水利水电工程预应力锚索施工技术的发展与应用

我国水利水电工程预应力锚索施工技术的发展与应用杨俊志四川准达岩土工程公司自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索录像播放主要内容•水利水电工程预应力锚索发展及应用概况•预应力锚索类型的新发展•预应力锚索施工技术新进展1前言•预应力锚索是一种高效、经济、实用的加固技术。•我国从60年代在梅山水库坝肩加固开始应用预应力锚索，70年代扩展到对闸墩和地下洞室的加固。近年来，预应力锚索广泛应用于水利水电、建筑、煤炭、交通等行业领域的边坡加固治理工程中，尤其是水利水电工程，广泛应用预应力锚固技术进行高陡边坡、地下洞室、大坝基础、大型弧门的闸墩以及其它水工建筑物的加固。2水利水电工程预应力锚索发展及应用概况•2.1应用领域与范围扩展迅速•梅山水库右岸坝基(2400KN级预应力锚索110根)•石泉水电站(5884KN级预应力锚索)•四川凉山州大桥水库“三洞口”(自由式拉压复合型预应力锚索140根1500kN级及1100kN级110根预应力锚索)•天生桥二级水电站厂房西边坡顶下山包滑坡体•漫湾水电站•隔河岩水电站•龙羊峡水电站(10000KN级预应力锚索)•小浪底水电站(2000KN级锚索，3000KN级锚索)•三峡船闸(1000KN级229束，3000KN级4147束)•龙羊峡水电站中、深、底孔泄洪道闸墩锚索；岩滩、安康、小浪底和葛洲坝等水电站闸墩锚索。•隔河岩水电站压力引水隧洞环锚；小浪底三条排沙洞锚索。•小浪底等电站地下厂房锚索。•锦屏一级电站、瀑布沟电站、紫坪铺水利枢纽工程、西藏金河水电站、云南小湾电站、西藏直孔水电站、西藏羊湖水电站等工程边坡采用了1000KN～3000KN～5000KN级自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索进行加固处理。•2.2预应力锚固体系的研制取得突破•为满足水利水电等施工领域永久锚固的需要，四川准达岩土工程公司研制开发了自由式拉压复合型预应力锚索、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索，增强了预应力锚索对破碎软弱等复杂地层的适应性。•2.3大吨位、大口径、超深孔锚索施工水平日益提高•预应力锚索载荷大多为1000～3000KN。八十年代后期，丰满电站提高到6000KN；九十年代，石泉电站锚索载荷提高到8000KN；二十世纪末，李家峡锚索吨位提高到10000KN。•在锦屏一级电站边坡岩体破碎、深部裂隙发育等不利地质条件下，四川准达岩土工程公司施工完成了深达120m的3000KN级自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索以及深达80m、Φ220大口径的5000KN级自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索。•2.4标准化建设日益完善•为推广应用预应力锚固技术，提高预应力锚固的效能和技术水平，促进水电工程锚固技术的发展，水利水电施工规范逐步完善，形成了包括《水电工程预应力锚固设计规范》（DL/T5176-2003）、《水利水电工程预应力锚索施工规范》（DL/T5083-2004）、《水工预应力锚固施工规范》（SL46-94）、《水利水电岩土工程施工及岩体测试造孔规程》（DL/T5125-2001）等一系列规范，对我国预应力锚索施工起到了指导作用。•随着技术的不断更新、进步，各个规范亦在相应地不断补充完善。3预应力锚索类型的新发展•3.1预应力锚索新类型拉力型锚索拉力分散型压力（分散）型加波纹管的双层保护式锚索自由式拉压复合型预应力锚索自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索•3.1.1锚索用钢绞线锚索用钢绞线执行《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224标准、《无粘结预应力钢绞线》JG161-2004标准。•有粘结钢绞线•无粘结钢绞线•环氧涂层（无粘结）钢绞线•3.1.2拉力（分散）型预应力锚索从锚索结构可知，拉力型锚索存在锚固段应力集中及锚索防腐性能差等不足。•1）拉力型锚索张拉时，孔壁剪应力只作用在锚固段前端一定范围，离开前端稍远处孔壁剪应力便急剧减小并迅速趋向于零。因此，锚固段前端应力集中严重，呈现“各个击破”趋势。•2）一旦锚固结石体遭到破坏，钢绞线将“暴露”，其被地下水侵蚀将难以避免。•拉力（分散）型锚索结构示意图如下。拉力型锚索锚固段应力分布示意图锚固段前段为拉应力集中区，并逐渐衰弱至后段，易产生剪切破坏。123•3.1.3压力（分散）型预应力锚索从锚索结构可知：•1）压力型预应力锚索的锚固段底部为压应力集中区，锚索荷载的大部分作用于该区，易致锚固体压裂破坏。•2）压力分散型锚索在一定程度上改善了锚固段应力集中状况，但与压力型锚索一样，锚索体端部防腐性不足。•压力（分散）型锚索结构示意图如下。压力型锚索锚固段应力分布示意图锚固段底部为压应力集中区，易致锚固体压裂破坏。12•3.1.4加波纹管的双层保护式锚索•在拉力型锚索体外套上“波纹管”制成“双层保护式”锚索，亦存在地下水对锚固段钢绞线的侵蚀的可能性。锚固段自由张拉段塑料端帽钢绞线波纹管隔离架外部对中架的钢绞线导向钢管锚墩钢垫板排气管注浆管封闭器内部注浆管外部注浆管外套PE套油脂敷裹•3.1.5自由式拉压复合型预应力锚索•自由式拉压复合型预应力锚索（以下简称“拉压复合型锚索”）由四川准达岩土工程公司开发研制。•锚固段锚索体由拉力型绞线束与压力型绞线束编制加工而成。拉应力与压应力同时反向存在于锚固段内，通过拉应力与压应力的相互协调，使锚固段获得较均匀的应力分布，大幅度降低应力峰值。•3.1.6自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索为有效解决锚索锚固段应力集中状况及锚索防腐问题，四川准达岩土工程公司开发研制了新型锚索——自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索（以下简称“单孔多锚头锚索”）•1、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索主要由导向帽、单锚头、锚板、注浆管、高强低松弛无粘结钢绞线等组成。自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索•2、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索基本结构特点如下：1）基本（防腐）单元：单锚头。单锚头由无粘结钢绞线、挤压套及其密封套组件组成，具有良好的防腐性能。2）单孔多锚头结构：一根锚索由多组锚头构成，每组锚头包括锚板、单锚头，锚头数目及组合结构根据工程地质特性和锚索吨位大小进行选择。3）整体性锚头结构：各组锚头连接成为一个整体。单锚头3、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索特点1)改善锚固段应力集中分布状况——自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索为单孔多锚头结构，每组锚头分别承担一定荷载，应力分布状况为拉压复合型，总锚固力沿锚固段长度分布，改善了应力分布状况和围岩的受力条件，避免了传统拉力型锚索内锚头产生应力集中引起的锈蚀，对工程的长效锚固起到了重要作用。2)全程有效防腐——单锚头密封套组件与无粘结钢绞线PE套一起构成了阻水效果十分良好的防渗体系，使钢绞线免遭外界侵蚀，有效地解决锚索防腐问题。3)有效减小孔径——1000KN～6000KN自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的孔径一般为Ф100～Ф220mm。4)二次张拉——在全孔一次注浆后张拉，并可进行二次张拉。4、锚索结构相关试验1）锚头组件静载锚固性能试验经四川省建筑工程质量检测中心检测，自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索锚头组件静载锚固性能指标为：极限拉力（≥262.66KN）时总应变apu≥2.8%，效率系数a≥0.97。检测结论为：被检试样静载锚固性能a、apu符合GB/T14370-2000的规定（apu≥2.0%，a≥0.95）。2）单锚头抗渗试验通过高达5MPa的水压抗渗实验，证明了单锚头密封套组件与无粘结钢绞线PE套一起构成了阻水效果十分良好的防渗体系。这对锚索体抗地下水侵蚀具有十分重要的意义，使锚索防腐成为现实。•3.1.7预应力锚索类型发展趋势•1、传统预应力锚索存在的问题•1）拉力型锚索存在锚固段应力集中、锚索腐蚀、锚固段长或扩孔及二次注浆等问题，这些问题给预应力锚索施工、锚固效果、锚固寿命带来不利影响。•2）压力分散型锚索可以改善锚固段应力集中状况，但地下水可从钢绞线端头对其进行侵蚀。另外，其各组锚头仅简单地捆扎在一起，使得锚索孔径较大或采用小吨位锚索。•①锚固段应力集中：拉力型锚索锚固段前段为拉应力集中区，并逐渐衰弱至后段，易产生剪切破坏。压力型锚索锚固段底部为压应力集中区，易致锚固体压裂破坏。•②锚索腐蚀（地下水对锚索钢绞线的侵蚀）：a)拉力型锚索锚固段的钢绞线是裸露的，存在被地下水侵蚀的可能性。b)在拉力型锚索体外套上“波纹管”制成“双层保护式”锚索，依然避免不了地下水对锚固段钢绞线的侵蚀。c)压力型锚索在钢绞线外穿上保护套，将钢绞线与地下水隔离开，在很大程度上对钢绞线起到了保护作用，但地下水可从钢绞线端头对其进行侵蚀。•③有粘结钢绞线需二次注浆问题：采用有粘结钢绞线的锚索注浆须采用二次注浆工艺，即在锚固段附近卡塞先进行锚固段注浆，在候强张拉后再进行自由段注浆。采用此工艺不仅锚固质量不易得到保证，而且锚索注浆工效低，注浆施工亦不方便。二次注浆示意图ufLDT•④预应力锚索锚固段长度或扩孔问题•a）拉力型预应力锚索在内锚固段设计中采用的是剪应力沿内锚固段长度均匀分布的假设，其计算公式：•b）胶结式内锚固段所提供的锚固力，必须大于预应力锚索的超张拉力。胶结式内锚固段长度计算公式：式中：0—结构的重要性系数；—设计状况系数；d—结构系数；c—黏结强度分项系数；p—锚索张拉力分项系数；Pm—锚索张拉力；D—锚孔直径；C—胶结材料与孔壁的黏结强度（1.5～0.3或≤0.3）。•c）拉力型锚索有关试验表明“在内锚固段中剪应力既不是均匀分布的，又不是沿全长都受力的，而是在内锚固段口部附近有高度的剪应力集中，存在着各个‘击破’现象”，很明显，增加锚固段长度并不能有效增加锚固力。•d）一味增加锚固段长度缺乏科学性，因此，就把预应力锚索的锚固段设计成扩大头型或增加锚孔直径，以期达到提供足够锚固力的目的。锚索孔施工时，就需要扩孔增大锚固段孔径，将会导致施工进度慢和工程投资增加。CDPLmpcd01•2、锚索类型的发展趋势•1）传统锚索存在上述问题，使得其对复杂地层的适应性差。•2）当前，预应力锚索的防腐及应力集中问题已引起业内人士的高度重视。•因此，开发和使用具有改善锚固段应力集中、有效防腐、有效减小孔径等性能特点的锚索已成为预应力锚索发展的趋势，比如自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索。•3.2自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索锚固段应力特性研究•3.2.1瀑布沟水电站预应力锚索试验•瀑布沟水电站枢纽区基岩岩体由澄江期花岗岩、前震旦系浅变质玄武岩和震旦系下统苏雄组凝灰岩及流纹斑岩组成。岩体断层及构造裂隙发育，卸荷强烈，岩体完整性差。为此，在左岸泄洪洞出口附近边坡结合永久边坡锚索进行了1000KN、2000KN、3000KN级拉力型、单孔多锚头防腐型预应力锚索对比试验，共布置锚索22根，锚索孔径分别为φ115mm、φ140mm、φ165mm，深度40m～60m，锚索孔方向下俯5。•试验着重对锚索新结构、新材料进行适应性方面的试验。根据要求，亦进行了水泥结石体与钢绞线、水泥结石体与岩壁粘结强度试验。试验过程中，安装锚索测力计、多点位移计分别进行锚索应力长效监测、边坡变形监测。•3.2.2紫坪铺水利枢纽锚索试验•四川省紫坪铺水利枢纽工程边坡地质条件复杂，岩性为砂岩、泥质粉砂岩与煤质页岩互层，含煤层，强卸荷、岩体破碎。为进一步分析研究自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索、拉力型锚索锚固段应力特性，在引水隧洞进口边坡布置试验锚索6根，单根长50m，3000KN级。•拉力型预应力锚索3根，6m、8m、10m锚固段长锚索各1根，每根锚索锚固段均布设应变元件测试锚固段应力情况，应力测试范围分别为6m、8m、10m；自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索3根，每根锚索均进行应力测试，范围分别为6m、8m、10m。同时，安装锚索测力计监测拉力型预应力锚索和自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的锁定荷载的变化情况。锚索试验场地紫坪铺水利枢纽工程引水隧洞进口边坡•3.2.3锦屏水电站锚索试验•锦屏一级水电站位于雅砻江干流普斯罗沟峡谷段，左岸岸坡岩体风化卸荷强烈。在左岸导流洞出口部位边坡，针对该部位的大理岩及深部裂缝