壓力分散型錨索在震后高邊坡加固中的應(yīng)用

鄧樹密

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 概述

福堂水電站位于四川省阿壩藏羌自治州汶川縣綿篪鎮(zhèn)的岷江主流上，首部樞紐距汶川縣城14 km，廠址距成都市111 km，有都-汶公路通過電站，對外交通方便。

電站采用低閘引水式開發(fā)，主要任務(wù)為發(fā)電。水庫正常蓄水位高程1 268 m時庫容為297萬m3，調(diào)節(jié)庫容為220萬m3，具有日調(diào)節(jié)特性。電站裝機4臺，總裝機容量360 MW，設(shè)計發(fā)電引用流量251 m3/s。電站于2000年5月動工興建，2004年7月基本建成。電站工程等別為Ⅱ等大(2)型工程，永久性水工建筑物級別為2級，地震設(shè)計烈度為Ⅷ度。

廠區(qū)位于岷江左岸，緊鄰福堂壩溝口右側(cè)布置，由調(diào)壓室、壓力管道、地面廠房及開關(guān)站構(gòu)成。尾水與已建太平驛水電站閘首銜接。

調(diào)壓井位于福堂壩溝與1#小溝呈NE向展布的長條形單簿山脊中的黑云母花崗巖體內(nèi)，為開敞式，斷面為圓形，內(nèi)徑27 m，井筒高108 m。

廠址區(qū)位于福堂壩溝上游側(cè)，地形上呈NE向展布的長條形山脊前緣，巖體主要為強風(fēng)化、強卸荷的荷晉江-澄江期中粗粒黑云母花崗巖(γ2④)，巖質(zhì)堅硬，其間穿插有少量輝綠巖脈，巖脈多構(gòu)成擠壓破碎帶。施工開挖揭示:邊坡在高程1 180 m以上巖體呈松動、松散、強卸荷、強風(fēng)化狀態(tài)，極不完整，節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，巖體被大裂隙和無數(shù)的小節(jié)理切割成小塊石，多呈碎裂狀散體結(jié)構(gòu)，對廠房后緣邊坡穩(wěn)定極為不利。

汶川“5.12”地震后，電站廠區(qū)工程邊坡局部松動變形和開裂，廠區(qū)自然邊坡淺表風(fēng)化、卸荷巖體普遍發(fā)生崩塌，出露坡面仍殘留較多的松動巖體及解體巖塊，危及廠房及進廠公路安全。同時，由于調(diào)壓井中上部置于強風(fēng)化、強卸荷山體內(nèi)，此次地震造成山體外側(cè)中上部巖體多呈松弛變形、崩塌破壞。為保證廠房、調(diào)壓井等建筑物及人員安全，需對廠區(qū)邊坡進行治理和加固。

2 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計

為了保證該工程上部調(diào)壓井、下部發(fā)電廠房等建筑物及人員的運行與安全，需對廠區(qū)邊坡進行治理和加固。針對該工程特點，設(shè)計采用錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、排水孔及護坡混凝土等手段進行綜合支護。

根據(jù)設(shè)計圖紙，該工程在調(diào)壓井下部1 230 m高程以上邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索支護，支護高度約為85 m，共布設(shè)122束錨索，合534 000 t·m。錨孔間排距為6 m×6 m，深度為30 m和50 m兩種，張拉噸位1 000 kN，結(jié)構(gòu)形式為壓力分散型錨索，每束錨索由7根φ15.24鋼絞線組成，錨固段長8 m，鉆孔直徑130 mm，采用OVM錨具。1 000 kN級壓力分散型錨索的結(jié)構(gòu)見圖1。

3 施工工藝

3.1 工藝流程

錨索施工工藝流程見圖2。

3.2 施工準備

(1)施工用風(fēng)、水、電的布置。

①施工用電:優(yōu)先利用已經(jīng)形成的至調(diào)壓井的供電系統(tǒng)，就近接用，不足時增加變壓器，以滿足高峰期用電負荷的要求。

②施工用水:采用多級泵從業(yè)主消防水池內(nèi)抽取至調(diào)壓井高程水池。高峰期用水量約10 m3/h。

③施工用風(fēng):由于地質(zhì)條件差，錨索孔較深且孔徑較大，沖擊器耗氣量大及風(fēng)壓均較大，故錨索施工用風(fēng)采用2臺高風(fēng)壓和3～4臺中風(fēng)壓空壓機聯(lián)合供風(fēng)，高峰期用風(fēng)量為150 m3/min。

圖1 壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)示意圖

(2)鉆孔平臺。

錨索施工腳手架利用錨噴支護施工腳手架進行加密、加固形成，錨索施工部位腳手架鋼管間排距為1.5 m，立管排數(shù)根據(jù)現(xiàn)場地形條件和施工設(shè)備操作空間一般需要3～4排，局部范圍(編制錨索平臺)還可增加。為抵抗?jié)摽讻_擊器造孔時對腳手架的反向沖擊作用，錨索部位每排應(yīng)間隔布置一部分砂漿錨桿，長度L=2 m。腳手架的立管套在砂漿錨桿內(nèi)并焊接牢固，橫向采用已完成的系統(tǒng)錨桿進行鎖定，確保錨索施工腳手架在縱、橫兩個方向均得到可靠的連接。在每層錨索施工平臺上連續(xù)鋪設(shè)5 cm×10 cm板方材或竹膠板，鋪設(shè)寬度不小于3 m，外側(cè)臨空面掛安全網(wǎng)封閉。

3.3 錨索鉆孔

(1)鉆孔定位。

按設(shè)計圖紙要求或監(jiān)理人指定的位置進行鉆孔，確保開孔偏差不大于10 cm。錨索孔鉆孔的孔位采用全站儀測量定位，鉆機傾角采用水平尺和角尺控制，方位角采用地質(zhì)羅盤測量。

(2)鉆孔機具。

由于錨索施工強度極大，根據(jù)工期及工程量大小并結(jié)合該工程地質(zhì)特點，采用無錫市雙帆鉆鑿設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YG－80A和成都哈邁鉆掘設(shè)備制造廠生產(chǎn)的YXZ－50A型錨固工程鉆機進行氣動潛孔鉆進，鉆孔孔徑、孔深滿足設(shè)計要求。這兩種鉆機具有結(jié)構(gòu)緊湊、動力頭輸出扭矩大、給進行程長、重量輕、可拆性好、鉆孔精度和效率高等特點，適于高邊坡排架施工。

(3)鉆進地層的特點與難點。

①邊坡表層、尤其在1 230 m高程以上多為松散、破碎巖塊，夾雜部分砂土，沖擊器開孔困難，鉆進過程中若供風(fēng)量控制不好極易造成孔口段孔壁坍塌。

②巖層普遍裂隙發(fā)育、裂縫貫通，易造成鉆進時漏風(fēng)或基本不返風(fēng)、不排渣，鉆進過程中發(fā)生因掉塊和孔壁坍塌而導(dǎo)致的夾鉆、卡鉆等鉆孔事故頻繁，鉆進效率低。

③在采用固壁灌漿的方法處理破碎地層時，注漿頻繁，且注入量非常大。

④巖體破碎，孔壁穩(wěn)定性差，下錨索困難，重復(fù)掃孔現(xiàn)象時有發(fā)生。

圖2 錨索施工工藝流程圖

(4)采取的主要技術(shù)措施。

由于該工程特殊的地質(zhì)條件，實際施工中針對實際地層特點采用了投水泥球堵漏法、灌注水泥砂漿法、水泥速凝膏漿法和快硬硫鋁酸鹽水泥外摻專用早強劑等多種方法進行堵漏試驗。根據(jù)試驗情況，總結(jié)出采用常規(guī)的水泥砂漿灌注和快硬硫鋁酸鹽水泥外摻專用早強劑灌注兩種方法適用性較強。一般情況下，對于巖體裂縫(隙)張開度不大時，采用硫鋁酸鹽水泥摻加專用外加劑進行灌注，用其灌注可大大縮短掃孔待凝時間，一般灌后3～5 h即可掃孔。對于巖體裂縫(隙)張開度較大時，考慮到硫鋁酸鹽水泥價格相對較高，采用先灌注普通水泥漿液或水泥砂漿，根據(jù)情況可外摻速凝劑(如水玻璃或氯化鈣)，待孔(段)吸漿量明顯減小時，再改用快硬硫鋁酸鹽水泥(摻專用外加劑)漿液進行灌注，同樣可以達到灌注3～5 h后即掃孔的效果。

3.4 錨孔清洗及驗收

當鉆進達到設(shè)計圖紙所示深度、錨固段仍處于破碎或斷層等軟弱地層時，應(yīng)立即向監(jiān)理工程師反映，根據(jù)監(jiān)理工程師指示做出延長孔深或采取其它措施的決定。鉆孔完成后，使用高壓空氣(風(fēng)壓0.2～0.4 MPa)將孔內(nèi)巖粉及水體全部清除出孔外，以免降低水泥砂漿與孔壁巖土體的粘結(jié)強度。

錨孔鉆造結(jié)束后，須經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理人員檢驗合格后方可進行下道工序。孔徑、孔深檢查一般采用鉆頭和標準鉆桿進行驗孔，要求驗孔過程中鉆頭平順推進，不產(chǎn)生沖擊或抖動，鉆具驗送長度滿足設(shè)計錨孔深度，退鉆要求順暢，用高壓風(fēng)吹驗不存在明顯飛濺塵渣及水體現(xiàn)象。同時，要求復(fù)查錨孔孔位、傾角和方位，待全部錨孔施工分項工作合格后，即可認為錨孔鉆造檢驗合格。

3.5 錨索的制作與安裝

(1)錨索材料。

該工程錨索設(shè)計為壓力分散型錨索，錨索采用1 860 MPa級低松弛高強度無粘結(jié)鋼絞線制作錨束，其內(nèi)錨固段由專門制作的錨板和鋼鉸線構(gòu)成多錨頭承載體錨固結(jié)構(gòu)。

(2)切割下料。

鋼絞線使用砂輪切割機下料。各級錨頭鋼絞線下料長度L為:

L=錨固段長度Li距第一組錨頭之距離Ld+自由段長度Lo+錨墩長度La+張拉長度Lz。

(3)清洗錨固段鋼絞線并擠壓P錨。

剝離錨固段約20 cm長度范圍內(nèi)鋼絞線的聚乙烯塑料套并進行脫脂、除污，在剝除段端頭約20 cm擠壓上P錨，并對剝除段和錨固端擠壓好的P錨進行防護。按照由內(nèi)向外的順序?qū)⑾鄳?yīng)長度的鋼絞線穿進各自的承載體內(nèi)，放好支撐架，用扎絲綁扎牢固。

(4)編 索。

將鋼絞線順直排列在加工平臺上，保持長度一致;按照圖紙裝配擠壓頭、P錨承載體并進行錨頭部分的制作;按照隔離架上的對應(yīng)位置安放并順直注漿管，同時注意使注漿管在錨索體中的相對位置滿足圖紙要求;自由段在兩對中架中間使用黑鐵絲捆扎，錨固段在兩隔離架中間使用黑鐵絲將其捆扎成紡錘型;在錨索體外側(cè)安置塑料或鋼制對中架，使預(yù)應(yīng)力錨索體在鉆孔內(nèi)居中放置;錨固段頂部安裝導(dǎo)向帽。

錨索成束后，要認真檢查其長度、鋼絞線有無交叉和迭合等，驗收合格后方可使用。對合格的錨索要登記掛牌，標明錨索編號、錨索長度，以防組裝錯位。對不同承載體位置的鋼絞線外露端做好標記，保證預(yù)緊時能分清楚每束鋼絞線所對應(yīng)的各組承載體，以免補償錯誤。

(5)錨索安裝。

只有經(jīng)檢驗合格的錨索方可下入孔內(nèi)。高邊坡錨索運輸在腳手架上采用人工抬運，轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)大于3 m，不能使錨索結(jié)構(gòu)受到損傷，在運輸過程中要保護好PE套管。下索前檢查鋼絞線是否順直，對有扭曲的鋼絞線須進行調(diào)整，對有破損的PE管必須進行修復(fù)、處理合格后方能安裝。錨索一次安裝到位，避免在安裝過程中反復(fù)拖動索體。錨索入孔后，鋼絞線必須平順、伸直。對外露鋼絞線進行臨時防護。錨索安裝后，及時進行注漿施工。

3.6 錨索注漿

(1)注漿材料。

灌漿采用P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，需符合規(guī)定的質(zhì)量標準。

(2)灌漿水灰比。

壓力分散性錨索注漿水灰比為0.3～0.45，采用純水泥漿液進行灌注。為保證錨固段注漿體強度及時達到設(shè)計要求，在漿液中摻加了專用錨索注漿外加劑(錨固劑)，要求將漿液3 h后的泌水率控制在2%以內(nèi)，7 d的結(jié)石強度不低于30 MPa。

(3)注漿方式。

錨索安裝后，通過與錨索捆綁在一起的φ20 PVC灌漿管，采用自制的特殊錨索注漿器全孔一次注漿。注漿壓力為0.3～0.5 MPa。當出漿管排漿比重與進漿比重相同時進行屏漿，屏漿壓力為0.5 MPa，屏漿時間為20～30 min。注漿結(jié)束后，及時清理外露鋼絞線上的水泥漿液，如發(fā)現(xiàn)孔道漿體不飽滿時，采取措施進行補充灌漿。

(4)特殊情況處理。

由于邊坡錨固區(qū)所處地質(zhì)條件較差，錨索孔道灌漿極可能出現(xiàn)漿液漏失的情況。根據(jù)實際施工情況，對部分錨索在鉆孔完成后先進行了一次全孔段預(yù)固結(jié)灌漿，以減少下索后錨固段注漿出現(xiàn)漿液漏失的情況，確保錨索段的注漿質(zhì)量。

3.7 錨墩澆筑

首先在孔口安裝錨墊板、鋼套管、結(jié)構(gòu)鋼筋等預(yù)埋件，1 000 kN錨索的錨墊墩設(shè)計尺寸為底邊1.2 m、頂邊0.5 m、高0.35 m;1 000 kN 錨索的鋼墊板尺寸為400 mm×400 mm×35 mm。錨墊板安裝時必須保證墊板平面與孔道軸線垂直，套管與孔道軸線對中，并將套管與孔道間的空隙密封。

鋼筋加工好后，綁扎成鋼筋架，將鋼墊板牢固焊接在鋼筋架上。安裝時，調(diào)整鋼筋架使鋼墊板預(yù)留孔的中心位置置于錨孔軸線上，平面與錨孔軸線正交，其誤差不得大于0.5 cm，錨墩模板采用自制四片定型鋼模板現(xiàn)場組裝，鋼模和巖面之間的空隙用木條嵌補。上模板預(yù)留進料口和觀察排氣孔。孔位附近設(shè)插筋固定模板。C30混凝土在調(diào)壓井平臺上用強制拌合機拌制，根據(jù)實際地形坡度，現(xiàn)場采用溜管(槽)下料入倉，有條件時也可采用混凝土泵進行澆筑，插入式振動棒振搗。

為保證錨墩混凝土早期強度能滿足錨索張拉的需要，在混凝土配比中摻入了適量的早強減水劑。錨墩施工前應(yīng)先清理巖面浮渣，以保證混凝土與外露巖面的有效結(jié)合。為保證錨墩混凝土澆筑密實，混凝土采用二次振搗法施工。

3.8 張拉及鎖定

(1)張拉的準備。

張拉前，必須把張拉機具、測力裝置及所需附屬機具準備齊全。張拉所用的設(shè)備額定值必須大于最大使用張拉值并有富余度，以確保重復(fù)使用后的精確度仍能滿足要求。張拉設(shè)備在張拉前必須配套標定，標定間隔期不宜超過六個月，經(jīng)拆卸檢修的張拉設(shè)備或經(jīng)常遭強烈撞擊的壓力表都必須重新標定。對于率定和校驗過的機具要妥善保管，以免影響精度。機具率定或校驗證書必須經(jīng)驗收合格后方可使用。

錨具必須具有廠家產(chǎn)品合格證書，并經(jīng)規(guī)定的試驗驗收程序方可使用。錨具表面一定要清洗干凈，不得有油污、鐵屑、泥沙等雜物。錨具各組件按次序安裝好，錨墊板和錨板應(yīng)對中并相吻合。

(2)張拉機具。

壓力分散型錨索使用ZB4-500S電動油泵和YDC240Q單根千斤頂進行單根鋼絞線對稱預(yù)緊張拉后，再使用ZB4-500S電動油泵和YCW－150B型千斤頂分別對1 000 kN級錨索進行整束張拉。

(3)張 拉。

①錨索張拉待錨固灌漿達到30 MPa和錨墩混凝土抗壓強度達到規(guī)定值時才能對預(yù)應(yīng)力錨索進行張拉和鎖定，張拉按照以下程序進行:

機具率定→分級理論值計算→錨墩混凝土強度檢查→張拉機具安裝→預(yù)緊→分級張拉→鎖定→簽證驗收。

②單根絞線預(yù)緊應(yīng)力為設(shè)計張拉力的20%，每根絞線至少進行兩個循環(huán)預(yù)緊，要求兩次預(yù)緊伸長值小于3 mm，且每根鋼絞線的伸長值不得小于理論值的10%。否則，進入下一循環(huán)繼續(xù)預(yù)緊，直至滿足要求才能進入整體張拉。

③同一承載體上的鋼絞線分級加載和整索張拉均分5級按設(shè)計荷載即1 000 kN的25%、50%、75%、100%和110%施拉，每次持荷時間為2～5 min，最后一級持荷穩(wěn)定觀測10 min以后按設(shè)計要求鎖定。鎖定后48 h內(nèi)若沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象即可進行封錨。上述五個量級的張拉均應(yīng)在同一工作時段完成，否則應(yīng)卸荷重新依次張拉。

④加荷、卸荷速率應(yīng)平穩(wěn)。張拉時，升荷速率每分鐘不宜超過設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的0.1;卸荷速率每分鐘不宜超過設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的0.2。

⑤特殊情況的處理:張拉過程中，在每級拉力下持荷穩(wěn)定時量測鋼鉸線的伸長值，以用于校核張拉力。實際量測的鋼鉸線的伸長值須與理論計算的伸長值基本相符。當實際量測的伸長值大于理論計算值的10%或小于理論計算值的5%時，應(yīng)暫停張拉，待查明原因并采取相應(yīng)措施予以調(diào)整后方可恢復(fù)張拉，直至張拉正常為止。

⑥補償張拉:錨索張拉完畢并經(jīng)鎖定后應(yīng)注意檢查，如產(chǎn)生應(yīng)力損失應(yīng)進行補償張拉，其間隔時間不得少于72 h，松弛損失一般為鎖定荷載的3%～4%。對于張拉力下降至設(shè)計值以下的錨索再進行一次補償張拉。

3.9 錨頭保護

錨索張拉鎖定應(yīng)力穩(wěn)定后，使用手持切割機將工作錨具外的超長部分鋼鉸線切除，切除后的鋼鉸線在工作錨具外的留存長度為15 cm，然后澆筑混凝土對外錨具及鋼絞線做永久防護，混凝土保護層的厚度不小于10 cm。

4 結(jié)語

(1)福堂水電站震后高邊坡地質(zhì)條件極為復(fù)雜，廠房1 230 m高程以上邊坡斷層、擠壓破碎帶和構(gòu)造裂縫(隙)發(fā)育，加之特大地震帶來的影響，該部位巖體卸荷松弛。采用壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索加固后，取得了較好的效果，錨索張拉力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:錨固力損失小，普遍穩(wěn)定在1 000 kN左右，邊坡穩(wěn)定。

(2)壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索因其受力結(jié)構(gòu)合理、防腐性良好、注漿工序簡單等特點，在復(fù)雜地層邊坡，特別是一些軟巖地層加固中將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。