預應力錨索在壩基抗滑穩定中的應用研究

詹筱霞，羅 罡

（1.江西理工大學應用科學學院，江西 贛州341000；2.中國人民武裝警察部隊水電第一總隊，南寧530222）

預應力錨索在壩基抗滑穩定中的應用研究

詹筱霞1，羅 罡2

（1.江西理工大學應用科學學院，江西 贛州341000；2.中國人民武裝警察部隊水電第一總隊，南寧530222）

文章結合貴州烏江沙沱水電站工程建基面上由于裂隙與傾向下游的巖層層面互相切割導致巖體整體松動的治理案例，詳細闡述了預應力錨索在解決壩基深層抗滑穩定中的錨索設計方法、錨索布置方案、施工技術、施工流程及關鍵工藝參數.經分析可知與鋼管樁和鋼筋樁等處理措施相比，預應力錨索應用于壩基深層抗滑穩定中施工工程量少很多，同時能在最大限度上保證壩體的完整性，采用該技術能做到施工工序明確、施工質量有保證，工期更加獨立可控，抗干擾性強，造價較傳統措施要低30%～45%，總體經濟效果明顯.

預應力錨索；壩基；抗滑穩定；施工工藝；技術參數

0引言

預應力錨索是一種承受拉力的桿狀構件，其通過鉆孔將鋼筋、鋼絞線或高強鋼絲固定于深部穩定的地層中，并在被加固體表面通過張拉產生預應力，從而達到穩定被加固體和限制其變形的目的.預應力錨索加固已成為提高巖土工程穩定性和解決復雜的巖土工程問題有效的手段之一[1].

預應力錨固技術開始主要運用于礦山支護[2-3]中，此后預應力錨固技術在我國多個領域如國防、水電、礦山、公路等多個領域內逐步推廣應用.1989年云南漫灣電站左岸邊坡產生約10.60萬方的塌滑體，采用2200根1000～3000 kN的預應力錨索進行加固治理，成功抑制了左岸邊坡潛在的滑移[3].天生橋水電站采用預應力錨索加固技術治理滑坡，該工程共使用了246根長 22～32 m，累計長度達7041 m的錨索，錨索的設計錨固力為11200 kN[4].長江三峽水利樞紐船閘邊坡加固工程共使用了2000多根3000 kN及1000 kN的預應力錨索，成功的抑制了邊坡變形，保證了邊坡的穩定性[5-9].在深基坑支擋工程中，預應力錨索占據重要地位，北京京城大廈地面以下23.50 m采用預應力錨索進行支擋，是中國較深的基坑支護工程[10-12].

水電站大壩壩基的穩定直接關系到大壩的安全運行，在深層抗滑處理措施選擇中主要是圍繞增加抗力體的阻滑力和提高滑動面的力學參數兩個方面進行.對斷層、破碎帶、軟弱層面、裂縫等最有效的處理方法是挖除并用混凝土填塞置換，甚至加用鋼筋，其次是壓力灌漿，包括基建面的結合灌漿、淺中層的固結灌漿、深層的帷幕灌漿都有好的作用.結合沙沱水電站現場工程地質條件、施工條件及深層抗滑穩定處理方法，擬定了多種處理措施進行比選，首先考慮選用鋼筋樁和鋼管樁方案，經過論證該方法可實施性較差.鋼管樁雖比鋼筋樁方案具有單根所能提供的抗滑力大的優勢，但存在鋼管樁部分可能因為質量等問題而導致整體連鎖破壞，所以只能放棄常用的鋼筋樁和鋼管樁方案，嘗試選用預應力錨索來提高壩基的抗滑性能.由于預應力錨索在各種類型的邊坡固定中常采用，但是在壩基抗滑中采用的并不多見，現有關于壩基抗滑的研究也是作用機理研究作為切入點的多，而對于預應力錨索在壩基抗滑中的實際應用研究成果并不多見，所以文章結合烏江沙沱水電站的案例對預應力錨索在壩基抗滑中的施工工藝及相關技術參數進行研究，總結出適合壩基深層抗滑穩定性的預應力錨索的相關參數.

1 工程概況

烏江沙沱水電站樞紐工程規模為二等大（2）型，攔河大壩、泄洪系統及引水發電系統為2級建筑物，各次要水工建筑物為3級建筑物.攔河大壩為全斷面碾壓混凝土重力壩結構，壩頂高程371 m，河床最低建基面高程270 m，最大壩高101 m，基礎最寬處73.13 m，壩頂寬10 m，壩頂全長631 m.從左到右共16個壩段，依次為：左岸擋水壩段、取水壩段、溢流壩段、右岸通航壩段和右岸擋水壩段.

沙沱水電站13號壩段大壩下游建基面開挖揭露至290 m高程時，建基面上存在沿NW65°～75°方向裂隙，裂隙與傾向下游的巖層層面互相切割呈三角塊體，造成巖體整體松動，對壩基抗滑穩定和應力極為不利.在進行壩基開挖過程中，因后續工程任務重、工期緊，沒有足夠的時間采取適當的處理措施對壩基進行加固，若對松動巖體進行整體切除不利于壩基穩定，同時兼顧經濟性的情況下，為滿足壩基抗滑和應力需要，經設計論證后決定，對該部位巖體進行預應力錨固.為不影響工程正常推進，預應力錨索在13號壩段澆筑至預留過流缺口底部297 m高程后，擇機進行施工.

2 錨索設計

在壩縱0＋059.63樁號從左至右共布置一排5根200 t級預應力錨索，孔距為4 m，從左至右編號分別為M1、M2、M3、M4、M5，其中M1、M3號錨索各布置一臺測力計，儀器電纜用PVC管保護，汛期過后電纜隨著壩體混凝土向上牽引，集中引入13號壩段壩體測站內，以便于后期對應力進行監測.錨索參數詳見表1，錨索具體布置詳見圖1和圖2.

表1 錨索主要參數表

圖1 錨索布置橫剖面

圖2 錨索布置縱剖面

3 施工方案

錨索采用英格索蘭165型錨固鉆機進行造孔，鉆孔孔徑Φ190 mm.編索采用車間生產方式，編制好的錨索用人工運輸至工作面，采用人工穿索.錨索采用宜昌黑旋風3SNS型高壓注漿泵進行注漿，漿液采用JJS-2B型攪拌桶現拌現用.錨索錨墩混凝土和外錨頭保護混凝土采用小型混凝土拌和機拌制，人工喂料，2.20 kW插入式振搗器分層振搗密實.錨索張拉采用YDC240Q型千斤頂進行單根預緊，YCW350A型穿心式千斤頂進行整體張拉.預應力錨索施工流程見圖3.

圖3 預應力錨索施工工藝流程圖

4 施工工藝

4.1 錨索造孔

錨索孔經測量定位后，用測量器具輔助鉆機就位、固定，保證鉆桿中心線與錨索孔中心線重合，確保錨索開孔斜度符合設計要求.為保證錨索孔鉆孔斜度符合設計要求，開孔進尺5 m后對錨索孔的孔斜進行一次檢測，校對和調整鉆孔參數，必要時采取糾偏措施（使用導直器、扶正器等）；此后每鉆進10 m對錨索孔的孔斜進行一次檢測，以便及時校對和更改鉆孔參數.

錨索鉆孔的孔深、孔徑不得小于設計值；鉆孔的傾斜度、方位角必須符合設計要求，其允許誤差值如下：①鉆孔直徑應大于錨索直徑40 mm以上，且不得小于施工圖規定的孔徑；②鉆孔的孔位偏差不大于10 cm；③鉆孔入口傾斜度及方位角偏差不大于±1.0；④在鉆進長度方向上的孔斜偏差不大于3%，有特殊要求時其孔斜偏差不大于1%；⑤有效孔深不得欠深，超深不得大于20 cm；⑥鉆孔達到設計孔深時孔內殘留物不超過10 cm.

4.2 錨索制作與安裝

1）預應力錨索的制作

選用高強度、低松弛光面鋼絞線，公稱直徑為Φ15.20 mm，公稱面積為140 mm2.錨索制作在搭建的編索棚內進行.首先按施工圖紙所示的尺寸下料，根據每一根錨索精確計算鋼鉸線的下料長度下料，采用電動砂輪切割機切割，下料誤差不得大于5 cm，并對單根鋼絞線進行除污、除銹.

按照設計結構進行索體編制，導向帽、隔離支架等設置符合設計要求，止漿環封閉完好，一次進漿管、一次回漿管及二次注漿管均采用無鋅鉛絲按要求綁扎.一次進漿管綁于距索體底部0.70 m處，一次回漿管綁于止漿環以下0.10～0.20 m處，二次注漿管綁于止漿環以上0.10～0.20 m處.

2）預應力錨索的安裝

錨索穿入錨孔時，保持平順，均勻推進；保證進漿、排氣管在錨索體的上面，不能被錨索體壓住；嚴禁旋轉錨索，以防損壞索體結構，造成返工.錨索到位后，再檢查進漿、排氣管是否暢通，若不暢通，拔出錨索，排除故障后重新進行送索.錨索安裝好后，及時用彩條雨布對外露索體進行保護.

4.3 錨固段注漿

為避免錨索索體在孔內滯留時間過長而導致鋼鉸線表面產生浮銹，錨索后應盡快進行錨固段注漿的施工.錨固段注漿前先對錨索止漿環的阻塞效果采用有壓壓水試驗的方法進行檢查，以防止漿液從錨固段滲入張拉段膠結鋼絞線.

錨固段、張拉段漿材采用強度等級為M35的水泥砂漿，為保證膠結體的密實度，在漿液中加入適當的微膨脹劑，采用摻量為3.5%的MgO.M35的水泥砂漿的配比經試驗確定.錨索注漿拌制的漿材均需現場取樣做成試件，并在錨索張拉前將強度試驗資料提交監理人，達不到設計標號不得進行張拉.

內錨段灌漿過程中，應觀察出漿管的排水、排漿情況，當排液比重與灌漿比重相同時，方可進行屏漿.錨固段注漿壓力按設計要求執行，擬控制在0.30～0.50 MPa，排氣管回濃漿后即以0.50 MPa的壓力閉漿，閉漿時間30 min.

結束注漿的控制標準為：注漿量大于理論吃漿量，回漿比重不小于進漿比重，且穩壓30 min，孔內不再吸漿，即進、排漿量一致.在錨固段漿體強度達到設計強度之前，錨索索體不得受擾動.

4.4 錨墩澆筑

錨墩澆筑的工序流程為：基礎清理→安裝導向鋼管及鋼墊板→ 安裝鋼筋及立模→驗收→ 澆筑混凝土→養護與保護.

錨墩澆筑之前的首先須將基礎清理干凈，混凝土面有裂縫的必須鑿除，并按設計圖紙要求打插筋；其次將導向鋼管與鋼墊板正交焊接，安裝時保證導向鋼管中心線和鉆孔軸線重合，鋼墊板與鉆孔軸線垂直，且三者均處于同一圓心線上.另外，按照設計圖紙安裝鋼筋和立模.模板與巖石接觸面不準漏漿，模板本身不得有孔洞，模板內側光滑并擦脫模劑.開倉前會同監理工程師一起現場驗收，驗收合格后簽發開倉證方可進行澆筑.

應在簽發開倉證24 h內開始澆筑混凝土.人工喂料，管式振搗器分層振搗密實，施工中特別注意對邊角部位混凝土的振搗.錨墩的混凝土保護采用不脫模保護，達到設計強度后脫模.澆筑結束2 h后覆蓋草袋灑水養護.

4.5 錨索測力計安裝

本工程采用2000 kN級測力計，該測力計具有對稱的4個傳感器，其編號和電纜芯線顏色：1#傳感器輸出為雙紅色、2#為雙黑色、3#為雙藍色、4#為雙黃色，溫度傳感器為綠色和白色.

在錨索錨固段注漿固定后，裝錨具之前安裝測力計，安裝時應盡量將測力計的承載筒與鋼絞線、錨具對中，以避免過大的偏心荷載[13].測力計承載筒上下面均應設置承載墊板以保證平整結合，荷載均勻傳遞.

4.6 錨索張拉

錨索的張拉采用以張拉力控制為主、伸長值校核的雙控操作方法.當巖體錨索張拉實測伸長值與理論伸長值偏差超出+10%或小于-5%時，立即停機檢查，待查明原因并采取相應措施后，方才恢復張拉[14].錨索張拉的工序流程為：張拉準備→ 工作錨具安裝→預緊→ 工具錨安裝→ 分級張拉鎖定→驗收.在錨固段砂漿及錨固墩混凝土強度達到設計強度后才能進行錨索張拉.

工作錨具安裝前要錨索張拉夾持段必須清洗干凈，鋼墊板表面要求達到光滑整潔.依次裝上（壓力傳感器）、工作錨、限位板，使限位板止口與工作錨定位，并一一檢查，使其與鉆孔成一系列同心圓，再安裝好工作夾片.

用YDC240Q型千斤頂并采取單根鋼絞線對稱和多次循環（兩個循環）的方式進行鋼絞線的預張拉，單根鋼絞線預張拉力采用15 kN.在預張拉完畢后，安裝YCW350A型千斤頂.張拉系統安裝妥當后，即可進行整體張拉.整體張拉時應緩慢、連續地向張拉缸加油施加壓力，直至設計噸位，穩定后，鎖定.

在張拉時的注意事項為：①整體張拉時張拉力分級施加，依次為：500 kN→1000 kN→1500 kN→2000 kN→2200 kN（超張拉按10%考慮）.除最后一次持續30 min外，其余四次加載持續時間均為5 min.錨索鎖定噸位具體數值按設計要求確定.②張拉加載速率每分鐘不應超過200 kN.每級張拉完成并測量鋼絞線的伸長值后方才進行下一級張拉.③打開高壓油泵截止閥，張拉缸油壓緩慢降至零，活塞回程，夾片即自動跟進錨固，完成鎖定，卸載速率每分鐘不應超過400 kN.④張拉鎖定工作結束后，由監理工程師現場簽證錨索張拉記錄表，并逐項卸下工具錨、千斤頂、限位板.

鎖定后的48 h內，若錨索應力下降到設計噸位的90%以下時進行補償張拉.對于有補償張拉要求的錨索，在張拉鎖定后7 d左右進行.補償張拉均在鎖定值基礎上一次張拉至設計噸位，補償張拉最多進行兩次.

4.7 自由段注漿和外錨頭保護

自由段注漿在補償張拉工作結束，且已由監理人檢查確認錨索應力達到穩定的設計值后進行.自由段注漿材料與錨固段注漿的材料相同，并且盡量采用錨索中的注漿管從錨具系統中的注漿孔施灌，注漿管伸至錨固端頂面，注漿自下而上連續進行，壓力不小于0.80 MPa.

注漿完成后，錨具外的鋼絞束除留存15 cm外，其余部分采用砂輪機切除，并按設計圖紙要求做好防腐處理及按施工圖紙要求用混凝土封閉保護，混凝土保護的厚度不小于10 cm.

4.8 驗 收

預應力錨索工程全部結束后，將各項質量檢查記錄、試驗成果、測力計松馳檢測成果以及預應力錨索驗收試驗記錄和抽樣檢查記錄在內的驗收資料提交監理人，提請完工驗收.

5結論

文章結合預應力錨索在烏江沙沱水電站大壩13號壩段壩基深層抗滑中的運用實例，通過對錨索的設計、布置方案、施工工藝、施工流程等多方面對預應力錨索進行了詳細的論證，得到如下結論：

（1）預應力錨固系統由于能夠有效的激發巖土體潛在的承載能力，充分發揮巖土體自身強度，提高巖土體的自身穩定性，除應用于高邊坡支護工程及滑坡治理中外，其應用領域可以進一步擴展到應用于壩基深層抗滑穩定處理中.經實踐證明將預應力錨索作為壩基抗滑穩定處理措施時在施工上的難度是可控的，施工工序能做到清晰明確，施工質量能得到保證.

（2）經分析可知預應力錨索技術可以單獨組織施工，受外界影響因素少，抗干擾性強，不受其他施工項目制約，可以靈活安排施工，不影響關鍵項目的施工.所以預應力錨索技術適用于工期緊，任務重，受季節性影響較大的的電站大壩施工，尤其是低高程部位的壩基施工常常因壩基地質缺陷治理問題阻礙工程順利推進的這類工程.預應力錨索可以在壩基混凝土覆蓋完成后，或是待低高程混凝土澆筑完成后，再擇機進行施工，這就能保證關鍵項目工期不受影響.

（3）與鋼筋樁、鋼管樁、抗滑樁等傳統壩基抗滑技術措施相比，選用預應力錨索措施的總體施工工程量少很多，同時能在最大限度上保證壩體的完整性.經筆者估算，根據本案設計方案及施工工藝情況，并結合施工期物價水平，經測算預應力錨索造價可控制在0.29元/kN·m以內，其總造價較傳統措施要低30%～45%.

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The application of pre-stressed anchor cable in dam foundation for anti-sliding stability

ZHAN Xiao-xia1,LUO Gang2(1.Faculty of Applied Science,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China；2.The First Group of the Armed Police Hydropower Troops,Nanning 530222,China)

The pre-stressed anchor cables which were effective in improving the stability of rock slopes and convenience construction.There is a crack which would cause the slip on the dam foundation in Shatuo hydropower station in Guizhou province.Based on analyzing the treatment to dealing with the crack,how to design and where to arrange the pre-stressed anchorage cables,the main technological parameters,construction technique,quality control and management are provided.A conclusion could be drawn through the paper that the adoption of pre-stressed anchor cable to reinforce the dam could improve the stress conditions in the dam body,enhance the integrity of dam,close the horizontal cracks and has the advantages of easy construction, construction period is independence from other factors,normal operation of power station.The cost of prestressed anchor cable was 30%to 45%less than traditional treatments so that it is one of effective and reliable methods of reinforcing dangerous dams which will be covered in the similar engineering.

pre-stressed anchor cables;dam foundation;anti-sliding stability;construction technology；technological parameters

TV5

A

2095-3041（2014）00-0054-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2014.01.009

2013-11-10

江西省省級教改課題（JXJG-10-79-3）

詹筱霞（1982- ），女，講師，主要從事技術經濟及管理、礦業經濟評價等方面的研究，E-mail:453506016@qq.com.