例由活荷
載起控制作用。根據GB5009-2012《建筑結構荷載
規范》第3．2．3條，活荷載分項系數取1．4，靜荷載
分項系數取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 單根膨脹螺栓靜態工況受拉計算
螺栓受力分析如圖1所示。兩節軌道連接處有
兩根螺栓把合， 共同承擔軌道、爬罐各部件及承載
物的重力。當輪2置于吊桿B位置時， 兩節螺栓所
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
根據計算，單根膨脹螺栓在最不利狀態下承受
的拉力為9．39 kN，安全系數選定為1．5倍， 即軌道
膨脹螺栓抗拉試驗安全值可初步設定為14．09 kN。
6．1 現場抗拉試驗
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， 當拉拔值等于l4．09 kN
時，膨脹螺栓均未出現位移，說明安全可靠； 在拉
拔破壞性試驗中，最終破壞形態為埋置在圍巖中的
膨脹螺栓出現位移， 表現為松動， 即視為螺栓已被
破壞(現場觀察，實際仍能增加荷載)，此時從錨桿
拉拔儀顯示器上讀取數據計人表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。
需要強調的是，如使用爬罐型號不同，則應對其動、
靜荷載復合后使用。
6．2 拉拔試驗的一般要求
拉拔試驗應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，
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
等于標準安全值即可，無需做破壞性拉拔試驗。
7 結語
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展機遇
期，加上常規水電的再發展，斜井導井施工會大量
存在?，F階段，使用爬罐進行斜井的(下轉第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
統籌考慮供水期整體效益，合理消落供水期水庫水
位。溪洛渡供水期內水位應不低于死水位， 同時6
月底水位宜按防洪限制水位560 m 控制。
(2)電站在系統中的運行方式和供電不同電網
分電方式?！墩{度規程》中根據溪洛渡水電站的工程
特點提出了在電力系統中的調峰運行方式，考慮到
溪洛渡水電站左、右岸電站分別供電國家電網和南
方電網的特殊性， 提出了一電廠在不同電網中的分
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，考慮到有利于直流輸電線路和水輪
發電機組的安全、經濟運行， 溪洛渡水電站參與調
峰運行時應在當地調峰能力不足時再調用溪洛渡機
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負荷中心均較遠，不宜承擔
過多的事故備用容量。溪洛渡供電不同電網，按照
相關的分電比例協議實施。實施時應盡量保證兩電
網的年電量達到規定的分電比例，兩電網日電量沒
有達到分配比例可以在月調度中滾動修正，兩電網
月電量沒有達到分配比例可以在年調度中滾動修正，
年電量未達到規定分配比例的處理方式可在購售電
協議中予以明確。
(3)水輪發電機組安全穩定運行要求。《調度規
程》中明確了機組的安全穩定運行要求和機電設備對
發電調度的要求。根據機組招標模型壓力脈動試驗
成果，提出水輪機在預想出力50％ 以下范圍內運行
時，壓力脈動相對較大，屬于不推薦的運行區； 機
組開停過程中應快速通過。通過調保計算提出了機
組發電運行的約束。
2．4 其他運用要求
溪洛渡水電站可研設計時有關部門未對工程提
出過較為明確的航運需求。隨著近年來社會經濟的
發展，溪洛渡壩下游的通航對電站調度運行提出了
(上接第67頁)反導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管理更加嚴格，
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準安全
值，對于確保安全生產具有現實意義，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船舶與
建筑學院土木工程系博士生導師、副教授鄧雪原
和碩士研究生周洪波復核、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中重要調峰電
源，其調峰運行產生非恒定流將對向家壩庫區通航
河道水流產生一定影響?！墩{度規程》編制時結合新
的形勢和需求， 以系統中最不利的調峰運行工況初
步分析，溪洛渡壩址下游約25 kIn河段范圍內基本
不滿足通航水位變幅要求， 非恒定流對航運影響較
大。為確保生命財產安全，提出考慮適當留有余地，
暫按壩址至下游30 km 范圍內為限制通航區域， 并
做好相應警示標志。下一步， 應根據在系統中的各
種實際典型運行情況， 結合溪洛渡和向家壩聯合調
度，進一步研究改善通航條件的可行性。
3 結語
《金沙江溪洛渡水電站水庫運用與電站運行調度
規程》已經開始用于全面系統指導溪洛渡水電站各項
調度運行工作， 以保證工程安全，充分發揮電站的
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范調度工作。本文所
述《調度規程》的編制和經驗總結可以為今后國內其
他水電工程開展相應規范調度工作提供參考，具有
較好的范例應用前景， 還將實現更大的社會效益。
參考文獻：
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(責任編輯 陳 萍)
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(責任編輯焦雪梅)

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