架空索道在水电站压力管道施工中的应用

摘要：在西部地势险要山区进行水电站压力管道施工时，经常遇到压力管道布置在陡峭的山坡上，给压力钢管的运输带来极大不便，若在陡峭的山坡上修建施工道路不仅难度大、成本高，还易诱发地质灾害。架空索道成功的解决了压力管道钢管运输的问题。本文对架空索道的设计及结构计算进行介绍，为类似工程的施工提供借鉴。

关键词：架空索道；设计；结构；计算；水电站；压力管道

中图分类号：S611文献标识码： A

在水电站施工中，经常遇到压力管道布置在高陡的山坡上，给压力钢管运输至安装作业面带来极大不便。此时根据地形地势，架空索道经常成为压力钢管运输方案的首选[1]。阿呷水电站压力管道布置在四川省凉山州甘洛县吉米河左岸山体，平均坡度47°，海拔高程1612.55～1797.00m。压力管道由上平段和斜管段组成，总长约403m，钢管内径2m，壁厚10～24mm，单节长度2m，单节最重2.4t。为保证把钢管顺利转运至安装作业面，修建施工道路不仅石方钻爆开挖量大，而且还可能因修建道路使山体形成不稳定边坡诱发地质灾害。经过综合分析，决定采用架空索道把压力钢管运输至安装作业面。

1 索道的初步设计

1.1 索道主要技术参数

形式：单索牵引式货物架空索道

平距：213.32m；

斜距：296.55m；

高 差 角：44°；

高 度 差：206.00m；

运载能力：最大运载能力3t。

1.2、索道主要构件

⑴ 架空索道剖面示意图见图1。

图1 架空索道剖面示意图

1-承载索 2-起重绳 3-牵引绳 4-行走滑车 5-吊钩

6-固定滑车7-上地锚 8-下地锚 9-牵引卷扬机 10-起重卷扬机

⑵ 钢丝绳参数表[2]。

规格 承载索 起重索 牵引索

型号 6×19WS+1WR 6×19WS+1WR 6×19WS+1WR

绳径(mm) 40 17 17

丝径(mm) 2.6 1.1 1.1

自重(kN/m) 0.0572 0.010 0.010

截面积(mm2) 604.95 108.28 108.28

抗拉强度(MPa) 1850 1850 1850

破断拉力(kN) 951.28 170.27 170.27

弹性模量(MPa) 78900 78900 78900

⑶ 牵引系统和起重系统各采用1台11.5t卷扬式起重机。承载索用上、下地锚固定，上地锚采用8根Φ30水泥砂浆锚杆固定于基岩上，锚固长度6m，再用钢板将所有锚杆组焊连接成整体，索道承载索、起重绳及部分固定滑车部件固定在钢板上。下地锚采用4×2×4m 、C20钢筋混凝土重力式锚碇，混凝土容重24kN/m3,下地锚自重为768kN。

2 索道主要结构计算

2.1 承载索

⑴ 水利水电工程中，架空索道承载索的工作垂度一般为0.05～0.07，最理想的垂度为0.055～0.06 [1]，本工程取0.06，即跨中最大挠度。

⑵ 在吊重作用下，当跑车位于跨中时承载索张力的最大水平分力计算公式为：

[3]

式中：为承载索最大水平张力；为承载索的有效重量；为承载索平距；为承载索最大垂度；为最大吊重。

⑶ 以集中荷载作用于水平距离位置时，由静力平衡条件计算承载索在两锚固端的垂直分力计算公式分别为：

式中：为高差角度。

安全系数

式中：为钢丝绳极限拉断力。

（满足）

⑷ 总拉应力验算

根据《路桥施工计算手册》拉应力公式为：

式中：主索弹性模量=78900MPa；F为钢丝绳截面积；为承载索上的行车轮数，此索道承载索上的行车轮数为4。

式中：为抗拉强度。

⑸ 接触应力验算

根据《路桥施工计算手册》拉应力公式为：

式中：为构成钢丝绳的钢丝丝径；为平滚最小直径，实际直径为400mm。

（满足）

2.2 起重索

⑴ 起重索滑轮组工作线数2、滑轮组滑轮的转轮数1、转向滑轮滑轮数4，则轮轴工作系数为[2]，因此

⑵ 总拉应力验算

⑶ 接触应力验算

式中：为构成钢丝绳的钢丝丝径；为平滚最小直径，实际直径为200mm。

2.3 牵引索

牵引索引力由跑车运动阻力W1、起重索运动阻力W2和牵引索运动阻力W3三部分组成。

⑴ 跑车运动阻力

当跑车运行至压力钢管顶端G1镇墩处，即=191m位置时爬升角最大，牵引索各项阻力最大，因此只需验算此位置处牵引力即可。

式中：为钢丝绳与跑车的运动阻力系数，根据《路桥施工计算手册》表14-5， 取0.02。

⑵ 起重索运行阻力

式中：为起重索与穿过滑车的效率，根据《路桥施工计算手册》表14-6，取0.94，为起重索所穿过跑车和下面滑车的数量，取5。

⑶ 牵引索的自然张力

式中：为牵引索最大跨度191m；为牵引索跨中垂度，取L/10=21.33m。

⑷ 牵引索总牵引力

⑸牵引索最大张力

式中：牵引索穿过滑车的数量为3。

⑹ 牵引索拉力安全系数

⑺ 牵引索接触应力和安全系数

2.4 上地锚

2.4.1 计算原理

锚固体的承载能力由注浆体与锚孔壁的粘接强度、锚杆与注浆体的粘接强度及锚杆强度等三部分控制，设计时取最小值[4]。

2.4.2 单根锚杆的强度

⑴ 锚杆钢筋的屈服应力Rs；

式中：为锚杆数量；锚杆抗力工作条件系数，临时锚杆取0.92；为锚杆直径；为锚杆抗强度设计值，取360MPa[5]。

⑵ 锚杆与砂浆直接的粘接力Rb；

式中：为锚杆数量；为锚杆与锚固砂浆间的粘接强度设计值，M30水泥砂浆接强度取2.4MPa[4]，为钢筋与砂浆粘接强度工作条件系数，临时锚杆取0.72；为锚杆直径；为锚杆与砂浆间的锚固长度，锚固长度为6m。

⑶ 砂浆与岩体之间的粘接力Rg；

式中：为锚杆数量；为地层与锚固砂浆间的粘接强度，取0.38MPa[4]；为锚杆直径；为锚杆与砂浆间的锚固长度。

承载索最大张力226.04kN，Rs、Rb、Rg的计算结果均远远大于承载索最大张力。

2.5 下地锚

重力式锚碇利用其自重来平衡拉力，锚碇剖面示意图见图2。

图2 锚碇剖面示意图

⑴ 倾覆稳定性验算

式中：为稳定力矩；为倾覆力矩；P为锚碇自重；T为拉力。

（满足）

⑵ 上拔力安全系数

式中：牵引索拉力T的竖直分力，

（满足）

⑶ 抗滑稳定性验算

式中：为基底摩擦力，为锚碇与基底的摩擦系数，锚碇基底为碎石土，取0.6[6]。

（满足）

3 结语

⑴ 施工中，索道具有结构简单、工作效率高、运输距离远、费用低等特定，是水电站压力管道钢管、材料等运输方案的首选。

⑵ 通过项目工程技术部门研究出运行安全，结构合理，性价比优的索道，达到尽量少浪费材料，节约工程成本。

参考文献

[1]《架空索道设计及结构计算》，孙志峰

[2]《路桥施工计算手册》，周水兴、何兆益

[3]《市政工程施工计算实用手册》，段良策

[4]《公路路基设计规范》（JTGD30―2004）

[5]《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)

[6] 《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）