嘉陵江草街航电枢纽冲沙闸工程预应力锚索施工

李海滨，由广君，王成远

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116001）

1 概述

嘉陵江草街航电枢纽冲沙闸位于17号坝块和厂房坝块之间，沿坝轴线方向长度为93.10m，单孔净宽14.80 m，闸室顺水流方向宽度46.00 m，底板建基面最低高程167.50 m，最大闸高54.00 m，冲沙闸为宽顶堰形，堰顶高程221.50 m，工作闸门为弧形闸门结构，闸门高度是国内弧形闸门中之最。

冲沙闸闸墩为预应力闸墩，其边墩厚度为4.5 m，中墩厚度为4.9 m，闸墩共布置95束主锚索，60束次锚索。其中边墩布置5行3列共15束预应力主锚索，相应混凝土锚块内布置4行3列共12束预应力次锚索；单个中墩布置5行4列共20束预应力主锚索，混凝土锚块内布置4行3列共12束预应力次锚索。主锚索沿弧门推力方向在立面上呈辐射状布置，与水流方向平行，其上游端在闸墩预留平孔内，下游端在锚块的下游面上，连接锚块与闸墩；次锚索沿坝轴线方向布置在锚块内部[1]，见图1。

2 材料与设备

2.1 材料

预应力钢绞线采用高强度、低松驰无粘结钢绞线（7φ5），强度标准值1 860 MPa，公称直径15.2mm。

主锚索两端采用OVM.M15-45锚具，次锚索两端采用OVM.M15-18锚具。

图1 冲沙闸锚块全貌Fig.1 Theanchor block overview of desilting sluice

隔离架采用高密度聚乙烯材料加工制作，厚度为2 cm，如采用尼龙材料厚度可降至1.5 cm。

2.2 设备

2.2.1 灌浆设备

制浆设备采用高速搅拌机，以提高浆液的均匀性和可灌性。灌浆泵的排浆量满足锚索孔道的灌浆强度要求，压力稳定，其允许工作压力大于最大设计灌浆压力的1.5倍，设计灌浆压力为0.5～0.7MPa，压力波动范围小于灌浆压力的20%。

2.2.2 张拉机具

张拉前把张拉机具、测力装置及所需附属机具准备齐全，进行配套标定，同时绘制压力表读数和张拉关系曲线，以指导张拉作业。

千斤顶的标称张拉力应比锚索的超张拉力大，主锚索设计超张拉力7 800 kN，次锚索为3 120 kN，故主锚索千斤顶采用 YCW900，次锚索YCW500。与张拉机具配套的压力表精度不低于1.5级，张拉时压力表读数不超过表盘刻度的75%。压力表采用精度为1.5级60 MPa压力表。锚索测力计应与锚具、千斤顶相配套，且性能稳定、温度稳定性好。主锚索测力计量程为10 000 kN，1号锚块上6个，其余4个锚块每个4个，共22套；次锚索测力计量程为3 000 kN，1号锚块上6个，其余4个每个2个，共14套。

3 主要施工工艺

冲沙闸锚索为混凝土直线型锚索，钢绞线为无粘结钢绞线，采用后张法施工，超张拉标准为σcon=0.670 4 fptk，即单根钢绞线的最大张拉力为173.34 kN。

张拉中主锚索分8级张拉至设计张拉力7 800 kN，次锚索分6级张拉至设计张拉力3 120 kN。张拉采用一端张拉另一端固定的方法，整体张拉工艺为单根预紧，整束张拉。张拉顺序自上而下，从内侧至外侧；先张拉次锚索，后张拉主锚索。

张拉施工以千斤顶与压力表标定曲线、钢绞线伸长值双控的方法进行。锚索测力计同步监测，当应力损失大于超张拉力的10%时，应进行补偿张拉。

3.1 预埋件安装及固定

锚索孔道采用预埋钢管的方式进行成孔，锚管、锚垫板应用支架架立牢固，并能准确地按设计图纸锚索方向安放，定位支架必须焊接牢固，确保预埋件在混凝土浇筑过程中不发生变位。确保孔道管安装位正、顺畅、牢固、可靠。

锚管、锚垫板安设时，螺旋筋必须按图纸定位、固定。浇筑时对固定支架、孔道密封性、畅通性及孔位进行全面检查，并将两端孔口临时封堵保护。混凝土浇筑过程中有专人看护，严禁冲击、触伤或移动孔道管，同时对锚垫板部位重点检查，杜绝混凝土漏振、不密实现象发生，后期张拉时此处为应力集中区，如混凝土不密实极易造成锚垫板破碎、钢绞线拉断等。

3.2 锚索制作及编束

主锚索由45根钢绞线组成；次锚索由18根钢绞线组成，钢绞线共147 424.59 m。就近选择下料场地至关重要，以方便下步施工。钢铰线切断必须采用砂轮切割机。下料长度应考虑到工作锚板、限位板、工具锚板的厚度以及千斤顶长度的要求，并适当留有余度。

钢铰线应进行编号，将钢绞线平摊于工作台上，对其进行编号，同根钢绞线两端编号应相同。严格按设计图纸要求进行锚索体编制，确保相邻隔离架之间的钢绞线顺直，不得交叉。隔离架平面应与每根钢绞线垂直，并用细铅丝将二者绑牢，扎头应向内。绑扎过程中最好采用非金属材料，避免锚索使用期发生金属腐蚀现象，影响使用寿命。隔离架的正确安放关系到锚索的下索是否顺畅、锚索体是否扭转打绞等。锚索体编制中钢绞线应一端对齐，排列平顺，不得扭结，绑扎牢固，绑扎间距为2 m。在高空施工等后期安装锚具不方便的情况下，编索时可将一头锚具提前编入锚索上，这样可节省一半的时间，尤其对45孔锚具，体现尤为明显，见图2。

3.3 张拉平台及脚手架搭设

采用悬挑桁架挂设千斤顶进行张拉作业。锚块顶布置2个活动桁架，采用工字钢结构，底部为槽钢，槽钢与锚块顶插筋焊接，焊接饱满并在桁架底部预埋钢绞线对桁架进行锁定加强。

图2 锚具提前编入锚索中Fig.2 Theanchor fixture isput in advance to anchor cable

主锚索工作面较好，利用悬挑部分在下游侧搭设工作平台与防护设施即可，张拉设备挂在悬挑部分进行张拉。次锚索需挂设6 m爬梯，爬梯使用竹夹板搭设工作平台，并与锚块二期钢筋固定，外围均布置防护网。经受力计算，桁架满足安全及施工要求，见图3。

图3 张拉作业平台桁架Fig.3 The tension p latform truss

3.4 穿束

锚索穿索采用人工辅以卷扬机、吊车等方法进行，主锚索就位的曲率半径不小于5 m，次锚索就位的曲率半径不小于3 m，穿索中不得损害锚索的结构，否则应予更换。锚索入孔时，不得过多的来回抽动锚索体，且送入孔道的速度应均匀，防止损坏锚索体和使锚索体整体扭转。

锚索安装完毕后，应对外露钢绞线进行临时防护，防止雨水或杂物进入预埋管端。锚索安装完毕后，应及时张拉，不应长期搁置。

3.5 锚夹具等安装

依次安装好工作锚板、夹片和限位板，安装工作锚板，工具锚板均应按孔位编号进行钢绞线穿孔，不得交叉移位。锚垫板和锚板应对中并相吻合，两端锚板的孔位应保持一致，不得有相对转角。

3.6 锚索张拉

3.6.1 张拉设备的标定

为保证张拉控制力的准确性，在张拉作业前须对张拉设备系统（包括千斤顶、油管、压力表等）进行“油压值—张拉力”的标定。张拉设备的出力应满足超张拉要求，其最大出力宜为设计张拉力的150%。同时计算出理论伸长值及每一级设计张拉力的压力表读数，用于指导张拉。安装测力计（适用于需进行应力监测的锚索），测力计与工作锚板同步安装，且均应与锚索孔道对中[2]。

3.6.2 锚索张拉顺序

主锚索：采用一端张拉，另一端固定。张拉端设在混凝土锚块位置，固定端设在上游预留孔位置。次锚索：采用锚块左岸侧面张拉，锚块右岸侧面补偿张拉。张拉顺序：每个闸墩均要求先张拉水平次锚索，后张拉主锚索。张拉应保证结构受力均衡，避免偏心受力。由于闸墩锚索数量较多，优化张拉程序非常重要。当邻近的锚索产生应力松弛幅度超过超张拉力的10%时，应进行补偿张拉。张拉顺序应自下而上，从内侧至外侧；先张拉次锚索，再主锚索。

3.6.3 锚索张拉

锚索张拉端设在锚块端。预紧张拉采用逐根钢铰线张拉，其它采用整束张拉。张拉过程如下：

1）原则是实行分级加载和整索张拉。

2） 锚索张拉首先对各股钢铰线进行预张拉（从内到外对称进行预紧张拉）。预紧张拉过程中不遗漏，所有预应力锚索需全部预紧完毕后，方可进行整索张拉。

3）锚索的张拉力分级施加，逐级增加至超张拉荷载，持荷10min后锁定。锚索张拉每级加载后应同步量测其伸长值，锁定后应量测钢铰线滑移量。

4）锚索锁定后，当锚索的预应力损失超过张拉力的10%时进行补偿张拉。补偿张拉在锁定值基础上一次张拉至超张拉荷载，最多进行2次。

5） 超张拉标准：主锚索 7 800 kN/束（45φ 15.24）；次锚索 3 120 kN/束（18φ15.24）。设计张拉标准：主锚索7 000 kN/束，次锚索2 800 kN/束。

6）张拉加载及卸载应缓慢平稳，加载速率每分钟不宜超过0.1σcon，即主锚索加载速率不宜超过780 kN/min，次锚索加载速率不宜超过312 kN/min；卸载速率每分钟不宜超过0.2σcon，即主锚索卸载速率不宜超过1 560 kN/min，次锚索卸载速率不宜超过624 kN/min。

7） 锚索张拉锁定后，夹片错牙不应大于2 mm，否则应退锚重新张拉。

8） 对于需作补偿张拉的锚索，在张拉锁定3～7 d后应进行补偿张拉。补偿张拉在锁定值基础上一次张拉至超张拉荷载（需结合观测资料和施工记录，由设计、监理确认是否进行补偿张拉）。

3.6.4 张拉吨位的检测与控制

张拉值的控制以张拉力控制为主，钢绞线伸长值作为校核。量测的钢绞线伸长值必须与计算的伸长值基本相符。伸长值的计算应在张拉前计算好填入表中。计算伸长值与实测伸长值相差超过±6%时，应查明原因并采取相应措施后再继续张拉。

结合作为永久预应力吨位观测的测力器在张拉时进行观测，互相校核。

3.7 灌浆

预应力锚索张拉完毕后尽快进行管道灌浆。灌浆前应用压力水冲洗孔道，排除孔内粉渣及杂物。灌浆过程中应注意水泥浆液的泌水过程，要求从上游预留平孔处进浆，待下游端出浆浓度一致时，方可进行屏浆，屏冻压力0.3 MPa，屏浆30 min后打开放浆孔口，放浆5 min后进行第2次屏浆。第2次屏浆20 min，再打开放浆管道放浆，5min后封闭进浆和放浆孔口，灌浆完毕。

4 施工中存在的问题及处理

4.1 钢绞线实测伸长值与理论伸长值偏差

多级张拉中，如中间锚固，应分别计算每一级的伸长值，每级相加即得总的伸长值。实际施工中应避免中间锚固，尽量选用活塞伸长量大于理论总伸长值的千斤顶，因为在量测实际伸长值时通常采用简便的方法量测各级千斤顶活塞伸长量进行相加，施工中由于换顶，钢绞线回缩、夹片滑移等均能产生误差，这样使误差增大。

根据工程的实际经验，1 m钢绞线伸长约7 mm左右，小于10 m的钢绞线理论与实测伸长值偏差会较大，且越短的钢绞线张拉完成后应力损失也会越大。实测钢绞线伸长值时应考虑夹片的滑移量，每个厂家生产的锚具及夹片不同，滑移量一般在6～7 mm左右，张拉前应敲紧夹片减小误差。同时钢绞线的质量、压力表的精度、孔道摩擦系数、混凝土的变形、锚夹具的组装及变形、外界温度等均应视情况考虑。

本工程次锚索张拉中钢绞线实测伸长值与理论伸长值偏差超过6%。次锚索理论伸长值根据公式计算为61.7 mm，实测时未考虑换顶误差和夹片滑移量，为72.1 mm，计算偏差值为16.8%远大于6%。

经过分析，由于次锚索长度小于10 m，对误差较为敏感，只允许偏差3.7 mm。在确定钢绞线无质量问题、千斤顶与压力表标定无问题、锚夹具安装无问题、施工操作无问题后，决定采用减小误差的方法进行再次张拉。

张拉中由于单根钢绞线预紧完成后，换顶进行整束张拉的时候可能在千斤顶与锚具间存在缝隙，而在量测千斤顶活塞伸长值时，将这部分误差计算在内；其次夹片在初应力下进行张拉时，夹片随着钢绞线的回缩会有滑动值。这样在张拉下束锚索时，第1级单根预紧完成，换顶时量测夹片的外露长度为7mm，做好记录，张拉完成后量测夹片的外露长度为4 mm，得到夹片滑移量为3 mm。同时换顶时先加荷至第1级的整束张拉力，量测活塞的伸长量为7mm，按照公式计算此时活塞伸长量应为0，那么换顶时产生了7mm的误差，减去误差后计算满足要求[3]。

4.2 锚索测力计值与设计张拉值存在偏差

张拉4号锚块第1个带有测力计的次锚索4号-CS13时，实测张拉力小于设计张拉力538 kN。为查找问题，对千斤顶和压力表进行了二次标定。但张拉第2束带有测力计的锚索时问题依然存在。经现场查看并与多位专家商讨，认为锚索测力计与设计值的偏差普遍存在，可能有以下原因：

1）测力计安装存在微小偏心问题。由于测力计是环形结构，内部1圈平均分布6个测力点，当安装偏心时，产生测值差从而影响测值的准确性。处理方法是在测力计的上下端增加光滑的垫板形成过渡，使局部应力集中通过垫板形成均布荷载，提高测值精度。

2）测力计安装时与锚索不同轴也会带来实测值小于真实荷载，可在两侧垫板上增加限位槽，槽深不小于2 mm。

3）锚索的张拉方式造成数据不符。如采用单根逐级张拉方式，即使操作非常精细，其本身荷载都会小于设计值10%～15%或更多。

4） 测力计的安装会对钢绞线的张拉产生影响，张拉过程中，锚索测力计发生弹性变形，所产生应力也反应在千斤顶的压力表上。即压力表反应了钢绞线与测力计的合力，而测力计测值只反应了钢绞线的应力，造成测值偏小。同时测力计安装与张拉端产生高程差及距离差也会使测值偏小。

5）千斤顶、压力表的标定与测力计的标定应在同一实验室同步进行，尽量减小误差。现场可进行千斤顶、压力表、锚具及测力计的组装张拉试验，用测力计指导张拉作业。

后续施工中，当千斤顶张拉至设计张拉力时，测力计的读数与设计张拉力普遍存在200～300 kN的偏差。锚索张拉规范中对偏差大小的范围无明确规定，现场采用测力计指导张拉的原则，按照测力计的读数张拉至设计张拉力，对未达到设计张拉力的进行补偿张拉。张拉完成后，根据锚索测力计的监测数据得到主锚索应力损失一般在300 kN左右，次锚索应力损失在200 kN左右，均满足要求。

4.3 钢绞线发生剪切断裂

张拉4号主锚索4号-ZS11至最后一级设计张拉力7 800 kN持荷时，工作锚具与安装的测力计之间发生剪切，工作锚具向上方滑动约2 cm，见图4，使锚索上部5根钢绞线断丝。测力计测出的数值显示严重偏心，数值小于设计张拉力1 100 kN。

图4 锚具剪切滑动示意图Fig.4 Sketch of anchor fixture shearing and sliding

通过对现场锚垫板以及锚具的观察，发现以下几个原因可造成工作锚具与测力计产生相对位移：1）锚垫板在安装时与锚索管不垂直，中心线存在一定夹角，造成偏心受力。2）整个锚索为弧形发散结构，设计锚垫板安装平面本身与锚索管存在微小偏角。3）测力计的内径小于工作锚具的内径4mm，在接触位置形成刀口，张拉时极易剪断外圈贴壁的钢绞线。4）从图上可看出，测力计与锚垫板设有限位槽，而与工作锚具是光滑连接，无限位槽设计，这样在滑动初期无力进行约束。

针对以上问题，现场使用45号钢制作宽6 cm的钢圈套在工作锚具与测力计之间，避免发生剪切现象。

5 结语

预应力锚索由于其自身的优点，在边坡岩石锚固、基础处理、大坝混凝土、桥梁等工程得到越来越广泛的应用。目前锚索的张拉工艺、伸长值测量、测力计监测及规范技术要求等由于工程不同而存在差异，本文对嘉陵江草街航电枢纽工程锚索施工实践及问题分析处理做简要介绍，可为类似工程参考。

[1]中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司.重庆市嘉陵江航运开发草街航电枢纽工程施工图设计[R].2005.Power China Chengdu Engineering Co.,Ltd.Construction drawing design of Chongqing Jialing River shipping development Caojie navigation-power junction lock project[R].2005.

[2]DL/T 5083—2004，水利水电工程预应力锚索施工规范[S].DL/T 5083—2004,Specification ofprestressing tendon construction forhydropowerand water conservancy project[S].

[3]GB/T 5224—2003，预应力用混凝土钢绞线[S].GB/T 5224—2003,Steelstrand for prestressed concrete[S].