压力分散型锚索在震后高边坡加固中的应用

2011-07-12邓树密

四川水力发电 2011年5期

邓树密

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 概述

福堂水电站位于四川省阿坝藏羌自治州汶川县绵篪镇的岷江主流上，首部枢纽距汶川县城14 km，厂址距成都市111 km，有都-汶公路通过电站，对外交通方便。

电站采用低闸引水式开发，主要任务为发电。水库正常蓄水位高程1 268 m时库容为297万m3，调节库容为220万m3，具有日调节特性。电站装机4台，总装机容量360 MW，设计发电引用流量251 m3/s。电站于2000年5月动工兴建，2004年7月基本建成。电站工程等别为Ⅱ等大(2)型工程，永久性水工建筑物级别为2级，地震设计烈度为Ⅷ度。

厂区位于岷江左岸，紧邻福堂坝沟口右侧布置，由调压室、压力管道、地面厂房及开关站构成。尾水与已建太平驿水电站闸首衔接。

调压井位于福堂坝沟与1#小沟呈NE向展布的长条形单簿山脊中的黑云母花岗岩体内，为开敞式，断面为圆形，内径27 m，井筒高108 m。

厂址区位于福堂坝沟上游侧，地形上呈NE向展布的长条形山脊前缘，岩体主要为强风化、强卸荷的荷晋江-澄江期中粗粒黑云母花岗岩(γ2④)，岩质坚硬，其间穿插有少量辉绿岩脉，岩脉多构成挤压破碎带。施工开挖揭示:边坡在高程1 180 m以上岩体呈松动、松散、强卸荷、强风化状态，极不完整，节理、裂隙十分发育，岩体被大裂隙和无数的小节理切割成小块石，多呈碎裂状散体结构，对厂房后缘边坡稳定极为不利。

汶川“5.12”地震后，电站厂区工程边坡局部松动变形和开裂，厂区自然边坡浅表风化、卸荷岩体普遍发生崩塌，出露坡面仍残留较多的松动岩体及解体岩块，危及厂房及进厂公路安全。同时，由于调压井中上部置于强风化、强卸荷山体内，此次地震造成山体外侧中上部岩体多呈松弛变形、崩塌破坏。为保证厂房、调压井等建筑物及人员安全，需对厂区边坡进行治理和加固。

2 预应力锚索设计

为了保证该工程上部调压井、下部发电厂房等建筑物及人员的运行与安全，需对厂区边坡进行治理和加固。针对该工程特点，设计采用锚杆、预应力锚索、挂钢筋网、喷混凝土、排水孔及护坡混凝土等手段进行综合支护。

根据设计图纸，该工程在调压井下部1 230 m高程以上边坡采用预应力锚索支护，支护高度约为85 m，共布设122束锚索，合534 000 t·m。锚孔间排距为6 m×6 m，深度为30 m和50 m两种，张拉吨位1 000 kN，结构形式为压力分散型锚索，每束锚索由7根φ15.24钢绞线组成，锚固段长8 m，钻孔直径130 mm，采用OVM锚具。1 000 kN级压力分散型锚索的结构见图1。

3 施工工艺

3.1 工艺流程

锚索施工工艺流程见图2。

3.2 施工准备

(1)施工用风、水、电的布置。

①施工用电:优先利用已经形成的至调压井的供电系统，就近接用，不足时增加变压器，以满足高峰期用电负荷的要求。

②施工用水:采用多级泵从业主消防水池内抽取至调压井高程水池。高峰期用水量约10 m3/h。

③施工用风:由于地质条件差，锚索孔较深且孔径较大，冲击器耗气量大及风压均较大，故锚索施工用风采用2台高风压和3～4台中风压空压机联合供风，高峰期用风量为150 m3/min。

图1 压力分散型锚索结构示意图

(2)钻孔平台。

锚索施工脚手架利用锚喷支护施工脚手架进行加密、加固形成，锚索施工部位脚手架钢管间排距为1.5 m，立管排数根据现场地形条件和施工设备操作空间一般需要3～4排，局部范围(编制锚索平台)还可增加。为抵抗潜孔冲击器造孔时对脚手架的反向冲击作用，锚索部位每排应间隔布置一部分砂浆锚杆，长度L=2 m。脚手架的立管套在砂浆锚杆内并焊接牢固，横向采用已完成的系统锚杆进行锁定，确保锚索施工脚手架在纵、横两个方向均得到可靠的连接。在每层锚索施工平台上连续铺设5 cm×10 cm板方材或竹胶板，铺设宽度不小于3 m，外侧临空面挂安全网封闭。

3.3 锚索钻孔

(1)钻孔定位。

按设计图纸要求或监理人指定的位置进行钻孔，确保开孔偏差不大于10 cm。锚索孔钻孔的孔位采用全站仪测量定位，钻机倾角采用水平尺和角尺控制，方位角采用地质罗盘测量。

(2)钻孔机具。

由于锚索施工强度极大，根据工期及工程量大小并结合该工程地质特点，采用无锡市双帆钻凿设备有限公司生产的YG－80A和成都哈迈钻掘设备制造厂生产的YXZ－50A型锚固工程钻机进行气动潜孔钻进，钻孔孔径、孔深满足设计要求。这两种钻机具有结构紧凑、动力头输出扭矩大、给进行程长、重量轻、可拆性好、钻孔精度和效率高等特点，适于高边坡排架施工。

(3)钻进地层的特点与难点。

①边坡表层、尤其在1 230 m高程以上多为松散、破碎岩块，夹杂部分砂土，冲击器开孔困难，钻进过程中若供风量控制不好极易造成孔口段孔壁坍塌。

②岩层普遍裂隙发育、裂缝贯通，易造成钻进时漏风或基本不返风、不排渣，钻进过程中发生因掉块和孔壁坍塌而导致的夹钻、卡钻等钻孔事故频繁，钻进效率低。

③在采用固壁灌浆的方法处理破碎地层时，注浆频繁，且注入量非常大。

④岩体破碎，孔壁稳定性差，下锚索困难，重复扫孔现象时有发生。

图2 锚索施工工艺流程图

(4)采取的主要技术措施。

由于该工程特殊的地质条件，实际施工中针对实际地层特点采用了投水泥球堵漏法、灌注水泥砂浆法、水泥速凝膏浆法和快硬硫铝酸盐水泥外掺专用早强剂等多种方法进行堵漏试验。根据试验情况，总结出采用常规的水泥砂浆灌注和快硬硫铝酸盐水泥外掺专用早强剂灌注两种方法适用性较强。一般情况下，对于岩体裂缝(隙)张开度不大时，采用硫铝酸盐水泥掺加专用外加剂进行灌注，用其灌注可大大缩短扫孔待凝时间，一般灌后3～5 h即可扫孔。对于岩体裂缝(隙)张开度较大时，考虑到硫铝酸盐水泥价格相对较高，采用先灌注普通水泥浆液或水泥砂浆，根据情况可外掺速凝剂(如水玻璃或氯化钙)，待孔(段)吸浆量明显减小时，再改用快硬硫铝酸盐水泥(掺专用外加剂)浆液进行灌注，同样可以达到灌注3～5 h后即扫孔的效果。

3.4 锚孔清洗及验收

当钻进达到设计图纸所示深度、锚固段仍处于破碎或断层等软弱地层时，应立即向监理工程师反映，根据监理工程师指示做出延长孔深或采取其它措施的决定。钻孔完成后，使用高压空气(风压0.2～0.4 MPa)将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的粘结强度。

锚孔钻造结束后，须经现场监理人员检验合格后方可进行下道工序。孔径、孔深检查一般采用钻头和标准钻杆进行验孔，要求验孔过程中钻头平顺推进，不产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要求顺畅，用高压风吹验不存在明显飞溅尘渣及水体现象。同时，要求复查锚孔孔位、倾角和方位，待全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔钻造检验合格。

3.5 锚索的制作与安装

(1)锚索材料。

该工程锚索设计为压力分散型锚索，锚索采用1 860 MPa级低松弛高强度无粘结钢绞线制作锚束，其内锚固段由专门制作的锚板和钢铰线构成多锚头承载体锚固结构。

(2)切割下料。

钢绞线使用砂轮切割机下料。各级锚头钢绞线下料长度L为:

L=锚固段长度Li距第一组锚头之距离Ld+自由段长度Lo+锚墩长度La+张拉长度Lz。

(3)清洗锚固段钢绞线并挤压P锚。

剥离锚固段约20 cm长度范围内钢绞线的聚乙烯塑料套并进行脱脂、除污，在剥除段端头约20 cm挤压上P锚，并对剥除段和锚固端挤压好的P锚进行防护。按照由内向外的顺序将相应长度的钢绞线穿进各自的承载体内，放好支撑架，用扎丝绑扎牢固。

(4)编索。

将钢绞线顺直排列在加工平台上，保持长度一致;按照图纸装配挤压头、P锚承载体并进行锚头部分的制作;按照隔离架上的对应位置安放并顺直注浆管，同时注意使注浆管在锚索体中的相对位置满足图纸要求;自由段在两对中架中间使用黑铁丝捆扎，锚固段在两隔离架中间使用黑铁丝将其捆扎成纺锤型;在锚索体外侧安置塑料或钢制对中架，使预应力锚索体在钻孔内居中放置;锚固段顶部安装导向帽。

锚索成束后，要认真检查其长度、钢绞线有无交叉和迭合等，验收合格后方可使用。对合格的锚索要登记挂牌，标明锚索编号、锚索长度，以防组装错位。对不同承载体位置的钢绞线外露端做好标记，保证预紧时能分清楚每束钢绞线所对应的各组承载体，以免补偿错误。

(5)锚索安装。

只有经检验合格的锚索方可下入孔内。高边坡锚索运输在脚手架上采用人工抬运，转弯半径应大于3 m，不能使锚索结构受到损伤，在运输过程中要保护好PE套管。下索前检查钢绞线是否顺直，对有扭曲的钢绞线须进行调整，对有破损的PE管必须进行修复、处理合格后方能安装。锚索一次安装到位，避免在安装过程中反复拖动索体。锚索入孔后，钢绞线必须平顺、伸直。对外露钢绞线进行临时防护。锚索安装后，及时进行注浆施工。

3.6 锚索注浆

(1)注浆材料。

灌浆采用P.O42.5R级普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，需符合规定的质量标准。

(2)灌浆水灰比。

压力分散性锚索注浆水灰比为0.3～0.45，采用纯水泥浆液进行灌注。为保证锚固段注浆体强度及时达到设计要求，在浆液中掺加了专用锚索注浆外加剂(锚固剂)，要求将浆液3 h后的泌水率控制在2%以内，7 d的结石强度不低于30 MPa。

(3)注浆方式。

锚索安装后，通过与锚索捆绑在一起的φ20 PVC灌浆管，采用自制的特殊锚索注浆器全孔一次注浆。注浆压力为0.3～0.5 MPa。当出浆管排浆比重与进浆比重相同时进行屏浆，屏浆压力为0.5 MPa，屏浆时间为20～30 min。注浆结束后，及时清理外露钢绞线上的水泥浆液，如发现孔道浆体不饱满时，采取措施进行补充灌浆。

(4)特殊情况处理。

由于边坡锚固区所处地质条件较差，锚索孔道灌浆极可能出现浆液漏失的情况。根据实际施工情况，对部分锚索在钻孔完成后先进行了一次全孔段预固结灌浆，以减少下索后锚固段注浆出现浆液漏失的情况，确保锚索段的注浆质量。

3.7 锚墩浇筑

首先在孔口安装锚垫板、钢套管、结构钢筋等预埋件，1 000 kN锚索的锚垫墩设计尺寸为底边1.2 m、顶边0.5 m、高0.35 m;1 000 kN 锚索的钢垫板尺寸为400 mm×400 mm×35 mm。锚垫板安装时必须保证垫板平面与孔道轴线垂直，套管与孔道轴线对中，并将套管与孔道间的空隙密封。

钢筋加工好后，绑扎成钢筋架，将钢垫板牢固焊接在钢筋架上。安装时，调整钢筋架使钢垫板预留孔的中心位置置于锚孔轴线上，平面与锚孔轴线正交，其误差不得大于0.5 cm，锚墩模板采用自制四片定型钢模板现场组装，钢模和岩面之间的空隙用木条嵌补。上模板预留进料口和观察排气孔。孔位附近设插筋固定模板。C30混凝土在调压井平台上用强制拌合机拌制，根据实际地形坡度，现场采用溜管(槽)下料入仓，有条件时也可采用混凝土泵进行浇筑，插入式振动棒振捣。

为保证锚墩混凝土早期强度能满足锚索张拉的需要，在混凝土配比中掺入了适量的早强减水剂。锚墩施工前应先清理岩面浮渣，以保证混凝土与外露岩面的有效结合。为保证锚墩混凝土浇筑密实，混凝土采用二次振捣法施工。

3.8 张拉及锁定

(1)张拉的准备。

张拉前，必须把张拉机具、测力装置及所需附属机具准备齐全。张拉所用的设备额定值必须大于最大使用张拉值并有富余度，以确保重复使用后的精确度仍能满足要求。张拉设备在张拉前必须配套标定，标定间隔期不宜超过六个月，经拆卸检修的张拉设备或经常遭强烈撞击的压力表都必须重新标定。对于率定和校验过的机具要妥善保管，以免影响精度。机具率定或校验证书必须经验收合格后方可使用。

锚具必须具有厂家产品合格证书，并经规定的试验验收程序方可使用。锚具表面一定要清洗干净，不得有油污、铁屑、泥沙等杂物。锚具各组件按次序安装好，锚垫板和锚板应对中并相吻合。

(2)张拉机具。

压力分散型锚索使用ZB4-500S电动油泵和YDC240Q单根千斤顶进行单根钢绞线对称预紧张拉后，再使用ZB4-500S电动油泵和YCW－150B型千斤顶分别对1 000 kN级锚索进行整束张拉。

(3)张拉。

①锚索张拉待锚固灌浆达到30 MPa和锚墩混凝土抗压强度达到规定值时才能对预应力锚索进行张拉和锁定，张拉按照以下程序进行:

机具率定→分级理论值计算→锚墩混凝土强度检查→张拉机具安装→预紧→分级张拉→锁定→签证验收。

②单根绞线预紧应力为设计张拉力的20%，每根绞线至少进行两个循环预紧，要求两次预紧伸长值小于3 mm，且每根钢绞线的伸长值不得小于理论值的10%。否则，进入下一循环继续预紧，直至满足要求才能进入整体张拉。

③同一承载体上的钢绞线分级加载和整索张拉均分5级按设计荷载即1 000 kN的25%、50%、75%、100%和110%施拉，每次持荷时间为2～5 min，最后一级持荷稳定观测10 min以后按设计要求锁定。锁定后48 h内若没有出现明显的应力松弛现象即可进行封锚。上述五个量级的张拉均应在同一工作时段完成，否则应卸荷重新依次张拉。

④加荷、卸荷速率应平稳。张拉时，升荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.1;卸荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.2。

⑤特殊情况的处理:张拉过程中，在每级拉力下持荷稳定时量测钢铰线的伸长值，以用于校核张拉力。实际量测的钢铰线的伸长值须与理论计算的伸长值基本相符。当实际量测的伸长值大于理论计算值的10%或小于理论计算值的5%时，应暂停张拉，待查明原因并采取相应措施予以调整后方可恢复张拉，直至张拉正常为止。

⑥补偿张拉:锚索张拉完毕并经锁定后应注意检查，如产生应力损失应进行补偿张拉，其间隔时间不得少于72 h，松弛损失一般为锁定荷载的3%～4%。对于张拉力下降至设计值以下的锚索再进行一次补偿张拉。