自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索在深溪沟水电站右坝肩边坡加固工程中的应用.doc

自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索在深溪沟水电站右坝肩边坡加固工程中的应用

摘 要：简要叙述了深溪沟水电站右坝肩高边坡的不良地质情况及加固措施,重点叙述了自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索加固边坡的特点和施工工艺。
关 键 词：自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索 施工工艺
中图分类号：TU 352 文献标识码：A

Application of Freestyle Single-hole muti-anchorge antiseptic reinforced cable on the Right Dam Abutment Slope of ShenXiGou Hydroelectric Station

Yu GuanFu
(1 College of Civil & Hydropower Engineering, China Three Gorges Univ. Yichang 443002, Hubei)
Abstract: In this paper, the adverse geological conditions and the reinforcement measures of the high slop right abutment of ShenXiGou Hydroelectric Station was briefly described, and focus on the characteristic and construction technology of the freestyle single-hole muti-anchorge antiseptic reinforced cable.
Key words: Freestyle Single-hole muti-anchorge antiseptic reinforced cable construction technology

1 　工程概况
深溪沟水电站位于四川省大渡河干流中游汉源县及甘洛县境内，坝型为混凝土重力坝，河床式厂房布置。厂坝枢纽工程右岸边坡开挖高170m左右，属高陡边坡，地层岩性为灯影组中厚层状白云岩、白云质灰岩。边坡岩体以弱风化、强卸荷的岩体为主，岩体结构以镶嵌碎裂结构岩体为主，局部块裂结构，边坡中上部岩体以Ⅳ级岩体为主，中下部以Ⅲ级岩体为主、其次为Ⅳ类。边坡区主要软弱结构面为较平缓的顺层挤压破碎带及层面裂隙，据产状分析对边坡稳定性不起控制作用，因此边坡整体稳定。
岸坡地形陡峻，以陡坡为主，缓坡呈狭窄阶状带状分布，陡坡地形坡度达70°以上，坡面表部受卸荷及两缓裂面组合，随机分布小型危石、危岩，规模一般几方至十多方、几十方不等，这些陡坡高陡，人工或机械均难以处治，但其对工程安全影响较大，特别是在暴雨或地震、爆破振动下可能会产生坠落、崩塌。
2 　自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索加固方案
2. 1 　自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索简介
自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索[1]是四川省重点科技项目成果。该锚索针对传统预应力锚索对复杂地层适应性差、锚固段应力集中、地下水对锚索钢绞线的侵蚀、锚固段需扩孔或增长及采用二次注浆等不足，采用单孔多锚头防腐型结构。该锚索结构基本组成为：导向帽、单锚头、锚板、注浆管、高强低松弛无粘结钢绞线等。一根锚索由多组锚头构成，每组锚头包括锚板、单锚头，锚头数目及组合结构根据工程地质特性和锚索吨位大小进行选择。
2. 2 　加固方案
边坡预应力锚索均采用自由式单孔多锚头防腐型锚索，间距5.0m，交错布置，见图1。锚索张拉力分别为2000kN、3000kN。锚索长深为40m、45m、50m、55m。2000kN和3000kN预应力锚索钻孔孔径分别为165mm、180mm。其主要参数见表1。

表1 预应力锚索参数表
锚索型式
锚索级别
孔深（m）
孔径（mm）
钢绞线根数
无粘结
2000kN
40和45
165
12
3000kN
50和55
180
19

2. 3 　锚索的杆体结构

锚索由钢绞线、导向帽、架线环、波纹管、锚垫板及锚头等部件组成，见图2和表2,根据其受力状态可分三段:锚固段:依靠浆体与周围岩土之间的摩阻力来提供锚固力;自由段:主要起传力作用,长度与破碎岩层或滑体厚度有关；张拉段:指锚头以外部分,为锚索张拉锁定施加预应力而预留的,张拉锁定后割断钢绞线。

3 　施工工艺
压力分散型预应力锚索施工工艺流程:钻孔→锚索制安→注浆→锚索框架→锚索张拉→封口注浆。
3. 1 　钻孔
按设计桩号采用拉线尺量放线,定出孔口位置,按设计孔口位置在脚手架上安装专用机座及钻机,用方向架放出锚索方向角,以测角仪调整倾角达设计要求(设计要求孔倾斜误差≤2°) ,将钻机、机座及脚手架固定好,复核孔口位置、方位和倾角,确认无误后,安上冲击器和钻头,接上风管,进行钻孔,钻孔过程中应超钻2m 为宜。钻孔结束后,取下钻杆及钻具,冲洗干净,摆放整齐以备继续使用。另用一根聚乙烯管复核孔深,并以高压风吹孔,待孔内粉尘吹净,拔出聚乙烯管,以织物或水泥袋纸塞好孔口备用。钻孔过程中应注意的事项:
(1) 锚索孔钻进过程中禁止水冲,采取干钻,防止边坡岩体工程地质条件恶化；
(2) 锚孔允许误差±2°,钻孔深度要求大于设计孔深0.2m；
(3) 钻进过程中应对每一孔地层变化(岩粉情况) 、钻进情况(钻压、钻速) 、地下水情况,以及某些特殊情况等,进行记录,若遇坍孔,应立即停钻进行固壁灌浆处理(灌浆压力0. 1～0. 2MPa) , 待凝1-2天即可进行固结灌浆孔扫孔；
(4) 钻进完成后须使用高压空气(风压0. 2～0. 4MPa) 将孔中岩粉及水全部清理干净,以免降低水泥净浆与孔壁岩体的粘结强度；
(5)钻孔结束达到设计要求后，进行测斜，测斜采用多点照像测斜仪，检查合格后临时封孔保护；
(6) 锚孔完成后须经质检部门检查验收合格后方可进行下一道工序的施工；
(7) 钻孔中特殊情况的处理:
①渗水的处理。在钻孔过程中,或钻孔结束后吹孔时,如吹出的不是粉尘,而是一些小石粒或黄色泥团甚至泥浆,这说明孔内渗水,岩粉大多贴于孔壁,需根据渗水量大小进行不同处理。当渗水量不大时,钻机可以工作,钻至设计孔深,撤出钻杆,以0. 6～0. 8MPa 的高压水、气,将孔内残余岩粉或泥浆吹出,直至吹出净水为止。当孔内渗水量较大时,则需进行固壁防渗注浆处理,具体方法是:先洗孔(方法同前) ,然后灌浆,浆液为水泥砂浆和水玻璃的混合液,灌浆采用从内至外分段灌注(孔浅可一次灌注) ,一般锚固段做一次灌注,张拉段根据孔内吸浆量可分2～3 段进行。注浆压力根据钻孔深度与岩石完整情况而定, 一般为0. 3～0. 4MPa ,在可能的条件下可适当加大压力以提高灌浆质量。待灌入的水泥浆达到一定强度后,重新钻孔至设计标准；
②坍孔处理。当钻孔穿过强风化岩或岩体破碎带时,往往会出现坍孔。坍孔的主要特征是:从孔内吹出的岩粉中夹杂一些原状(非钻头击碎的、非新鲜的、无光泽的) 石块,这时,不管钻进深度如何,都要果断地立即停止钻进,拔出钻具,进行固壁灌浆。灌浆的方法同防渗处理。

钢绞线检查下料
附件加工
锚索制作
建施工平台
钻 孔
孔道验收
张拉垫座砼浇筑
锚索灌浆
外锚头封裹
张拉锚固
图3 锚索施工工艺流程图

施 工 准 备
穿 索
钢铰线运输
锚头处理
制浆
机具率定

3. 2 　预应力锚索体制作
根据现场实际情况，因交通不便，锚索整体运输极为不便，因此，锚索不便集中制作。锚索拟采取在加工场集中下料，由提升架分散运输至各层施工平台上制作安装。
⑴断料：钢铰线断料拟在加工车间内专用生产线上完成。钢绞线按工作长度用砂轮切割机断料后，将钢绞线圈盘存放待运。钢绞线断料前，应按规定要求对其进行抽样检查，不合格的钢绞线坚决予以剔除。
⑵锚索制作：由于钢绞线集束后，索体较重，且因施工现场的具体条件限制，锚索拟在右岸施工现场附近搭设的锚索制作间内的操作平台上进行锚索制作。
① 锚索编制前，对锚索附件进行检查；编制时，将钢绞线与各种进、回浆管，平行堆放于操作平台上，钢绞线按顺序用铅丝编帘，对进、回浆管加以标识，然后安装架线环等附件。
② 将预应力锚索锚固段8m长的无粘结钢绞线剥去PE护套，将油脂等涂层清除干净。并将钢铰线PE套管切割处用胶带缠封，以免灌浆时浆液浸入或油脂外露。对于外锚固段，在锚索制作时，可在孔口内距孔口40cm的位置用刀环向切割钢绞线PE护套，然后用水密性胶带将切口进行密封。
③ 锚索沿长度方向每隔2m-3m安装一块隔离架，两个架线环中间采用铅丝进行绑扎，使锚根段形成枣核状。锚索绑扎时保证钢绞线进回浆管平行，并不出现交叉现象。
将锚索套上波纹管，然后按设计要求对安装波纹管封堵器，然后将封堵器内充填环氧砂浆。灌注环氧砂浆之前，将钢绞线与隔离架之间的的空隙用石棉充填。然后，用人工将环氧砂浆灌入封堵器中。环氧砂浆终凝后，用无锌铅丝将波纹管和钢绞线帮扎牢固。
④ 在波纹管外侧安置外对中支架，以保证锚索体与周围有均匀间隙，便于锚索安装就位，并使波纹管周围有均匀厚度的灌浆胶结体。外对中支架间距在内锚固段为1m，自由段为2m。
⑤ 锚索制作完毕后，挂牌标识妥善存放，存放时采用架空、覆盖等防潮、防污损措施。
⑶穿索：锚索入孔主要以人工为主。锚索验收合格后，采用人工扛抬，徐徐穿入锚孔内，因锚索外套波纹管，所以锚索转弯半径不小于4m。穿索结束后，及时将锚索外露部份包裹起来，以防污损。
3.3 锚墩和封锚砼浇筑
①、锚墩用钢筋符合国家标准、设计要求或图示，钢筋的机械性能如抗拉强度、屈服强度等指标经检验合格，钢筋应除锈、除油并调直，外表面检查合格。
②、锚墩钢筋制安时，先用风钻在锚索孔周围坡面上对称打孔4个，插入Ф25骨架钢筋并固定，然后按照图纸要求焊接钢筋网或层并固定于骨架钢筋上，焊接质量符合要求。焊接过程中，不得损伤钢绞线。
③、钢垫板安装：钢垫板牢固焊接在钢筋骨架上，其预留孔的中心位置置于锚孔轴线上，平面上与锚孔轴线正交，其误差不得大于0.5°。
④、在钢垫板与基岩面之间按照图示锚墩尺寸立模，验仓合格后，浇筑砼，边浇筑边用振捣棒振捣，充填密实。
⑤、砼浇筑时，须现场取砼样，确保锚墩浇筑质量，并给锚索张拉提供依据。
3.4 　锚索注浆
⑴锚索采用无粘结钢绞线集束组成，采用孔口封闭灌注。浆液从注浆管向内灌入，水直接排出。
灌浆胶凝材料采用普硅P.O.42.5水泥，水泥浆标号为M35。锚索孔道采用水泥浓浆灌注，水泥浆的水灰比为0.45-0.4。浆液中拟掺入一定数量的膨胀剂和早强剂。
⑵锚固注浆前，应检查制浆设备、灌浆泵是否正常；检查送浆及注浆管路是否畅通无阻，确保灌浆过程顺利，避免因中断情况影响锚固注浆质量。
⑶采用3SNS泵灌注。灌注前先压入水，检查管道畅通情况和润湿岩面。
⑷在钢垫板上用螺钉固定厚度为2cm的灌浆定制锚板，锚板上开孔孔位与锚索张拉时的工作锚具一致，另增设一个直径20mm的排气孔。
⑸为避免其它因素的影响，锚索灌浆拟采用压力循环灌浆的施工方法进行施工。灌浆前，必须将锚索临时固定，以防注浆时锚索体产生滑移。灌浆自下而上一次施灌，进浆必须连续进行。
灌浆时，由进浆管进浆，排气管出浆；灌浆压力不小于0.4Mpa。
注浆结束标准：在设计灌浆压力下，排出的浆液浓度与灌入的浆液浓度相同，且不含气泡时为止。
⑹注浆浆液取样试验：为给锚索张拉提供依据，注浆时对预应力锚索的灌浆浆液应取样做抗压强度试验。
锚固注浆设备清洗：制浆结束后，应立即清洗干净制浆机、送浆管路等，以免浆液沉积堵塞。注浆结束后，应立即清洗干净注浆设备、管路等。
⑺为保证所有空隙都被浆液回填密实，在浆液初凝前不小于两次补灌。灌浆结束，浆体终凝后，卸下灌浆钢罩，清理钢罩及钢绞线表面的结石；再卸下定制锚板，并将其清理干净以备再用。
3.5　锚索框架
预应力锚索砼垫座之间采用砼框格梁进行连接，框架为C25 级钢筋混凝土结构，砼框格梁尺寸为80cm×80cm，,框架必须现场浇注。
(1) 测量放线:根据设计将各条框架在道路方向的点位放出,拉线放样。
(2) 刻槽及找平:坡面开挖完成后,坡面整体会有不平整现象,为减少坡面不平整对框架的影响,采用人工刻槽大致找平,并在刻槽面用2～5cm 砂浆进行调平,遇局部架空采用M10 浆砌片石嵌补。
(3) 钢筋制作及安装:钢筋先除锈、调直,然后按大样图下料,加工成型,主筋搭接长度为30d ,各项误差均应在规范允许的范围之内。
(4) 模板制作及安装:因坡率较陡,支护存在困难,在侧模边打入钢筋头并用方木条和木楔支护以确保侧面不跑模,顶模支护着力点则放在施工搭设的钢管架上,使模板支撑稳固。
(5) 浇筑砼:先将模内浮渣余土清除干净,在伸缩缝处预埋2cm 厚泡沫隔板,按锚索倾角要求预埋Á146mm 的PVC 管,一片框架砼一次性浇注完毕,浇注完成后及时洒水养护。
3.6　锚索张拉
锚索张拉前,需对张拉设备进行标定。标定时,将静探数显仪、传感器、油管和高压油泵连好,高压油泵启动增压,反复试验3 次,取平均值,绘出传感器仪表读数(相应荷载吨位kN) 和油泵仪表读数(MPa) 曲线,作为锚索张拉时荷载控制的依据。
⑴锚索张拉应在锚固注浆结石体抗压强度达到30MPa及锚墩砼等的承载强度达到施工图纸规定值后进行。
⑵张拉程序
锚索张拉按分级加载程序进行，即由零逐级加载到超张拉力，经稳压后卸荷到设计张拉力进行安装，0 →mδ（稳压）→δ（m为超张拉系数，由设计确定，δ为设计张拉力）。
⑶张拉工艺流程
穿锚→初始载荷（钢绞线调直）→分级循环张拉至设计工作荷载→超张拉
⑷锚索张拉方式
预应力锚索采用单根张拉千斤顶间隔对称分序张拉，确保各根钢绞线平均受载，如此一个张拉循环完毕，继续进行下一循环张拉，直至设计工作荷载。
每一循环张拉时，先张拉锚具中心部位钢绞线；然后张拉锚具周边部位钢绞线，张拉时按照间隔对称分序进行。
⑸张拉设备仪器
电动油泵：ZB4-500S，千斤顶：YDC240Q。
⑹锚夹具
2000KN级锚索由12束钢绞线编成，锚具选用ESM15-12。
3000KN级锚索由19束钢绞线编成，锚具选用ESM15-19。
⑺张拉注意事项
加载速率：每分钟不宜超过设计应力的10%。
卸荷速率：每分钟不宜超过设计应力的20%。
预应力的施加：向张拉油缸加油使油表指针读数升至张拉系统标定曲线上预应力指示的相应油表压力值。
钢绞线伸长值：分级测量钢绞线伸长值并按要求做好记录。钢绞线调直时的伸长值不计入钢绞线实际伸长值。
⑻初始载荷（钢绞线调直
初始载荷：为设计工作荷载的δ/5。用单根张拉千斤顶YDC240Q将钢绞线逐根拉直预紧。张拉按照先中间后周边对称分序张拉的原则进行。0→δ/5（稳定2min）。
⑼分级循环张拉至设计工作荷载：
分级加载等级：分别为0.25、0.5、0.75、1.0倍设计工作荷载δ。
第一循环张拉：初始荷载调直后，在δ/5的基础上继续加载至δ/4锁定。δ/5→δ/4（稳定2min）。
第二循环张拉：第一循环张拉结束后，在δ/4的基础上继续加载至δ/2锁定。δ/4→δ/2（稳定3min）。
第三循环张拉：第二循环张拉结束后，在δ/2的基础上继续加载至3δ/4锁定。δ/2→3δ/4（稳定3min）。

第四循环张拉：第三循环张拉结束后，在3δ/4的基础上继续加载至δ锁定。3δ/4→δ（稳定3min）。
⑽超张拉试验
最大张拉力不得超过预应力钢绞线强度标准值的75%。第四循环张拉结束后，在设计工作荷载δ的基础上继续加载至1.1δ锁定。δ→1.1δ（稳定5min）。
锚索锁定48小时内，若锚索应力下降到设计值以下时，对锚索需进行补偿张拉。另外，为了补偿预应力损失，可适当提高锚索的超张拉力。以减少二次张拉的消耗。
3.7　外部保护
张拉完成后，从锚具量起,留30mm 钢绞线,其余部分截去,在其外部用厚度≥50mm 的与锚梁同标号的砼封头,以防锈蚀破坏。为保证框架的整体美观性,封头应采用相同的模具进行封头。
4　结束语
经过近1年的运行，边坡稳定，自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索取得了良好的加固支护效果。
目前该技术已在大渡河流域梯级开发中广泛应用，针对预应力锚索锚固段应力集中、锚索腐蚀等问题，单孔多锚头防腐型预应力锚索锚固段应力分布为拉压应力的复合分布，改善了应力峰值，应力分布较为均匀，利于保持锚索的长效锚固，增强了对复杂地层的适应性，增强了锚固效果，已成为提高岩土稳定性和解决高边坡围岩稳定性问题最经济最有效的方法之一。
参考文献:
[1]杨俊志,冯杨文. 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的研究与应用[J]. 预应力技术,2006,(5).
[2]闫莫明等．岩土锚固技术手册[M]．北京：人民交通出版社，2004.5.
[3]梁炯望，锚固与注浆手册[M]．北京：中国电力出版社，1999.9.
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