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ALIMAK爬罐轨道膨胀螺栓抗拉试验安全值的确定

文档作者：费万堂关景明刘林元常世举文档来源： 1．河北丰宁抽水蓄能有限公司 2．中国水利水电第一工程局有限公司 3．中国水利水电第三工程局有限公司 4．河南天池抽水蓄能有限公司			点击数：
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第42卷第4期
2016年4月 水力发电
ALIMAK 爬罐轨道膨胀螺栓
抗拉残验安全值的确定
费万堂 ，关景明 ，刘林元 ，常世举
(1．河北丰宁抽水蓄能有限公司， 河北承德067000；2． 中国水利水电第一工程局
有限公司， 吉林长春130000；3．中国水利水电第三工程局有限公司，
陕西西安710000；4．河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳473000)
摘要：膨胀螺栓是ALIMAK爬罐安全运行的重要承载力构件。以丰宁抽水蓄能电站引水系统1号上斜井ALIMAK
STH-5D爬罐施工为研究对象，运用相关力学知识对轨道膨胀螺栓进行抗拉理论计算，确定了爬罐轨道膨胀螺栓抗
拉承载力的允许值，并经过实际拉拔破坏试验进行了验证，为爬罐螺栓抗拉试验安全值的选定提供了可靠的理论
依据。
关键词：ALIMAK爬罐；斜井开挖；膨胀螺栓；拉拔试验
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
中图分类号{TV534 文献标识码：A 文章编号： o~59．9342(2o16)04 0065-O3
0 引 言
阿里玛克(ALIMAK)爬罐由瑞典ALIMAK公司
于19世纪70年代初设计生产，80年代引进中国。
最早在矿业和水电站斜井开挖中使用。近20年来，
随着我国水电建设事业的不断发展， 特别是抽水蓄
能电站的兴起，ALIMAK爬罐在水电站陡倾角、长
斜井反导井施工中广泛应用。
过去，当爬罐安装、调试完成后， 在投入运行
之前， 一般情况下要做机械性能、安全制动等试验。
由于ALIMAK爬罐是正规施工设备，并且在国内外
已使用数十年， 因此， 对ALIMAK爬罐的其他安全
性试验是否该做很少有人考虑。随着社会的不断进
步和以人为本思想的深入人心， 政府、企业、个人
乃至整个社会安全意识的不断增强，近年来，一些
抽水蓄能电站的建设方，要求对爬罐轨道膨胀镙栓
进行安全性抗拉试验。但是， 由于ALIMAK爬罐生
收稿日期：2015-12-03
作者简介：费万堂(1963一)，男，辽宁朝阳人，教授级高工，
主要从事抽水蓄能电站运行管理和工程建设管理工作； 常世举(通讯
作者)．
Po Vo1．42№4固
产厂家没有给出相应标准， 在国内也找不到相关依
据，抗拉试验安全标准值的确定成为急需解决的
问题。
本文运用相关力学知识，通过对ALIMAK爬罐
轨道膨胀镙栓(也称为“吊杆”)进行受力计算分析，
经丰宁抽水蓄能电站现场拉拔试验验证，最终确定
了ALIMAK爬罐轨道膨胀镙栓的抗拉试验标准安全
建议值。经权威机构确认后， 可在工程实践中推广
使用。
计结构， 就轨道膨胀螺栓而言，连接2 m 长通用轨
道的膨胀螺栓受力更大。因此，本文以此种状态的
膨胀螺栓为研究对象。
爬罐在斜段下行末端发生紧急制动时，轨道膨
胀螺栓承受剪力最大。在水电工程中，斜井设计倾
角一般都小于65。，爬罐在斜井中运行时，轨道膨胀
螺栓受拉力、剪力共同作用。考虑爬罐所配膨胀螺
栓的材质、直径和膨胀镙栓组在一定范围内联合受
力。因此，轨道膨胀螺栓抗剪不在研究之内。
1 爬罐结构组成及技术参数 4 分析方法与荷载施加
ALIMAK STH-5D爬罐系统主要由平台、主罐和
副罐构成。主罐顶部有一2．4 m ×2．4 m 的操作平
台，人员在平台上完成钻孔、填药、接轨、清撬等
操作，最大载荷为5 000 kN； 副罐具有为主罐提供
救援、维修、人员及材料运输等功能，最大载荷为
3 500 kN； 主副罐共用1条轨道，各自独立运行。爬
罐上由齿轮沿轨道的齿槽爬升或下降， 主罐共有
890、430、1 510、430、1 040、730 mm 6组车轮轮
距7个轮子。
2 轨道及膨胀螺栓相关参数
爬罐轨道分通用轨和加强轨两种。通用轨有2 m
和1 rn长两个尺寸，可根据开挖进尺选择使用。沿
轨道上部纵向排列4根th40 mm 钢管，作为布设风、
水以及通讯线路的通道。在安装时，通用轨道每铺
设50 m，安装1根加强轨，特殊情况可适当加密加
强轨的数量。加强轨单根长2 m，设计有4组8个螺
栓孔， 可视情况选择膨胀螺栓安装数量， 最多可安
装8根。每根通用轨道单侧端头设计有一组两个螺
栓孔， 用于膨胀螺栓安装， 两节轨道间由对接螺栓
把合。轨道膨胀螺栓内径20 mm，外径30 mm，分
0．8、1．2、1．5 Ill长3种， 可根据围岩和超欠挖情况
选择安装长度。
3 受力分析及研究思路
主罐为爬罐系统的最大载荷构件， 因此， 在研
究时， 只考虑主罐在满荷载状态下对轨道膨胀螺栓
的影响。副罐不在研究范围之内。在斜井反导井施
工中，爬罐一般只有平段、斜段、弯段3种运行状
态。对于轨道膨胀螺栓， 当爬罐处于平段时抗拉力
呈最大。因此， 只选取此种最不利状态进行研究。
爬罐平均运行速度为20 em／s， 当运行速度达到
90 cm／s时， 随车保护装置启动，刹车报死， 紧急制
动时间1．00 S。在计算分析时， 紧急制动时所形成
冲量的影响可忽略不计。对比通用轨和加强轨的设
4．1 模型简化和分析方法
在对爬罐轨道螺栓受力分析时，需对分析目标
模型结构进行必要的合理简化。根据结构静力学分
析的一般原则，可基于以下基本假设：① 轨道材料
均为线弹性材料，结构变形远小于其横断面尺寸；
② 轨道结构不受温度影响；③ 由于爬罐行走速度很
慢，分析时可以用静态的方法来近似代替。
4．2 轨道载荷施加
抗拉计算时， 柴油液压动力组件、打钻平台、
载人(物)组件间为非刚性连接，分别作为独立荷载
考虑。根据车轮数按7个集中力来计算得到：P =
7 kN， P2=P =P4=P5=4．825 kN ， P =2．15 kN，
P，=6．14 kN。轨道自重作为均布荷载考虑， 即0．44
kN／m。计算简图见图1。
图1 轨道简化受力示意(单位：mm)
5 抗拉承载力计算
5．1 直线轨道动静态工况受拉计算
根据结构形式与荷载特性， 采用结构力学的影
响线方法计算。以B吊杆为例(如图2)， 采用将轮
2、轮3、轮4、轮5分别放在B支座位置4种工况，
能使车轮数最大化的放置在AB，BC两段。此时吊
杆B受力最大。
A B C
图2 B吊杆与B支座位置
贝／J芏，亍于：H⋯ IH JIWe唯 L】邑膨胍嫌任饥：131．吼 叉王但ti ed删止
其中吊杆B的拉力影响线如图3所示。将轮2、
轮3、轮4、轮5分别放在B支座位置时的拉力影响
线如图4所示。
1．0
图3 吊杆B的拉力影响线
1．0
a轮2
b轮3
＼L l ／
o．2 I ／／o．265
＼ ／ L7／8／5 ／
1．0
c轮4
1．0
d轮5
图4 车轮位于B位置时的影响线
根据本工程案例的受力特点及受力情况，在研
究爬罐螺栓受力时，爬罐作为动荷载考虑，轨道荷
载作为静荷载考虑。根据受力大小判断本例由活荷
载起控制作用。根据GB5009-2012《建筑结构荷载
规范》第3．2．3条，活荷载分项系数取1．4，静荷载
分项系数取1．2。通过计算得到：第1种工况F =
18．77 kN；第2种工况F =18．32 kN； 第3种工况
F =15．78 kN； 第4种工况F =15．76 kN，综上，
吊杆B受力最大为18．77 kN。
5．2 单根膨胀螺栓静态工况受拉计算
螺栓受力分析如图1所示。两节轨道连接处有
两根螺栓把合， 共同承担轨道、爬罐各部件及承载
物的重力。当轮2置于吊杆B位置时， 两节螺栓所
受拉力最大，单根拉力N ：F ／2=9．39 kN。
6 抗拉试验安全值的确定
根据计算，单根膨胀螺栓在最不利状态下承受
的拉力为9．39 kN，安全系数选定为1．5倍， 即轨道
膨胀螺栓抗拉试验安全值可初步设定为14．09 kN。
6．1 现场抗拉试验
本次试验使用sw一3o0锚杆拉拔仪进行。试验
分2组， 每组3根，分别由监理工程师在临近工作
面围岩较差部位选定，其中一组用于安全值验证性
试验，另一组用于破坏性试验。
在安全值验证试验中， 当拉拔值等于l4．09 kN
时，膨胀螺栓均未出现位移，说明安全可靠； 在拉
拔破坏性试验中，最终破坏形态为埋置在围岩中的
膨胀螺栓出现位移， 表现为松动， 即视为螺栓已被
破坏(现场观察，实际仍能增加荷载)，此时从锚杆
拉拔仪显示器上读取数据计人表1中，并计算出平
均值。本次拉拔破坏试验的平均值为29．10 kN。
表1 爬罐螺栓拉拔破坏试验实测结果
本次拉拔破坏试验平均值为29．10 kN，远远大
于14．09 kN。表明，将ALIMAK爬罐轨道膨胀螺栓
抗拉试验安全值确定为14．09 kN，是安全可靠的。
需要强调的是，如使用爬罐型号不同，则应对其动、
静荷载复合后使用。
6．2 拉拔试验的一般要求
拉拔试验应在爬灌使用验收前完成。用于试验
的膨胀螺栓可选在工作面附近围岩较差部位布设，
分1或2组，每组3根。同等条件下，膨胀螺栓长
度可首先选择0．8 in进行试验， 如果满足要求， 其
他长度无需再做， 如不满足要求， 需增加膨胀螺栓
长度，直至满足要求。一般情况下， 拉拔值大于或
等于标准安全值即可，无需做破坏性拉拔试验。
7 结语
有资料显示， 目前我国抽水蓄能电站装机容量
占比不足2％ 。抽水蓄能电站将面临新的发展机遇
期，加上常规水电的再发展，斜井导井施工会大量
存在。现阶段，使用爬罐进行斜井的(下转第96页)
Po VoL 42Ⅳn 4 囫
全流域来水情况， 水库水位宜在9月底前蓄至正常
蓄水位600 m。12月下旬水库开始进入供水期， 应
统筹考虑供水期整体效益，合理消落供水期水库水
位。溪洛渡供水期内水位应不低于死水位， 同时6
月底水位宜按防洪限制水位560 m 控制。
(2)电站在系统中的运行方式和供电不同电网
分电方式。《调度规程》中根据溪洛渡水电站的工程
特点提出了在电力系统中的调峰运行方式，考虑到
溪洛渡水电站左、右岸电站分别供电国家电网和南
方电网的特殊性， 提出了一电厂在不同电网中的分
电方式。溪洛渡水电站直流远距离大容量输电到华
东和华南地区，考虑到有利于直流输电线路和水轮
发电机组的安全、经济运行， 溪洛渡水电站参与调
峰运行时应在当地调峰能力不足时再调用溪洛渡机
组，并确保直流输电线路的安全运行。考虑到溪洛
渡水电站距离两个电网负荷中心均较远，不宜承担
过多的事故备用容量。溪洛渡供电不同电网，按照
相关的分电比例协议实施。实施时应尽量保证两电
网的年电量达到规定的分电比例，两电网日电量没
有达到分配比例可以在月调度中滚动修正，两电网
月电量没有达到分配比例可以在年调度中滚动修正，
年电量未达到规定分配比例的处理方式可在购售电
协议中予以明确。
(3)水轮发电机组安全稳定运行要求。《调度规
程》中明确了机组的安全稳定运行要求和机电设备对
发电调度的要求。根据机组招标模型压力脉动试验
成果，提出水轮机在预想出力50％ 以下范围内运行
时，压力脉动相对较大，属于不推荐的运行区； 机
组开停过程中应快速通过。通过调保计算提出了机
组发电运行的约束。
2．4 其他运用要求
溪洛渡水电站可研设计时有关部门未对工程提
出过较为明确的航运需求。随着近年来社会经济的
发展，溪洛渡坝下游的通航对电站调度运行提出了
(上接第67页)反导井开挖是主要施工手段之一。随
着安全意识的不断增强和安全生产管理更加严格，
对爬罐安全性试验也会提出一些新的要求。研究和
确定ALIMAK爬罐轨道膨胀螺栓抗拉试验标准安全
值，对于确保安全生产具有现实意义，也将为满足
市场需求提供便利条件。
致谢： 文中计算部分由上海交通大学船舶与
建筑学院土木工程系博士生导师、副教授邓雪原
和硕士研究生周洪波复核、校验。在此表示
感谢!
圜Wa Po VoL 42 No．
新的需求。溪洛渡水电站为电力系统中重要调峰电
源，其调峰运行产生非恒定流将对向家坝库区通航
河道水流产生一定影响。《调度规程》编制时结合新
的形势和需求， 以系统中最不利的调峰运行工况初
步分析，溪洛渡坝址下游约25 kIn河段范围内基本
不满足通航水位变幅要求， 非恒定流对航运影响较
大。为确保生命财产安全，提出考虑适当留有余地，
暂按坝址至下游30 km 范围内为限制通航区域， 并
做好相应警示标志。下一步， 应根据在系统中的各
种实际典型运行情况， 结合溪洛渡和向家坝联合调
度，进一步研究改善通航条件的可行性。
3 结语
《金沙江溪洛渡水电站水库运用与电站运行调度
规程》已经开始用于全面系统指导溪洛渡水电站各项
调度运行工作， 以保证工程安全，充分发挥电站的
综合效益。随着流域梯级水电站的相继建成，越来
越多的单一和梯级水电站需规范调度工作。本文所
述《调度规程》的编制和经验总结可以为今后国内其
他水电工程开展相应规范调度工作提供参考，具有
较好的范例应用前景， 还将实现更大的社会效益。
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(责任编辑 陈 萍)
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(责任编辑焦雪梅)

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