浩口水电站发电厂房边坡锚索加固监测与分析

谢红兰，张忠举，谢长江

（1. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）



浩口水电站发电厂房边坡锚索加固监测与分析

谢红兰1，2，张忠举1，2，谢长江3

（1. 江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3. 中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

摘 要：锚索测力计用于加固锚索张拉力的监测。以浩口水电站发电厂房边坡锚索加固监测工程为实例，介绍锚索测力计的工作原理、计算方法、安装步骤及监测过程，通过被测锚索在张拉及锁定后锚索受力的变化情况，分析锚固力损失产生的原因及锚索锁紧时应注意的事项，由此说明锚索测力计对指导锚索施工、检验施工质量及工程长期安全监测等方面发挥重要作用，对类似工程具有一定的参考价值和实际意义。

关键词：边坡监测；锚索加固；监测资料；数据分析

0　引言

浩口水电站为芙蓉江干流（小河口～江口）11 级开发中的第 10 级，是一座以发电为主的中型水电枢纽工程，开发主要任务为发电，枢纽由碾压混凝土重力坝、取水口、引水隧洞、厂房和开关站等建筑物组成。枢纽布置格局为碾压混凝土重力坝坝身泄水，左岸引水发电，厂房布置 3 台混流式水轮发电机组厂房。根据 DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》和 GB 50201—94《防洪标准》的规定，浩口水电站工程等别为 3 等，永久性水工主要建筑物（大坝、引水系统、厂房）级别为3 级，次要建筑物为 4 级，临时建筑物为 5 级。

由于厂房修建于堆积体前缘，厂房、尾水渠及进厂公路的开挖对堆积体造成扰动形成了新的临空面。根据厂房边坡稳定分析，厂房边坡整体稳定性较好，但存在局部不稳定情况，所以工程采取在Z5-Z5 剖面上下游各 50 m 范围内沿进厂公路布设25 个预应力锚索进行加固［1］。为了解发电厂房边坡的变化情况，及时掌握加固锚索在边坡岩石中的工作性状，在 25 个锚索中安装了4 台锚索测力计，进行施工期和运行期的锚索受力监测及加固分析。

1　锚索测力计监测设计与实施

1.1锚索测力计工作原理

浩口水电站发电厂房边坡监测仪器采用SXMS-1000 型振弦式锚索测力计，测力计主要由承重筒、保护桶、敏感部件、激振线圈及热敏电阻等组成。敏感部件为振弦式应变计芯体，根据载荷大小在承重筒周围均匀布置 3～6 支振弦式应变计芯体，使应变计芯体与承重筒产生同步变形，当荷载使承重筒产生轴向变形时，引起应变计芯体振弦的张弛，使振弦长度发生变化从而改变振弦的振动频率。激振线圈对振弦激振并感应其固有振动频率，感应的频率信号经电缆传输至测量仪表，通过芯体的固有振动频率可计算出引起承重筒变形的应变量，代入标定系数即可求出锚索测力计所承受力的变化量。锚索测力计既可测出锚索作用在锚索测力计上的总荷载，同时通过测读每支应变计，也可测出作用在承重筒上不均匀或偏心荷载，并可同步测量埋设点的温度。

振弦式锚索测力计中的每支应变计芯体为 1 个测量单元，单支应变计芯体可测出测力计单边受力状况，由数支应变计芯体的平均测值可计算出测力计整体受力状况，计算出测力计受力的偏心方向及大小，减少或消除不均匀或偏心荷载的影响。

1.2锚索测力计安装

监测仪器的安装质量是获得可靠观测资料的关键。如果埋设安装不当，会采集不到准确的数据，锚索测力计的安装伴随锚索的张拉进行，安装及搬运过程中需小心，安装示意图如图 1 所示［2］。

图1　锚索测力计安装示意图

锚索测力计安装时需注意以下几点：

1）安装时锚索测力计上下面与承压面之间应清理干净，不能有铁屑和沙粒，否则会影响测值；同时应使锚索测力计的轴线与待测锚索轴线同轴。

2）为了保证锚索测力计能有效感应锚索的张力，根据锚索的锚固体结构，锚索测力计应置于锚垫板和工作锚之间，锚索或钢绞线从锚索测力计的中心孔中穿过，使锚索测力计能均匀受力。

3）为防止锚索测力计在张拉过程中与锚垫板产生滑移，引起测值偏小或失真，须保证测力计安装基面与锚索中心轴线垂直，偏差在 ± 1.5° 以内。

4）锚垫板和工作锚应可靠地压在锚索测力计的承重筒上，不得有间隙。加载时应从中间锚索开始向周围锚索逐步加载，以免受力偏心或过载。在荷载稳定后应测取读数，同时注意各传感器反映的荷载是否一致。如发现几何偏心过大，应立即予以调整。

5）锚索测力计定位前应测量仪器的初值（无荷载），在锚索的张拉和锚固过程中应对锚索测力计进行实时监测，以测定预应力大小及损失，确定超拉值。预加应力施工完成后，可利用锚索测力计进行定期检查或长期监测。

6）作好记录并存档，保护好仪器的引出电缆。

1.3锚索测力计计算

振弦式仪器的量纲采用频率模数 F 度量，定义为

式中：ƒ 为振弦式仪器中钢丝的自振频率；F 为振弦式仪器输出的频率模数。

锚索测力计一般计算公式如下：

1）当外界温度恒定，锚索测力计仅受到轴向载荷时，承受的载荷 P 与输出的频率模数变化量 △F之间具有如下线性关系：

式中：k 为锚索测力计的系数；△F 为锚索测力计的实时输出值相对于基准值的变化量；F0为锚索测力计的基准值。

2）当锚索测力计不受外力作用，温度增加 △T时，有一个输出变化量 △F′，这个输出变化量仅仅是由环境温度变化造成的，因此在计算时应扣除。

通过实验可知 △F′ 与 △T 具有下列线性关系：

式中：b 为锚索测力计的温度修正系数；△T 为温度实时测量值相对于基准值的变化量；T 为温度的实时测量值；T0为温度的基准值。

3）锚索测力计在使用时受到的是载荷 P 和温度的双重作用，因此锚索测力计一般计算公式为

式中：P 为锚索测力计计算出的荷载量。

计算时需注意振弦式锚索测力计具有温度自动补偿功能，经试验测得的温度修正系数一般很小，实际使用中可不考虑温度修正，用式（2）进行计算［3］。

2　锚索测力计监测结果及分析

2.1锚索测力计张拉受力情况

在张拉过程中可根据观测数据判断锚索测力计受力大小，通过锚索测力计的数据分析和油表压力显示值，可判断锚索张拉的情况，从而对锚索的张拉过程进行指导［4-5］。锚索测力计安装时的观测数据计算成果如表 1 所示，锁定后的观测数据及计算成果如表 2 所示。

2.2锚索测力计受力损失分析

锚索测力计在观测过程中，易受外界影响。因测力计安装在岩石体外部，受温度和降水影响较大。锚索测力计受力和温度变化过程线如图 2～5 所示。

从观测数据和计算成果可见，边坡监测锚索荷载自张拉锁定后均有不同程度的损失，由历时曲线图看出各锚索测力计荷载锁定及锁定的初期（1 个月左右）损失较大，后期损失较小，反映出边坡在初期锚索预应力荷载作用下存在岩石裂隙闭合的蠕变现象，锚索测力计运行正常。

表1　锚索测力计安装时的观测数据计算成果表

3　锚索测力计作用

3.1对施工的指导作用

发电厂房边坡锚索设计载荷为 100 t，从监测数据分析情况看，正常的张拉锁定后满足不了设计要求，利用超张拉措施才能满足设计要求，其中 S2安装损失率较大，其他仪器控制在 10% 以内。所以，通过锚索测力计的监测数据可非常直观地判断锚索安装是否符合设计要求。

表2　锚索测力计锁定后观测成果表

图2　锚索测力计S1受力-温度变化过程线

3.2对锚索加固的作用

锚索属于隐蔽性过程，影响锚固的效果因素多，锚索的工程非常重要。从锚索测力计受力-温度变化过程线可以看出，4 台锚索测力计安装后锚索受力减小；但到 6月，由于强降雨，导致锚固力增大，锚固力呈上升趋势，并趋于稳定。所以，通过对锚索测力计的长期监测，可判断锚索加固的作用。

图3　锚索测力计S2受力-温度变化过程线

4　结语

在边坡锚索加固中，安装的 4 台锚索测力计在张拉和锁定荷载后荷载满足设计要求，现在锚索测力计全部达到设计的锚固力 90% 以上，锚索效果较好，处于基本稳定状态。监测过程中引起应力变化及损失的因素，有以下情况：

1）张拉过程损失。锚索与千斤顶的摩擦，钻孔的平直等，锚索安装后与孔壁接触面小，偏心等，会产生较小的损失。

图4　锚索测力计S3受力-温度变化过程线

图5　锚索测力计S4受力-温度变化过程线

2）观测时间的应力损失。时间推移，锚索的应力损失，钢绞线的松弛，锚墩的混凝土徐变，被锚固介质的流变等都会产生一定的压力损失。

3）锚索锁定损失。锚索张拉完成后，千斤顶卸荷是靠工作锚板锁定锚索的，锁定时钢绞线有一定的回缩，回缩与松弛引起锁定损失。

通过超设计载荷张拉、锁定方式，可减少锚索荷载各阶段不同程度的损失，使锚索发挥应有的作用。

参考文献：

［1］ 中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院. 芙蓉江浩口水电站安全监测设计专题报告［R］. 贵阳：中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，2011: 1-7.

［2］ 国家电力监管委员会大坝安全监察中心. 岩土工程安全监测手册［M］. 3 版. 北京：中国水利水电出版社，2013: 359-360.

［3］ 水利部南京水利水文自动化研究所. DG 型大坝安全自动监测系统培训教材［R］. 南京：水利部南京水利水文自动化研究所，2010: 161-165.

［4］ 熊成林，武学毅，任家正，等. 呼和浩特抽水蓄能电站安全监测布设及施工期监测成果分析［J］. 中国三峡，2013 （12）: 94-100.

［5］ 樊启祥，刘益勇，王毅. 向家坝水电站大型地下厂房洞室群施工和监测［J］. 岩石力学与工程学报，2011（4）: 666-676.

Analysis on Anchor Reinforcement Monitoring on Powerhouse Slope of Haokou Hydropower Station

XIE Honglan1，2，ZHANG Zhongju1，2，XIE Changjiang3
（1. Jiangsu Naiwch Co.，Ltd，Nanjing 210012，China；2. Research Centre on Hydrology& Water Resources Monitoring，the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China；3. Sinohydro Bureau 8 Co.，LTD，Changsha 410004，China）

Abstract:The anchor cable dynamometer is used to monitor the anchor reinforce cable. Taking anchor reinforcement monitoring project on powerhouse slope of Haokou hydropower station Haokou as an example，the article introduces the working principle，computational method，installation steps and measuring process of the anchor cable dynamometer. Through the anchor cable force change of monitored anchor cable after tension and locked，it analyzes the causes of the anchoring force loss and matters that should be paid attention to when anchor cable is locked. This shows the role of anchor dynamometer in slope cable construction and engineering safety monitoring. At the same time，it has certain reference significance for other projects.

Key words:slope monitoring；anchor cable reinforcement；monitoring data；data analysis

中图分类号：TV731

文献标识码：A

文章编号：1674-9405（2016）03-0048-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.011

收稿日期：2016-02-02

作者简介：谢红兰（1966-），女，江苏南京人，工程师，从事工程安全监测仪器设备生产、项目建设与管理等工作。