预应力锚索结构在水利工程边坡处理中的应用

杜晓虎

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着施工技术的发展，水利工程也得到了持续大量的建设，对于水利边坡工程而言，除了需要满足各种设计荷载状态下的结构稳定、坚固和耐久性外，还需要实现与周围环境的适应协调，尤其是在工作面开挖过程，避免放坡和减少拆迁的工作量，只有这样才能较好的满足工程项目的需求。对于水利工程边坡的处理，当前主要采用挡土墙、边坡锚固和土钉支护的方法，对于上述几种方法均有各自的针对性、使用范围和使用效果，然而对于预应力锚索板墙结合了上述预应力结构和板墙防渗的优点，得到了较为广泛的应用。对于应力锚索而言，作为一种可承受拉力的结构，一段固定在地层结构中，另一端与被加固物体连接，形成一种新的复合体结构，对于边坡工程的稳定性，抑制、减少和消除天然力场对于水利边坡工程的危害，对于提供边坡工程的稳定性起到较大的促进作用，因此在边坡加固、深基坑和地下洞室工程中得到了较为广泛的应用。

当前对于预应力锚索结构的研究，多集中在施工工艺方面，对于其选择匹配性和后期加固处理效果缺乏深入的研究，因此本文通过对预应力锚索板墙在某水利工程边坡加固处理中的应用，首先从结构和适用性方面介绍了预应力锚索结构的组成和特点，然后针对实际工程，从材料选择、施工工艺和关键控制技术方面介绍了预应力锚索结构的应用，最后通过实际传感器的监测，数据表明，预应力损失主要存在于张拉阶段和锚固阶段，在正常服役阶段，预应力损失较小，证明预应力锚索结构在水利工程边坡处理中的有效性，对于未来类似工程的设计、施工、验收和加固维修提供一定的经验。

1 工程实例

某工程为水利枢纽工程，能够满足防洪、发电和供水的综合作用。在定期检测过程中，水利大坝山体边坡存在山体滑坡的重大安全隐患。根据勘查资料可知，左岸边坡岩性为泥盆系中厚层-厚层砂岩，岩层分布为倾向下游，同时向左岸偏移。通过对边坡进行开挖，发现边坡荷载裂缝发育成熟，张开度较大，同时存在规模较大的洞隙若干，相对于初始情况，边坡稳定情况出现了较大的变化，在降雨、边坡底部施工等情况下容易发生裂缝和滑塌破坏。

图1 某边坡处理工程截面图

鉴于上述病害情况，养护处采取了削破压脚、喷锚支护的加固方式，然而病害并没有得到有效控制，存在继续发展的可能性。根据对于预应力锚索结构的了解和实际工程情况，各方一致决定采取预应力锚索板墙结构对于边坡结构进行加固处理。如图1所示。本文就预应力锚索结构的特点、施工工艺和预应力损失的检测对于预应力锚索结构在水利边坡工程的应用进行系统的介绍。

2 预应力锚索加固原理及分析

2.1 预应力锚索加固原理

关于预应力锚索板墙对于工程边坡的加固防护，主要是通过锚固作用将破碎松散岩土锚固在岩体上，通过预应力的作用，使得锚固范围内的软弱岩体得到挤密，使得不同岩层之间的正压力和摩阻力大大提高，对于松散岩体之间的相对位移作用起到较好的阻止作用。具体结构如图2所示。

图2 预应力锚索板墙结构示意图

预应力锚索结构组成如图3所示。

图3 预应力锚索结构图

根据图3可知，水泥浆包裹预应力钢绞线，保存在波纹管内。关于预应力锚索受力原理，则认为预应力锚索结构主动对于松散岩层施加正应力，对于滑移面的压力大大增强，使得坡体趋于稳定。同时注浆作用不仅能够包裹钢绞线，对于坡体内裂缝和空隙也有一定的填充作用，提高了坡体内破碎岩体的完整性，同时由于水泥浆具有一定程度凝固作用，这对于坡体的完整性也有一定程度的提高。

2.2 预应力锚索设计

对于预应力锚索板墙的加固作用计算思路：首先根据地质条件和重要性，初步拟定板墙的截面尺寸和锚固段的长度、锚索位置和初始预应力；然后根据具体形式判断计算模式，对于滑动面弯矩、剪力、转角和挠度进行计算；利用位移变形协调原理对于锚索拉力值进行计算分析，对于桩顶位移进行计算，判断是够满足桩顶位移控制标准。

以下就预应力锚索结构在水利工程边坡工程应用中的典型计算模式进行详细分析。

(1)物理力学参数

根据实际工程勘察情况分别选择土层厚度和产状通过室内试验进行分析，具体指标见表1。

表1 勘察土层室内试验数据表

注:括号内数据为内滑坡推力模式计算时滑面力学参数取值。

(2)土压力结构计算

对于土压力的计算，工程上常采用库伦土压力进行计算，对于滑坡推力则采用传递系数法进行分析。对于预应力锚索结构的变形协调如图4所示。

图4 预应力锚索变形协调示意图

根据上述变形协调示意图，对于内力和配筋的计算多采用分项系数法得到承载力极限状态。对于其他结构按照混凝土结构设计规范进行计算。

(3)锚杆计算分析

对于锚杆的钢绞线的截面面积、强度以及砂浆与钢绞线之间的粘聚力，选择上述计算的最小值进行分析计算，受到钢绞线较大的影响，其余锚杆设计轴向拉力的比值，则为抗拔安全系数。对于预应力锚索结构分析计算如图5所示。

图5 预应力锚索结构计算示意图

3 预应力锚索施工

对于预应力锚索结构在水利边坡加固工程中的应用，存在两个施工难点：

(1)施工困难。水利边坡工程过高、过陡，锚索孔位于半坡上，脚手架的搭设和高空作业时施工的最大问题。

(2)技术难度大。对于预应力锚索结构在本项目中的应用，存在锚索钻孔深、存在地下水的问题，尤其是锚索穿越裂隙面和断裂破碎带，存在着漏风、塌孔和卡钻的施工难题。

为了保证预应力锚索结构在水利边坡工程中的应用，以下就施工工艺和主要施工方法进行介绍。

3.1 施工工艺

对于预应力锚索结构在水利边坡加固项目中的应用，主要施工工艺如图6所示。

图6 预应力锚索施工流程图

根据图6可知，预应力锚索结构施工工艺主要为：搭设脚手架→测量定位→覆盖层清理修整→钻孔、清孔与锚索制作→锚索安装→压浆→锚墩混凝土浇筑→锚索张拉与锁定→最后封锚。

3.2 主要施工方法

3.2.1 施工准备

对于预应力锚索板墙在水利边坡中的应用，施工前需做以下准备工作：

(1)对坡面按照设计进行削坡，将坡面浮土、杂物清理干净。

(2)测量放样。利用测量仪器对于锚孔孔位进行定位，并做好孔位标记。鉴于施工环境的复杂，如果需要孔位调整时，需要得到设计方许可才能进行调整。

3.2.2 钻孔与清孔

(1)施工准备完毕后，按照设计孔位、倾角和方位进行确定，对于钻机导轨误差不得超过±1°，方位角的误差则限制在±2°。为了保证预应力锚索的加固效果，需要采用干钻造孔，严禁用水冲钻或者冲孔洗壁；钻孔过程中需要控制钻进速度，保证钻孔效果。

(2)钻孔结束后，对于钻孔质量进行检验，孔径和孔深不得小于设计值，需要超钻50cm最为沉渣层，达到设计深度后采用0.2～0.4MPa的高压风将孔内岩石粉末吹洗干净。

3.2.3 安装锚索

在清孔完成后，安装锚索前需要对于钻孔质量进行二次检查，对于塌孔和掉块病害进行清理；同时对于锚索结构也需要进行检查，修复损坏的防护层。如果采用预制的锚固段，应避免锚索安装时自由端和锚固段产生弯曲线形，防止注浆液体的开裂和脱离。

在推送锚索时，不得使锚索产生转动，保证推送受力一致，防止损伤锚索保护层；当推送困难时，应对锚索进行拔出和检验。锚孔经检验合格后应进行锚索安装，安装前对于注浆管进行检验，确保完全无误后进行穿索和注浆。

3.2.4 张拉与锁定

安装锚索后需要进行锚固端的施工，在混凝土强度达到设计强度的80%以后，则需要进行预张拉。张拉作业开始前需对张拉设备进行校核，保证千斤顶、油泵和压力表匹配，锚枕的安装需要与锚垫板和千斤顶的安装紧密接触，以保证承载力的均匀。

张拉前，对于预应力束按照10%～20%的设计预应力进行预张拉，使得各部位能够紧密接触和索体完全平直。张拉荷载主要分为五级进行，前四级分别为25%、50%、75%和100%，在一级张拉稳定后5min内应力不发生大的变化，则进行下一级张拉，最后一级则为设计强度的110%，在稳定30min后则恢复到设计强度的100%。对于张拉预应力的控制，以油泵油表读数为准，并用伸长量进行校核，设计伸长量与理论值相差小于6%后，则认为满足设计结果。

3.2.5 封锚

在预应力束张拉完毕后，需要对于锚头部分进行及时封锚处理，外露部分以不小于20cm为标准，封锚混凝土强度不低于锚墩混凝土强度。为了减少预应力损失对于加固效果的影响，本项目采用可调式锚索，即对于锚头未采用混凝土进行封锚处理，而是采用黄油封锚处理，外加铁皮进行防护处理，应力可调式锚索外锚头处理方式具体结构如图7所示。

图7 应力可调式锚索外锚头处理方式示意图

4 预应力损失质量检验

鉴于预应力锚索结构对于水利边坡工程加固处理工程的隐蔽性，一旦发生病害则会对于社会经济造成较大的损失和较大的社会影响；同时预应力束的材料特性使得预应力损失难以避免，因此为了保证预应力锚索结构的加固处理作用，需要对于预应力锚索结构的预应力损失进行检验，对于施工质量进行评价。

根据预应力束质量检测相应规范和设计要求，选择不少于5%的预应力锚索进行张拉试验，荷载为设计荷载的1.5倍，对于张拉过程和参数取值满足设计和相关要求。根据预应力锚索索力监测传感器的数据，锚索应力损失与时间关系如图8所示。

图8 锚索预应力损失随时间变化曲线

根据图8可知，预应力损失主要分为两个阶段：

(1)张拉锁定阶段。锚索预应力的损失在极短的时间内发生，且损失量较大，占到总预应力的15%～20%。

(2)锚索服役阶段。预应力损失随着时间的增长而累积增加，但损失量相对不大，每年损失量为总预应力值的3%～5%。

由图8可知，预应力锚索传感器的锚固力在每年存在较大的波动，每年10月份至次年6月份，锚固力有较大波动，说明锚索力受到气候、环境和温度较大的变化。同时可以发现，预应力损失量虽在持续增加，但相对增长量却在下降，说明预应力在逐渐保持稳定，说明预应力锚索在水利边坡加固处理中的效果较为明显。

5 结论

鉴于预应力锚索板墙的设计理论和工程实践日益成熟，因此在水利工程边坡处理中得到了越来越为广泛的应用。本文通过在某水利工程中的应用，系统介绍了预应力锚索的构成和特点，对于预应力锚索结构的施工方法，分别从材料选择、施工工艺流程和主要施工方法进行了介绍，最后为了保证加固处理效果，对于预应力损失的质量检测进行了分析，文章对于类似工程提供一定的借鉴。