預應力錨索施工技術在西藏林芝老虎嘴水電站高邊坡加固中的應用

楊華斌

(中國人民武裝警察部隊水電第十一支隊,四川成都 610036)

1 工程概況

老虎嘴水電站位于西藏林芝工布江達縣巴河干流上,是巴河巴松湖以下河段梯級開發規劃的第七個梯級。巴河出口處多年平均流量為 184 m3/s,多年平均徑流量為 58.03億 m3。

本工程為三等(中型)工程,樞紐主要建筑物按 3級建筑物設計;次要建筑物按 4級建筑物設計。其防洪標準為:擋、泄水建筑物按 100年一遇洪水設計,500年一遇洪水校核;廠房按 50年一遇洪水設計,200年一遇洪水校核。

樞紐布置從右至左布置的建筑物依次為泄洪洞、導流洞、右副壩、進水口壩段、發電廠房、尾水渠、中間混凝土壩、表孔溢洪道及左副壩,開關站布置在中間壩段;壩頂長為 272.70m,壩頂高程為 3299.00m。電站引水流量為 208m3/s。

2 錨索設計

2.1 設計概述

錨索是通過外端固定于坡面、另一端錨固在滑動面以內的穩定巖體中穿過邊坡滑動面的預應力鋼絞線,直接在滑面上產生抗滑阻力,增大抗滑摩擦阻力,使結構面處于壓緊狀態,以提高邊坡巖體的整體性,從而從根本上改善巖體的力學性能,有效地控制巖體的位移,促使其穩定,達到整治順層、滑坡及危巖、危石的目的。

老虎嘴水電站在進行導流洞、泄洪洞出口邊坡開挖支護時,雖然按照“開挖一級,支護一級”的方式自上而下施工,對開挖后的邊坡按設計圖紙及時進行了常規支護,但由于邊坡地質條件差、巖體破碎,開挖后的邊坡在下部形成了較大范圍的塑性區,邊坡變形加大,導致開挖邊坡及頂部自然邊坡產生了一系列的拉裂縫(壩下樁號 0+110以下右岸山坡坡頂出現 17條裂縫,最大寬度達1.0m以上),且呈擴張趨勢,邊坡監測數據顯示,裂縫寬度以每天 2～5mm的速度增大,隨后發生多次較大規模塌方。受出口山體變形影響,導流、泄洪隧洞開挖后的出口段的支護鋼支撐受壓變形嚴重,若不及時進行邊坡加固處理,將影響已開挖的隧洞安全,后期 C1標的大壩及廠房開挖則不能按期進行,必將影響老虎嘴水電站的整體工期。

為確保出口邊坡及導流、泄洪隧洞的穩定和施工安全,滿足 C1標大壩及廠房開挖的工期要求,業主組織監理、設計及施工單位對現場進行了詳細查勘,經多次召開專題會議進行討論研究后,針對出口及右岸邊坡加固采取了切實可行的治理措施,其中采用了大量的預應力錨索對邊坡巖體和過水隧洞進行了預應力錨固,加固效果明顯,目前邊坡已基本穩定,并按期進行了 C1標大壩及廠房的土石方開挖施工。

2.2 錨索布置原則

根據老虎嘴水電站導流洞、泄洪洞出口邊坡拉裂縫特點及地質情況,對導流洞、泄洪洞出口邊坡采取了以下錨固措施(圖 1)。

第一步:實施 A、B區加固。首先對泄洪洞、導流洞之間出洞內 30m范圍內的巖體進行預應力錨索對穿加固,對泄洪洞出口洞內 30m范圍內的右側壁進行預應力錨索加固,錨索規格均為500kN,L=20m,不允許超張拉,錨索間排距為 4 m,雙排、錯開布置;完成泄洪洞頂部 3260m高程以下的錨索施工,錨索規格為 1000kN,L=30m;再完成導流洞頂部邊坡 B區預應力錨索加固,錨索規格為 1000kN,L=40m,兩部位的錨索布置間、排距均為 4m;對圖 1中的 L1拉裂縫進行了錨桿、預應力錨索鎖縫,即從距該裂縫 8m處開始打兩排 1000kN預應力錨索,深度分別為 30m、40m,間排距 4m,錯開布置,錨索張拉力為 1000 kN。

第二步:實施 C區加固。對泄洪洞頂部3290m高程以上邊坡進行預應力錨索加固,錨索規格為 1500kN,L=55m,間距 4m,排距 6m,錨索張拉力為 1500kN。

第三步:實施 D區加固。對泄洪洞頂部3260～3290m高程范圍內的邊坡采用錨筋樁加固,錨筋樁規格為 3φ32,L=15m,間排距 4m,梅花型布置;對老旅游公路以上側面邊坡進行錨索加固,壩下 0+190以下至泄洪洞開挖邊坡間的錨索為 1000kN,深度從 40m開始,由泄洪洞開挖邊線向上游 60m范圍內每向前 20m深度增加10m,間排距為 4m×6m。

第四步:對坡頂拉裂縫進行復合土工膜覆蓋和碎石回填處理,對開口線以上適當范圍采用被動防護網處理。采用的預應力錨索基本設計參數見表1。

3 錨索施工技術

施工工藝及流程見圖 2。

表1 老虎嘴水電站泄洪洞、導流洞出口邊坡預應力錨索基本設計參數統計表

3.1 施工準備

(1)鉆孔定位編號。

錨索鉆孔編號。A-Ms/Mg-N。

其中 A表示施工區域;Ms為錨索施工;N為鉆孔編號,用 1、2、3….表示。

(2)孔位測放。

孔位嚴格按設計圖紙所示位置布置,用紅油漆標示并注明孔號。

圖2 施工工藝及流程圖

(3)鉆機就位。

為保證鉆孔質量,鉆機就位要準確、穩固。

調整鉆機立軸軸線方位角與錨索孔設計方位角一致。使用地質羅盤測量,調整鉆機立軸軸線傾角與錨索孔設計傾角一致。鉆進過程中,隨時使用地質羅盤校核鉆孔。

用卡固扣件卡牢鉆機,使鉆機牢固固定在工作平臺上。試運轉鉆機,再次測校開孔鉆具軸線和傾角,使其與錨孔軸線和傾角一致,然后擰緊緊固螺桿。施工過程中,一直保證卡固扣件緊固狀態,并定期進行檢查其牢固情況。上下平臺吊裝鉆機設備時,在平臺管架上安裝手動葫蘆,葫蘆噸位大小為提升重量的 3倍以上;承載的立桿、橫桿應加密,操作人員應佩帶安全帽、保險繩;吊裝平臺部位以下不得有人并設置專人指揮。

3.2 錨索孔造孔

(1)造孔設備。

用潛孔沖擊式鉆機或地質鉆機造孔,500kN級錨索采用采用 φ90沖擊器成孔,1000kN級錨索采用 φ110沖擊器成孔,1500kN級錨索采用φ120沖擊器帶 φ135纖頭成孔。造孔施工時,根據設計孔徑選用 φ73、φ89鉆桿。

(2)鉆進工藝參數(表 2)。

表2 潛孔錘沖擊回轉鉆進工藝參數表

(3)造孔注意事項。

造孔采用干鉆,開孔前,清除孔口附近松動巖塊。開孔時,嚴格校檢鉆具的傾角及方位角,不得對設計的傾角進行修改。

(4)破碎地層段的鉆進措施。

鉆進遇破碎地帶時鉆具會發生跳動,鉆進負荷加大,甚至會發生坍孔、卡鉆、埋鉆等事故,給正常鉆進帶來不利影響。為保證成孔質量及效率進行了超前固壁灌漿,待凝等強后繼續鉆進。固壁灌漿采用純水泥漿液灌漿。

灌漿原則:采用自下而上分段不待凝純壓式灌漿,錨固段段長不宜大于 6～7m,張拉段段長不宜大于 8m。

①灌漿材料:水泥采用強度等級不低于 42.5級的普通硅酸鹽水泥,灌漿用水符合控制水工混凝土要求,制漿時可根據實際需要摻入適量速凝劑或早強減水劑。

②主要機械設備:

a.制漿:ZJ400或 200×200型制漿機,嚴格按照設計水灰比準確配料,攪拌時間大于 3min,且自制備至使用結束時間不超過4h,漿液溫度保持在 5℃～40℃。

b.灌漿:3SNS高壓注漿泵或 BW-200型泥漿泵。灌漿壓力在不外冒的情況下適當加壓即可,一般在 0.3～0.5MPa之間。灌漿采用自動記錄儀進行記錄 。漿液比級采用 0.5∶1、0.4∶1、0.35∶1三個比級。由稀到濃,按規范要求進行變換灌注,開灌水灰比為 0.5∶1,在注入量特別大的情況下應繼續提高漿液濃度,拌制 0.4∶1水灰比的漿液進行灌注。錨孔固壁灌漿可采用制漿加減水劑并摻速凝劑,以迅速封閉錨孔周邊裂縫。為避免浪費漿液,在合理的壓力下,灌漿孔(段)注入率不大于 2L/min時,延續 10min即可結束。

③鉆孔固壁灌漿應單鉆單灌,逐個灌漿并嚴格控制灌漿壓力。注意觀測鉆孔周邊巖體有無漏漿或抬巖情況,嚴防產生拉裂及傾倒破壞,如發現嚴重串孔,應會同設計和監理人員采取有效的補救措施。

④灌漿特殊情況的處理:在任何情況下,單次灌漿注入水泥量超過 20t時必須間歇,并按以下不同情況分別進行處理。

a.冒 (漏 )漿的處理:灌漿過程中,如地表、巖壁或混凝土縫發生冒(漏)漿現象時,可根據其量的大小采取以下處理措施,如冒漿量小并持續減少可不作處理,正常灌漿結束。

地質構造處理:當鉆孔穿過斷層、破碎帶且發生塌孔、掉塊或集中滲漏時,應立即停鉆查明原因,一般可采取縮短段長進行灌漿處理后再進行下一段的鉆灌作業。

串漿孔的處理:灌漿過程中,若發生灌漿孔串通的現象,對于串漿孔具備灌漿條件的可同時并聯灌漿,但孔數不得超過 3個;對于串漿孔不具備灌漿條件的可采取孔口封堵,待灌漿結束后再掃孔灌漿。

b.中斷處理:灌漿工作須連續進行,因故中斷應盡快恢復灌漿,恢復灌漿時使用開灌水灰比漿液灌注,如注入率與中斷前相近可改用中斷前的水灰比漿液灌注;如恢復灌漿后注入率較中斷前減少很多且在短時間內停止吸漿,報監理等相關單位研究相應的處理措施。

c.大漏量孔段的處理:灌漿時,若遇注入率大、灌漿難以正常結束時應暫停灌漿作業,對灌漿影響范圍的隧洞、結構分縫、地質缺陷等進行徹底檢查,如有串通,采取措施后再恢復灌漿。灌漿時可采用低壓、濃漿、限流、間歇灌漿法灌漿,必要時可摻加適量速凝劑灌注,該段處理后待凝 24h再重新掃孔、補灌。

⑤灌漿全過程嚴格按照程序化管理施工,及時、準確記錄灌漿情況,發生異常情況及時向監理工程師報告。

⑥掃孔作業宜在灌漿結束 1～2d進行,掃孔不得破壞縫內充填好的水泥結石;掃孔程序按造孔程序執行并達到設計孔位、傾角及孔深要求;掃孔后應用去油高壓風清孔,孔內不留廢渣、巖芯。

(5)清 孔。

鉆孔完畢,用壓縮風沖洗鉆孔,直至孔口返出之風手感無塵屑,延續 5～10min,孔內沉渣厚度不大于 20cm。

(6)鉆孔檢測。

鉆孔清孔完畢,進行鉆孔檢測,合格后進行下錨工作。

3.3 預應力錨索的制作、安裝與灌漿

無粘結式預應力錨索使用無粘結鋼絞線,采用全孔一次注漿,其施工工藝流程(圖 3)為:

(1)錨索制作。

圖3 無粘結式預應力錨索施工工藝流程圖

錨索制作應在有防雨設施的加工廠完成。鋼絞線下料前,將鋼絞線放在平坦、干凈的水泥地面或木制工作平臺上攤開理直,根據實際鉆孔深度及錨具長度用鋼尺丈量,砂輪切割,嚴禁用電弧切割。下料切口兩側用 20#鉛絲綁扎,以免切割后切口松開。鋼絞線下料長度為錨索設計長度、錨頭高度、千斤頂長度、工具錨和工作錨板厚度與預留長度(一般為 200mm)的總和。

內錨固段編制成棗核狀,張拉段采用直線形狀。將截好的鋼絞線平順地放在作業臺架上,量出內錨固段和張拉段長度并分別作出標記;在內錨固段的范圍內穿對中隔離支架,間距 1m,兩對中支架間用鉛絲扎緊固環一道;最后,在錨索端頭套上導向帽。張拉段每隔 1.5m設置一道對中支架,端頭 2m區段內加密到 1m,兩對中支架間用鉛絲扎緊固環一道。鋼絞線與錐形導向應牢固聯結,嵌入錐形導向帽的每根鋼絞線長度應一致。鋼絞線成束后進行檢查驗收,對合格的錨索登記掛牌,標明錨索編號、錨索長度,防止裝錯孔位。

在錨索錨固段和張拉段的交界處設置定位止漿袋;在錨固段安裝一根回漿兼排氣管(3/4")和一根灌漿管(1"),在張拉段另設一根灌漿管,張拉段排氣管在澆筑外錨墩時預埋 1.5"鋼管。

(2)錨索安裝。

向錨索孔裝索前,核對錨索編號是否與孔號一致,確認無誤后,再以高壓風清孔一次即可著手安裝錨索。人工將錨索運到孔口并送入孔內,錨索入孔時索體彎曲半徑不小于 5m,導向帽、隔離架等附件用 12#鐵絲與索體綁結牢靠,防止脫落。

安裝上傾和水平錨索時應注意以下四點:①檢查定位止漿環和限漿環的位置,若有損壞,應按技術要求更換;②檢查排氣管的位置和暢通情況;③將錨索送入孔內,當定位止漿環到達孔口時,停止推送,安裝注漿管和單向閥門;④錨索到位后,再檢查一遍排氣管是否暢通,若不暢通,拔出錨索,排除故障后重新送索。錨索入孔后,對錨固段及時進行注漿,張拉作業在 15d內進行,避免鋼絞線銹蝕。

(3)外錨墩澆筑。

錨墩的作用是把錨具的集中荷載傳遞到巖面并調整巖面受力方向,錨索外錨墩混凝土澆筑在條件允許時可與錨索錨固段灌漿同時進行。

在混凝土澆筑前清除錨墩基礎面范圍內的松動巖塊,在鋼墊板與鉆孔之間安裝外徑與鉆孔直徑相同的薄壁定位鋼管(長 100～120cm),伸入鉆孔至少 40cm。定位管外焊 300mm×300mm×40mm承壓鋼墊板。為保證其穩固可靠,定位管與外錨墩內的 φ22插筋焊接,外錨墩上承壓鋼墊板應與錨索軸線垂直。安裝鋼墊板后,再用M10-L=100mm帶帽螺栓加固。外錨墩鋼筋采用 φ22、φ12兩種,鋼筋保護層厚 30mm。各種安裝件、模板安裝完成并經檢查無遺漏、偏差值符合要求后,進行外錨墩 C30混凝土澆筑。混凝土澆筑時,應加強振搗,確保混凝土填充密實,避免振搗棒與安裝件接觸碰撞,以免其移位、變形。外錨墩混凝土澆筑 12～18h后即可拆模養護。

(4)錨索灌漿。

錨索灌漿分錨固段灌漿和張拉段灌漿兩部分,錨固段灌漿在錨索入孔后即可進行,張拉段灌漿在錨索張拉鎖定后進行。

錨固段、張拉段注漿一般采用純水泥漿(或水泥砂漿),其中錨固段水泥漿標號為 C40(或M40),張拉段水泥漿標號為 C30(或 M30),嚴格按實驗室提供的配比拌制漿液,采用灌漿自動記錄儀記錄。錨固段灌漿開始前,通過灌漿管送入壓縮空氣,將孔道的積水排干。錨固段注漿時采用排氣法注漿,對下傾孔,注漿管插至孔底,漿液由孔底注入,空氣由止漿袋處的排氣管排出;上傾和水平孔漿液由止漿袋處注入,空氣壓向孔底,由孔底進入排氣管排出孔外。錨固段和張拉段灌漿壓力均控制在 0.3～0.5MPa,排氣管回濃漿后即以 0.5MPa的壓力閉漿,閉漿時間為 30min。

灌漿結束標準:①灌漿量大于理論吸漿量;②回漿比重不小于進漿比重,且穩壓 30min,孔內不再吸漿。

(5)錨索張拉(圖 4)。

圖4 錨索張拉流程圖

安裝好工作錨具(含錨板、夾板和限位板)。當內錨固段注漿和墊墩混凝土的抗壓強度均達到30MPa以上時即可張拉錨索,錨索張拉按以下程序進行:

張拉前,應對張拉設備進行認真檢查和標定,張拉設備必須配套率定并繪制壓力表讀數——張拉力關系曲線,以指導現場張拉作業,張拉過程中,應密切監視巖體的變形。選用的千斤頂出力應滿足超張拉要求,一般不宜大于設計張拉力的1.5倍,但不宜超過設計張拉力的 2倍。現場張拉用的壓力表精度不低于 1.5級,并用精度不低于 0.4級的壓力表標定,工作壓力值應控制在壓力表量程的 25%～75%。

錨索張拉一般采用超張拉持荷穩定、超載安裝施工方法,群頂整體張拉;當千斤頂不能滿足要求時,則采用分組分束張拉。

錨索張拉過程分單股預緊張拉和整束分級張拉兩個階段:單股預緊應進行兩次以上,預緊實際伸長值應大于預緊理論值,且兩次預緊值之差應在 10%在內,以使錨索各股鋼絞線受力均勻,再進行整束張拉;整束張拉共分四個量級進行,即張拉荷載分別按設計張拉力的 50%～115%逐級依次進行,并應控制最大張拉力不得超過預應力鋼材強度標準值的 65%。

錨索張拉過程中,千斤頂加荷載時應平穩、均勻、徐緩,升荷速率每分鐘不宜超過設計預應力值的 1/10;卸荷載降壓時,應緩慢打開回油閥門,使壓力表指針平穩下降,卸荷速率每分鐘不宜超過設計預應力值的 1/5。

根據代表性監測錨索的應力變化情況確定代表區域錨索是否需要進行補償張拉。一般情況下,監測錨索荷載損失變化幅值滿足規定指標即預應力損失小于設計張拉力的 10%的區域原則上不進行張拉。對于有補償張拉要求的錨索,應在張拉鎖定后 3～7d進行,補償張拉的張拉力為超張拉力。

(6)封孔灌漿和外錨頭保護。

錨索張拉鎖定以及補償張拉工作結束后進行封孔灌漿,封孔灌漿材料與錨固段灌漿材料相同。為保證所有的孔隙都被漿液回填密實,在漿液初凝前必須進行不少于 2次補灌,當漿液凝固到不自孔中回流出來之前,保持不小于 0.5MPa的壓力進行拼漿。

錨索補償注漿結束后,對孔口部位的錨索及外錨頭進行保護。先切去工作錨板預留 100mm以外多余的鋼絞線,用 C20混凝土按圖紙要求對錨頭進行保護,封頭底部包住錨墊板。

4 結 語

西藏林芝巴河老虎嘴水電站高邊坡拉裂縫通過錨索加固施工,保證了邊坡穩定和導流、泄洪隧洞的安全,并按期進行了 C1標大壩及廠房的土石方開挖施工,同時,為今后處理此類工程問題提供了參考和借鑒。