锚索在边坡加固处理中的应用

2018-03-26龙云宝杨元红赵应武

水利科学与寒区工程 2018年7期

龙云宝，杨元红，赵应武

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002)

1 概述

某枢纽工程溢洪道位于大坝坝肩右岸，上游接溢洪洞。溢洪道最大下泄流量为1648 m3/s，溢洪道出口由泄槽段和挑流鼻坎段组成，为确保溢洪道整体结构，泄槽段(溢0+732.430～溢0+768.930)与挑流鼻坎段(溢0+768.930～溢0+805.149)不设结构缝，纵向钢筋沿溢洪道轴线方向通长布置，仅于溢0+765.244～溢0+767.244设置2 m长后浇带，后浇带浇筑添加膨胀剂C45HF粉煤灰混凝土。基础面设置纵横向Φ200塑料排水盲管，将基础裂隙水等渗水及时排走，以降低基础扬压力。基础部位设置锚杆及固结灌浆措施，增加基础整体性并提高结构整体抗滑稳定[1]。

挑流鼻坎段过流面逐渐变宽变高，过流面为矩形，起点断面为10 m×11.268 m(宽×高)，出流末端宽度为12.475 m，右侧高15 m，左侧高7.41 m,由底板圆弧面和右侧墙圆弧面共同将水流挑射至河谷。挑流段进出口基础各设置齿槽，以增加结构整体抗滑稳定。过流面1.2 m采用C45HF粉煤灰混凝土(W8F100，二级配，龄期90 d)，以下部分采用C20混凝土(二级配，龄期28 d)，混凝土材料分界面设置反坡平台，并于平台上设置插筋，以增强混凝土施工缝面的接触粘接强度和粘接质量。

2 开挖揭露地质情况

开敞式溢洪洞挑流鼻坎桩号溢0+790～溢0+800段基础开挖清理后揭露：岩性为三叠系下统永宁镇组第一段第二层(T1yn1-2)灰色中厚至厚层灰岩，下部T1yn1-1为薄层泥灰岩与薄层灰岩互层，中间夹中厚层灰岩，背斜轴从溢0+785附近大角度交于溢洪洞轴线，北翼岩层倾上游，倾角4°～25°，南翼倾下游偏河流侧，倾角9°～17°。

基础岩体卸荷裂隙发育，最发育的一组NW0°～10°/NE85°，密度1～2条/m，发育长度一般20～30 m，溶蚀严重，溶缝宽一般5～40 cm，深度较大，最深可达30 m，局部为黏土充填，溶蚀宽缝间局部有顺层溶洞发育。

挑流鼻坎基础岩体由3号公路开挖，形成人工斜向边坡，坡高约45 m，开挖后，经过4个水文年的观测，开挖边坡未发生变形，处于稳定状态。由于裂隙的存在，裂隙走向与挑流鼻坎泄流的方向近于垂直，对边坡稳定性极为不利，在挑流鼻坎运行后，边坡的后缘溶蚀裂缝可能充水，同时在水动力作用下，边坡沿岩层面向下游偏河流方向滑动的可能性大。

3 现场施工情况

设计文件针对右岸开敞式溢洪道浇筑分缝有严格要求，设计文件明确要求“施工缝应相互错台，不应形成贯穿性施工缝”“施工单位应上报出口段(泄槽段和挑流鼻坎段)混凝土工程浇筑方案，经监理审批后方可实施，混凝土分层浇筑应处理好层间缝面”等要求，并在材料分缝面设置插筋和反台阶，以确保缝面质量。而施工单位于挑流鼻坎末端桩号溢0+800底板部位设置横向施工缝，缝面未错开，与设计文件要求严重不符。

4 结构稳定分析

(1)根据开挖揭露地质可知，挑流鼻坎段齿槽基础发育有裂隙L1、L2，裂隙走向与挑流鼻坎泄流方向近似垂直，对边坡稳定极为不利，在挑流鼻坎运行后，边坡的后缘溶蚀裂缝可能充水，同时在水动力作用下，边坡沿岩层面向下游偏河流方向滑动的可能性大。

(2)因溢洪道下泄流量大，流速高，流态复杂，结构异性，受力极为复杂，为确保溢洪道运行安全，设计文件中明确要求反弧段严禁分缝。但施工现场在反弧段混凝土浇筑时，形成贯穿性施工缝，人为将结构分离，分离体(溢0+785～溢0+805.149)位于反弧段底板及右侧墙反弧段水流离心力集中部位，极有可能发生整体性滑动失稳。

鉴于以上两方面原因，为确保溢洪道后期运行安全，需结合开挖地质条件，并考虑现场施工分缝的实际情况，对设计结构进行稳定复核，根据复核结果确定加固措施。

采用刚体极限平衡法，按抗剪断强度公式计算边坡稳定[2]：

(1)

式中：K为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为结构与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；c′结构与基岩接触面的抗剪断黏聚力，kN/m2；P为作用于结构上的全部荷载对计算滑动面的切向分量，kN；W作用于结构上的全部荷载对计算滑动面的法向分量，kN；A为结构与基岩接触面的截面积，m2。

主要计算荷载有：滑动面上部岩体自重、分离体自重；沿滑动面反方向的滑动摩擦力；滑动底面的黏聚力；水流离心力、脉动压力、动水压力；右侧墙体与山体间的黏聚力等。

(3)分析及假定。①以裂隙L1为后缘拉脱面，岩层层面为底滑面，溢洪道轴线方向为滑动方向。②以裂隙L2为后缘拉脱面，岩层层面为底滑面，鼻坎出流方向为滑动方向。

(4)复核结果。①沿溢洪道轴线方向：基本组合(设计水位工况)，计算抗滑稳定安全系数K为2.871，不满足规范不小于3.0的要求。特殊组合 (校核水位工况)，计算抗滑稳定安全系数K为2.613，满足规范不小于2.5的要求。因此，沿溢洪道轴线方向在设计水位工况下，分离体抗滑稳定不满足要求，需增加锚索。分别于出流方向增加35根锚索，轴线方向加23根锚索后，设计、校核水位工况抗滑稳定安全系数K分别为3.015、2.695，满足规范和要求。②沿出流方向：基本组合(设计水位工况)，计算抗滑稳定安全系数K为2.442，不满足规范不小于3.0的要求。特殊组合(校核水位工况)，计算抗滑稳定安全系数K为2.16，不满足规范不小于2.5的要求。因此，沿出口出流方向在设计、校核水位工况下，分离体抗滑稳定均不满足要求，需增加锚索。分别于出流方向增加35根锚索，溢洪道轴线方向加23根锚索，设计锚固力Nt=1000 kN，经复核增加锚索后，设计、校核水位工况抗滑稳定安全系数K分别为3.2、2.7，均满足规范和《工程建设标准强制性条文》要求。

5 锚索设计及施工

本工程边坡地质岩性主要为灰岩，以弱风化作为锚索锚固段，锚固段长度为10 m，考虑锚索需穿过卸荷裂隙一定长度后，锚索杆体长度25 ～30 m，孔径150 mm，本工程锚索为有黏结预应力锚索，设计锚固力Nt=1000 kN，每根锚索10束钢绞线，规格为10-1×7-15.2-1860。预应力钢绞线采用无涂层高强低松弛标准型1860 MPa(270级)钢绞线，每根钢丝均为通长无接头，锚索计算最优锚固角43.8°，结合现场情况，实际取40°。预应力锚具采用YJM15-8 OVM锚具[3]。

锚索施工过程主要有：钻孔→预埋引出套管→分离体钢筋和锚索制安→浇筑锚固段砂浆和分离体混凝土→待强→张拉锁定→浇筑自由段砂浆[4]→封锚→验收。引出套管是指埋设于分离体结构轮廓线以内的锚索套管，采用高密度聚乙烯(HDPE)波纹管，其预埋应平直顺畅、牢固可靠，并确保孔轴线符合设计要求，采用轨道筋、井型架等进行有效固定和保护。结构混凝土浇筑过程中，应确保引出套管预埋的准确性和密封性，严防倾斜走位、破损、混凝土浆液渗入等。

结构混凝土部位采用埋管法成孔时，应注意以下事项：波纹管安装应位正、顺畅、牢固、可靠。波纹管应采用轨道筋、井型架等有效支撑固定措施，确保孔道安装后孔轴线符合设计要求。混凝土浇筑前应对孔道管的密封性、畅通性及孔位进行全面检查，并将两端孔口临时封堵。浇筑混凝土过程中应有专人看护，严禁冲击、触伤或移动孔道管。为确保孔道管畅通，混凝土浇筑过程中及时采用柔性球体进行通畅性检查，混凝土浇筑结束后应采用梭形体进行全面检查，如发现孔道有错台或阻塞，应采取疏通处理。

锚索张拉遵循分区逐级加密原则，针对单根锚索按照分级加载，严格控制加载速率的方法，并考虑5%的超张拉后锁定。锚索张拉应按下列规定执行：待内锚固段浆体、锚墩混凝土的强度达到90%，且龄期≥7 d才允许进行预应力的张拉。张拉过程如遇异常情况，应立即停止张拉作业并报监理工程师。应以张拉力控制为主，伸长值校核的双控操作方法。锚索正式张拉前，应取0.1～0.2 Nt对锚索体预张拉1～2次，使锚索各股预应力钢绞线的应力均匀，索体平直后，再进行整索张拉。锚索张拉应分级加载，共分六级加载。锚索张拉及卸载应缓慢平稳，加载速率不宜超过设计规定，卸载速率每分钟不宜超过0.2 Nt。锚索张拉至设计应力待压力表稳定后锁定，持荷稳压时间不得小于10 min。锚索张拉每级加载后应同步测量其伸长值，锁定后应量测预应力钢绞线的内缩量。锚索张拉完毕后48 h内，如发现锚索锁定力低于设计张拉力的10%时，应补偿张拉力。锚索张拉锁定后，夹片错牙不应大于2 mm，否则应退索重新张拉。张拉过程如遇钢绞线断丝、夹片出现可视裂纹、千斤顶严重锈蚀、油泵压力表反映异常等情况之一时，应停机检查处理。锚索张拉过程应按照《水利水电工程预应力锚索施工规范》(DL/T5083—2010)[5]中附录F中表F5做好施工记录。另外根据规范要求，在锚索锚垫板底部设置3套应变计，以便运行期监测锚索工作状况及边坡变化。

6 其他处理措施

(1)于左右侧边墙中部、反弧段底板各增设一层钢筋网，钢筋网横向钢筋为φ28@150，纵向钢筋为φ25@150，同时左右侧墙内外层每2根纵向钢筋之间增设1根φ25钢筋。对于增设的纵向钢筋在已浇筑混凝土部位采取植筋方式处理，植筋深度为1.0 m,胶凝材料采用与混凝土同标号的水泥砂浆灌注，以增加因施工贯穿缝间的结合强度[6]。

(2)开挖建基础面凿成平面或反坡粗糙面。

(3)在鼻坎末端下游面增加底板、挡墙，挡墙、底板均设置双层φ20@200×200钢筋网片，将边坡矛头封闭，避免运行期挑流鼻坎出口高速水流雾化对矛头及钢绞线造成不利影响。

(4)针对齿槽基础目前开挖已揭露的卸荷溶，浇筑前应对充填物进行人工清理，并用高压水枪冲洗基础，在溶隙内预埋注浆管，采用自流式注浆，分多次间隔灌注水泥砂浆，于溶隙铺设25@200×200钢筋网片，两端搭接长度不小于1 m。