預(yù)應(yīng)力錨索在水利大壩下游沖坑邊坡防護(hù)工程中的應(yīng)用

劉 康

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081）

1 工程概況

高摩贊水利大壩樞紐工程位于巴基斯坦西北邊境省境內(nèi)印度河支流Gomal Zam河上，壩址以上流域面積為2.9萬km2，工程以灌溉為主，兼顧防洪發(fā)電。工程主要由碾壓混凝土曲線重力拱壩、電站廠房、分水堰及6.6萬 hm2的灌區(qū)組成。

大壩下游防護(hù)工程位于壩軸線下游0+135 m～0+300 m樁號之間。樁號0+078 m～0+135 m為消力池護(hù)坦以及兩岸混凝土護(hù)坡；樁號0+135 m～0+235 m為鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力錨索用以加固沖坑兩岸邊坡；在樁號0+300 m處為二道壩。

2 兩岸地質(zhì)特性

大壩兩岸主要由侏羅系的灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖及第四系全新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石組成，兩岸巖層傾向上游，走向與岸坡夾角較大，兩岸邊坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。但因斷層、裂隙等切割及強(qiáng)烈卸荷作用，兩岸發(fā)育有危巖體及松動巖體。

壩址與下游防護(hù)區(qū)域位于由侏羅系碳酸鹽巖類地層和泥質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖組成的短軸背斜的西翼，總體上呈單斜構(gòu)造、局部小褶曲發(fā)育。巖層總體走向NW320°～350°、傾向 SW（上游偏右岸）、傾角 30°～70°。主要構(gòu)造形跡為斷層、裂隙及層間剪切帶。

3 邊坡加固形式

下游防護(hù)工程樁號0+135 m～0+235 m范圍內(nèi)屬于大壩底孔挑流消能的沖刷區(qū)和霧化區(qū)，工程區(qū)域兩岸邊坡從河床底部至高程EL.642.8 m之間巖石完整、密實，河道及岸坡經(jīng)過古河道長期沖刷巖面平順、光滑，無需做特別的加固措施。

為了避免大壩泄洪過程中的沖刷對沖坑兩岸邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生影響，順河道兩岸邊坡在 EL.642.8～646.8 m 之間開挖一條馬道，并設(shè)置高4 m、寬3 m的鋼筋混凝土梁。 然后再在梁的腹部、高程為 EL.644.8 m、每間隔5 m，布置深度為30 m、預(yù)應(yīng)力為1000 kN的錨索對岸坡進(jìn)行加固。

對 EL.646.8～740.0 m 范圍內(nèi)的霧化區(qū)采用混凝土掛網(wǎng)噴護(hù)，配Φ25 mm隨機(jī)錨桿（錨桿長5.9 m帶0.1 m直角彎頭）對邊坡進(jìn)行錨固，整個噴護(hù)區(qū)按照間排距3 m×4 m布置深度3 m、直徑40 mm的PVC排水孔。

4 預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)

預(yù)應(yīng)力錨索的主要參數(shù)包括根據(jù)設(shè)計的錨固力選取適當(dāng)?shù)腻^索體截面積和錨固段長度。

4.1 錨索體截面積

式中：A—錨索體截面積，m2；

Sf—安全系數(shù)（永久工程）取 1.5；

Tw—錨索工作錨固力1000 kN；

Fptk—錨索體材料破斷強(qiáng)度（按美國標(biāo)準(zhǔn)（ASTM a416-96）生產(chǎn)的7Φ5的鋼絞線制作的預(yù)應(yīng)力錨索，鋼絞線的強(qiáng)度級別為270 ksi），此鋼絞線對應(yīng)的公稱抗拉強(qiáng)度為1860 N/mm2，單根鋼絞線截面 a＝140 mm2。

參照同類工程經(jīng)驗，最終確定使用7根鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力1000 kN的單根錨索體，能夠滿足要求。

4.2 錨索體錨固段長度

錨索體的錨固段長度取決于兩個因素：一個是注漿體與地層界面之間的錨固力；另外一個是錨索體與注漿體之間的錨固力。比較兩個錨固力各自所需的錨固長度，然后取其大值作為錨索體錨固段的最終長度。

注漿體與地層界面之間的錨固力計算基于以下3個假設(shè)條件：

（1）錨固體傳遞給巖體的應(yīng)力沿錨固段全長均勻分布。

（2）鉆孔直徑與錨固段注漿體直徑相同，即在注漿時地層無壓縮現(xiàn)象。

（3）巖石與注漿體界面產(chǎn)生滑移（硬巖、孔壁光滑）或剪切（軟巖、孔壁粗糙）破壞。

注漿體與地層界面之間錨固段長度[2]計算公式為：

式中：L—錨固段長度，m；

Tw—錨索工作錨固力1000 kN；

Sf—安全系數(shù)（永久錨索）取3；；

D—鉆孔直徑110 mm；

τs—孔壁與注漿體之間的極限黏結(jié)強(qiáng)度（與灰?guī)r的結(jié)合強(qiáng)度為 1.1～1.5 MPa），取 1.1 MPa，即1100 kPa。

錨索體與注漿體的錨固長度[1]計算基于剪應(yīng)力均勻分布的假設(shè)，其計算公式為：

式中：L＇— 錨固段長度，m；

Tw—錨索工作錨固力1000 k N；

Sf—安全系數(shù)（永久錨索）取3；

n—鋼絞線根數(shù)，7根；

d—鋼絞線直徑 0.01524 m；

τu—極限剪應(yīng)力（鋼絞線的極限剪應(yīng)力≤2），取1500 kPa。

綜合比較 L 與 L＇，L〉L＇，錨索體錨固段的長度為7.896 m，施工過程中取 8 m。

預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖

5 預(yù)應(yīng)力錨索施工

高摩贊大壩下游防護(hù)工程總共布置39根長30 m、單根張拉力為1000 kN的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索；其中左岸0+135 m～0+230 m樁號范圍內(nèi)布置19根，右岸0+135 m～0+235 m樁號范圍內(nèi)布置20根，錨索間距為5 m，傾角分為0°、-5°兩種，采取間隔布置的方式。所有錨索的高程位于 EL.644.8 m。

預(yù)應(yīng)力錨索施工主要包括鋼筋混凝土梁澆筑和錨索施工，其中錨索施工的主要工序為鉆孔、編錨和下錨、錨墩澆筑、錨索注漿、錨索張拉、鎖定、外錨頭保護(hù)。

5.1 鋼筋混凝土梁澆筑

下游防護(hù)左岸0+135 m～0+230 m樁號范圍和右岸0+135 m～0+235 m 樁號范圍內(nèi)在 EL.642.8 m 高程分別開挖一條寬3.5 m的馬道。然后再在馬道上靠邊坡一側(cè)布置寬3 m、高4 m的鋼筋混凝土梁。鋼筋混凝土梁每隔10 m設(shè)置一條伸縮縫，采用2 cm厚瀝青木板作為分縫材料，混凝土澆筑方式采用泵送。

5.2 鉆孔

鋼筋混凝土梁在達(dá)到28 d齡期后開始進(jìn)行鉆孔，在梁的正前方搭設(shè)腳手架作為鉆孔平臺。采用YXZ10A潛孔鉆造孔，錨索孔孔徑Φ110 mm，固結(jié)灌漿孔孔徑不小于Φ60 mm。孔位符合設(shè)計要求，孔位偏差不得大于10 cm，孔深大于30 m。在鉆孔過程中對各種異常情況（如巖層、巖性變化、鉆速變化、涌水、巖芯破碎情況）進(jìn)行記錄并會同現(xiàn)場設(shè)計人員予以處理。整個鉆孔過程滿足如下質(zhì)量控制要求：

（1）鉆孔應(yīng)滿足設(shè)計圖紙要求的參數(shù)，孔深不小于設(shè)計孔深且不大于設(shè)計長度的1/30，鉆孔水平方向的誤差不應(yīng)大于50 mm，垂直方向的誤差不應(yīng)大于100 mm。

（2）鉆孔前先對破碎巖層進(jìn)行固結(jié)灌漿，然后再進(jìn)行錨索鉆孔；在鉆孔過程中遇到破碎巖體和地下水從孔口溢出時，處理方式為：先停止鉆孔，然后對此段巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿，待注漿體固化后再繼續(xù)鉆進(jìn)。

（3）鉆孔用水使用清水，當(dāng)鉆孔用水可能影響巖層穩(wěn)定性時應(yīng)采用無水鉆進(jìn)。鉆孔孔壁上附著的粉塵、巖屑應(yīng)使用高壓空氣或清水進(jìn)行徹底清洗，以保證注漿體與孔壁的黏結(jié)強(qiáng)度。

鉆孔完成后首先進(jìn)行壓水試驗。為了保證在錨索注漿時漿液不會從孔內(nèi)的裂縫中流失，在鉆孔完成之后要對鉆孔進(jìn)行壓水試驗。當(dāng)鉆孔經(jīng)過壓水試驗后，測得鉆孔在0.1 MPa的壓力水作用下10 min內(nèi)平均漏水量超過5 L/min時，應(yīng)對鉆孔進(jìn)行預(yù)注漿；待注漿體固化后再進(jìn)行鉆孔并重復(fù)壓水試驗，直到漏水量滿足要求（10 min內(nèi)平均漏水量低于5 L/min）為止。

5.3 錨墩澆筑

鉆孔完成后在孔口處澆筑鋼筋混凝土錨墩，錨墩的體型為正四棱臺，高度為 0.2 m，頂面寬度為 0.5 m，地面寬度為1 m。混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為25 MPa。順錨墩與鉆孔中心預(yù)埋長3.5 m、DN100 mm的導(dǎo)向鋼管，在錨墩靠外一面預(yù)埋承壓鋼板 （250 mm×250 mm×30 mm），在錨墩上方預(yù)埋一根PVC排氣管用以連通錨索孔。澆筑前將錨墩范圍內(nèi)的鋼筋混凝土面清洗干凈，然后將鋼筋混凝土錨墩、承壓鋼板、導(dǎo)向鋼管澆筑成一個整體。

5.4 編錨和下錨

編錨工序在具有防雨功能的編錨車間內(nèi)進(jìn)行，車間長度35 m，在車間內(nèi)搭設(shè)一個高0.8 m、寬1 m、長31 m的編錨平臺。編錨材料為帶護(hù)套的鋼絞線，在編錨過程中先將錨固段8 m范圍內(nèi)的護(hù)套剝?nèi)ィ⑹褂们逑匆簩⒆o(hù)套內(nèi)壁附著在鋼絞線上的油脂清洗干凈。錨固段的隔離板間距為1 m，隔離鋼板之間采用鉛絲綁扎作為束線環(huán)；張拉段的對中隔離板間距為2 m；注漿導(dǎo)管在此過程中一并布入錨索內(nèi)部；在錨索錨固段端頭設(shè)置一個導(dǎo)向帽。

下錨前首先對鉆孔重新進(jìn)行檢查，對塌孔、掉塊進(jìn)行清理或處理；然后再進(jìn)行下錨，推送錨索時用力均勻一致，以防止在下錨過程中損傷錨索配件和防護(hù)層，推送時不要使錨體轉(zhuǎn)動，并不斷檢查注漿管，以免管子折死，確保錨索就位后注漿通暢。

5.5 錨索注漿

注漿是錨索施工中最為關(guān)鍵的工序之一，其效果的好壞直接影響到錨索的錨固性能和永久性。

錨索施工期應(yīng)盡可能避開最低氣溫月份。本工程安排在3、4月份進(jìn)行，平均氣溫為 18℃～23.3℃。滿足注漿時漿體溫度在5℃以上的要求。

注漿漿液采用的水灰比為0.4∶1，抗硫酸硅酸鹽水泥的標(biāo)號為 425，灌漿壓力為 0.3～0.5 MPa，水泥結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度不低于30 MPa。拌制的水泥漿隨拌隨用，對超過初凝時間的漿液予以廢棄。遇孔內(nèi)水時，其處理措施為：用注入的漿液將孔內(nèi)積水全部排出，待溢出漿液的稠度與注入漿液的稠度一樣后即表明水已經(jīng)被排出干凈。待漿液上升至孔口頂部時，注漿結(jié)束。

5.6 錨索張拉和外錨頭防護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨索張拉過程中，采取先對單根錨索進(jìn)行預(yù)張拉，然后對錨索整體進(jìn)行分級張拉的方法來減小錨索整體的受力不均勻性。

預(yù)張拉應(yīng)力為設(shè)計預(yù)應(yīng)力的5%，即50 k N；分級張拉分為 5 級：300、600 、900、1000 kN 和超拉 1050 kN（用以克服因錨具回縮等原因造成的預(yù)應(yīng)力損失）。每一級張拉達(dá)到預(yù)定值后，穩(wěn)壓10 min，然后做好錨索實際伸長記錄。張拉時，加載速率平緩，速率控制在設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的0.1 min-1，卸荷載速率控制在設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的0.2 min-1。張拉完成后48 h內(nèi)，檢查預(yù)應(yīng)力損失，若大于設(shè)計預(yù)應(yīng)力的10%，則進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

張拉采用配套的張拉系統(tǒng)，即張拉千斤頂、油壓表、油泵以及用于連接的高壓油管。

本工程錨索張拉在錨固注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度達(dá)到30 MPa及錨墩混凝土等的抗壓強(qiáng)度達(dá)到25 MPa后進(jìn)行。張拉千斤頂應(yīng)事先進(jìn)行檢測、標(biāo)定和校準(zhǔn)，本工程使用的千斤頂在150～1500 kN范圍內(nèi)的校正方程為：

式中：y—標(biāo)準(zhǔn)荷載，kN；

x—進(jìn)程示值（油壓表讀數(shù)），MPa。

張拉前根據(jù)校正方程計算出各級張拉預(yù)定值。

錨索體的理論伸長值根據(jù)胡克定律[3]計算：

式中：Δl—理論伸長值，mm；

N—軸向拉力，N；

L—自由段長度，22000 mm；

E—鋼絞線彈性模量，195000 MPa；

A—錨索體截面積，7×140＝980 mm2。 錨索體在各級軸向張力作用下的理論伸長值及±10%偏差值見表1。

表1 錨索體在各級荷載下的理論伸長值

施工過程中實際張拉錨索39束，其中左岸19束，右岸20束，此處僅以TL-14和TL-19為例分析錨索在各級張拉力作用下的實際伸長值和理論伸長值做對比分析，分析結(jié)果見表2。

如表2所示，錨索在各級張拉力作用下實際伸長值和理論伸長值偏差率均控制在±1%范圍內(nèi)，滿足張拉施工的要求，張拉完成后及時進(jìn)行鎖定。張拉完成48 h后，通過工作錨下方的測力計檢查預(yù)應(yīng)力錨索的實際鎖定荷載，并與錨索設(shè)計預(yù)應(yīng)力進(jìn)行比較以核定該預(yù)應(yīng)力是否滿足設(shè)計要求。當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失超過設(shè)計張拉力的10%時，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償張拉。補(bǔ)償張拉應(yīng)在鎖定荷載基礎(chǔ)上通過張拉過程使用的配套張拉系統(tǒng)一次性將錨索張拉至超張拉荷載1050 k N并再次鎖定，對錨索進(jìn)行的補(bǔ)償張拉，最多進(jìn)行兩次，否則對錨索體材料和錨板夾片均會有損害。

補(bǔ)償張拉完成后，經(jīng)檢查合格的錨索需將外露的多余鋼絞線進(jìn)行割除，保留2～3 cm，然后使用無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索專用防腐潤滑脂進(jìn)行外錨頭防護(hù)，最后將整個外錨頭使用混凝土進(jìn)行封閉。

5.7 錨索質(zhì)量控制

錨索的施工質(zhì)量控制首先是建立健全的規(guī)章制度；其次是在各關(guān)鍵工序（尤其是在鉆孔、錨索灌漿和分級張拉過程中）設(shè)立專人專職，并做好施工過程中的質(zhì)量自檢和互檢；第三在水平流水作業(yè)工程中，下一道工序的進(jìn)行必須建立在上一道工序合格的情況下；最后在施工過程中發(fā)生質(zhì)量事故時，立即停止施工并分析原因，然后進(jìn)行處理。

5.8 施工安全控制

錨索施工安全首先應(yīng)確保作業(yè)邊坡的安全，對危險邊坡進(jìn)行掛網(wǎng)噴護(hù)預(yù)防邊坡滾石；然后是鉆孔過程中對粉塵進(jìn)行控制，采用合適功率的吸塵器并且要求作業(yè)人員佩戴防塵口罩，注漿工程中作業(yè)人員佩戴專用防護(hù)眼鏡及衣服以防止高壓漿液噴出致傷；最后在張拉時不得碰撞液壓千斤頂，千斤頂后方區(qū)域嚴(yán)禁站人，并在作業(yè)區(qū)域內(nèi)有人員出入的地方設(shè)置警示標(biāo)牌和防護(hù)網(wǎng)。

表2 錨索體張拉數(shù)據(jù)對比分析表

6 結(jié)語

（1）高摩贊大壩下游防護(hù)工程是大壩泄洪的關(guān)鍵部位，在沖坑兩岸設(shè)置1000 kN預(yù)應(yīng)力錨索是兩岸邊坡穩(wěn)定的有力保證。

（2）錨索施工鉆孔過程中，通過固結(jié)灌漿首先對不良巖層部位進(jìn)行加固處理是預(yù)應(yīng)力錨索實現(xiàn)設(shè)計錨固力的關(guān)鍵。

（3）張拉過程中先對單根錨索進(jìn)行預(yù)張拉，然后對錨索體進(jìn)行整體分級張拉能夠有效降低錨索的受力不均勻性，避免單根錨索的超拉或是欠拉，從整體上提高了錨索張拉質(zhì)量。

（4）外錨頭的防腐處理能夠保證錨索的設(shè)計使用年限。

因此，該工程下游防護(hù)工程沖坑兩岸邊坡經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索加固后，已經(jīng)成功通過高摩贊大壩2011年和2012年汛期大壩底孔泄洪的檢驗。

[1］史桂合，鄧 雙.碾壓砼施工技術(shù)在高摩贊大壩中的應(yīng)用[J］.江西水利科技，2012（1）：1.

[2］梁炯鋆.錨固與注漿技術(shù)手冊（第1版）[M］.北京：中國電力出版社，1999：54，42，50.

[3］杜慶華.工程力學(xué)手冊（第1版）[M］.北京：高等教育出版社出版，1994：1397.