預應力環錨技術在九甸峽水利樞紐調壓井中的應用

張少杰 吳利平 席懷勇

（1.甘肅省水利水電勘測設計研究院 蘭州 730000；2.四川中頂建設工程有限公司 成都 610041）

1 工程概況

九甸峽水利樞紐工程是以城鄉生活供水及工業供水、生態環境用水為主，兼有農業灌溉、發電、防洪、養殖等綜合功能的大型水利樞紐工程。工程位于甘肅省卓尼、臨潭兩縣交界，黃河支流洮河中游的九甸峽峽口處，距離蘭州市193km。工程等別為Ⅱ等，規模為大⑵型，主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、左岸兩條表孔溢洪洞、右岸有壓放空泄洪排砂洞、右岸總干渠進水口、右岸引水發電系統及地面廠房等。混凝土面板堆石壩最大高度133m，總庫容9.43億 m3，水庫正常蓄水位為2202.00m，校核洪水位2205.11m。電站總裝機容量300MW，年發電總量為9.94億kW·h。大壩為1級建筑物，其它主要建筑物溢洪洞、放空泄洪排砂洞、引洮供水取水口、引水發電系統 （包括隧洞、調壓井、高壓管道等）及廠房為2級建筑物；臨時建筑物按4級建筑物設計。工程壩址區地震基本烈度為7°，設計烈度為8°，相應地震動峰值加速度0.283g。

調壓井位于廠房后邊坡上，邊坡高度大于90m，邊坡類型為巖土混合型。該邊坡處于橋道堡區域大斷層的上盤，緊鄰斷層，受其影響，斷裂構造發育，巖層扭曲破碎，巖體風化較嚴重。組成后邊坡的巖性復雜，主要以灰巖為主，但粉砂巖、頁巖和泥灰巖的不均勻分布。粉砂巖膠結差，遇水崩解；頁巖和泥灰巖巖性軟弱，抗風化能力差，遇水具粘塑性；灰巖致密堅硬，不易風化，單軸飽和抗壓強度68.7MPa，彈性模量10.2×104MPa，泊桑比0.24，縱波速4560～5680m／s。調壓井基礎位于背斜核部，巖層以小角度傾向岸里或近于水平，無較大斷裂構造發育，但裂隙較發育，巖石透水性中等 （Lu＜20），無地下水，井壁圍巖巖體屬Ⅳ類圍巖，地質條件較差。故調壓井需嚴格按限裂設計，控制調壓井襯砌裂縫滲水對廠房后邊坡穩定的影響。

2 調壓井設計

引水發電系統包括岸塔式進水口、壓力引水洞、調壓井及高壓管道等建筑物，其中調壓井中心線位于引水洞樁號2＋255.22m處，采用阻抗圓筒式結構，井筒直徑22m，阻抗孔直徑5.4m。正常靜水位2202.00m，最高涌浪水位2223.98m，最低涌浪水位2155.39m，井筒底板高程2137.0m，頂高程2226.00m。

結合調保計算成果及地質情況，考慮到在最高涌浪水位下，調壓井下部結構受水壓力較大，阻抗孔附近pD值達到1610，對調壓井井身按照平面結構力學法計算可見，采用常規的鋼筋混凝土襯砌結構，要控制襯砌結構裂縫小于0.25mm是難以實現的，因此，對調壓井下部結構局部考慮采用無粘結后張預應力混凝土襯砌，來改善襯砌結構的受力條件，混凝土襯砌厚度為2m。

通過采用Asnsys軟件三維模擬分析，在高程2151.0～2171.0m高程范圍內施加26排預應力錨索，排距為0.8m，在2172.2～2179.4高程范圍內施加7排預應力錨索，排距為1.2m，每束錨索的張拉力均為2000kN。設計剖面見圖1。

圖1 調壓井設計剖面圖

3 預應力環錨的設計

每束環向錨索由14根公稱直徑為￠＝15.7mm、標準強度為f＝1860MPa的無粘結鋼絞線組成，單根長79.4m，設計張拉力為2000kN。

圖2 鋼絞線及錨具槽布置圖

為提高預應力度，鋼絞線靠近襯砌的外側布置，但在錨具附近由于加載的需要，鋼絞線要在錨具槽口附近通過一段由小半徑圓弧段向內側彎曲并與大半徑圓及連接錨具的直線段相切，最終通過鋼絞線張拉后鎖定。因此，鋼絞線在調壓井內的布置是近似同心圓。錨具槽在環向的布置對鋼絞線張拉后混凝土應力分布影響很大，為了使結構處于良好的受力狀態，又要方便施工，錨具槽的布置是至關重要的。設計方案擬定沿圓周間隔60？布置一個錨具槽，如圖2所示。錨具槽尺寸為2.0m （長）0.4m （寬）0.6m （深）。

根據有限元平面分析，預留的錨具槽會在張拉過程中產生應力集中現象，所以分層張拉時應該使相鄰兩層鋼絞線的錨具槽錯開盡可能大的角度。

4 預應力環錨的施工

（1）下料。鋼絞線采用￠15.7mm標準強度1860MPa的高強度低松弛無粘結預應力鋼絞線。下料前首先對進場的鋼絞線進行外觀檢查；如PE護套有輕微劃傷的，按照技術要求規定采用防水乳膠處理；如有嚴重破壞的則禁止使用。下料時嚴格控制下料的準確性，并將下料完成的鋼絞線兩頭編排序號，作為標記，以防在穿錨墊板時出現錯位；調壓井環錨的設計斷面尺寸為76.54m，加張拉端、錨固端的預留工作長度以及允許的安裝誤差，確定下料長度為79.5m，下料完成后的鋼絞線，立即將其重新單根盤起，堆放整齊并予以遮蓋防護。

（2）錨索的安裝。嚴格按照設計高程進行施工放線，如此大斷面的環形錨索，在平面高程的控制上要求十分嚴格；首先根據基準高程放出每一環的高程，再加密每一層的控制點為30個，徑向控制以模板邊界進行控制，徑向點在架力筋完成后放樣，并通過基準點進行校核。

安裝過程中，鋼絞線按照要求順序碼放整齊，不得打扭；整齊穿索完成后，每隔1.5m扎一道束緊環，并用鉛絲與架力筋綁扎牢固，索體在穿錨墊板的時候，必須注意鋼絞線不能交叉，并嚴格控制索體兩頭的搭接長度；索體安裝完成后，采用棉紗將鋼絞線護套擦拭干凈。

（3）錨具槽施工。在安裝鋼絞線之前，首先安裝錨具槽，并嚴格按照設計要求嚴格控制其尺寸位置；在新澆混凝土脫模并拆除錨具槽模板后，采用風鎬配合鏨子對錨具槽各個面進行鑿毛，鑿毛時注意鋼絞線的PE防護套不得損壞。

錨具槽回填混凝土級別為C30自密實微膨脹混凝土，以便使二期混凝土澆得更密實。

模板采用5mm厚的開口弧形鋼模板，混凝土澆筑完成拆模后，清除超澆的三角體混凝土并打磨光滑。

（4）張拉施工。襯砌混凝土澆筑完成且強度達到設計強度等級的75%后，用集張拉端與固定端于一體的HM錨具將錨索連接安裝，用專用變角張拉裝置對錨索進行張拉并鎖定。通過錨索張拉變形擠壓PE套和混凝土，使混凝土襯砌環受到徑向擠壓力和切向拖曳力，從而使環向襯砌截面形成預應力。

為了在張拉時避免相鄰兩束錨索間的張拉力差值過大導致襯砌混凝土產生局部過大的拉應力而破壞，錨索每循環的張拉按360°為一張拉單元，一單元中六根錨索按兩兩相對關系編為三組，每次張拉只有一組進行同時張拉，或每個單元內的錨索間隔順序張拉。

張拉前先對所有錨索單根設計張拉力的20%進行預張拉，然后鎖定。

5 結語

九甸峽水利樞紐調壓井直徑大，承受的內水水頭高，采用常規的鋼筋混凝土結構襯砌，難以滿足結構限裂要求，經多方案比選，井筒襯砌采用預應力環錨設計，設計張拉力為2000kN。

根據有限元分析，采用預應力錨索后，有效的降低了襯砌結構的應力，選擇合理的設計參數后，可以保證襯砌結構滿足限裂要求。

根據水庫水位蓄至2092.8m時，機組進行了甩負荷試驗，產生涌浪高3.0m，從襯砌結構內部鋼筋計及滲壓計監測數據反映的結果看，調壓井結構良好，未出現裂縫，結構應力值遠小于容許應力值。

可以說，調壓井的設計是合理的，預應力環錨技術在本工程中的應用是成功的。

1 郭文中 .消能防沖原理與水利設計，科學出版社，1982 2 武漢水利電力學院 .水利計算手冊，水利電力出版社，1980