預(yù)應(yīng)力錨索在水庫(kù)高邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

趙宏蘭

（晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

石膏山水庫(kù)位于山西省晉中市靈石縣南關(guān)鎮(zhèn)峪口村上游仁義河石膏山峽谷出口處，是一項(xiàng)控制仁義河流域的水利工程。壩型為混凝土重力拱壩，壩頂高程1146m，最大壩高68m，壩頂長(zhǎng)度169m，正常蓄水位1144.0m，總庫(kù)容為497萬(wàn)m3，屬小型水庫(kù)。工程等別為Ⅳ級(jí)，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)。

大壩左岸邊坡山體較為宏厚，基巖巖性是片麻巖、灰白色二長(zhǎng)混合花崗巖。巖石礦物成分主要由石英、斜長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、黑云母、微量的白云母等組成，黑云母且不連續(xù)定向分布，構(gòu)成片麻狀構(gòu)造。大壩左岸壩肩壩頂以上的邊坡為人工開挖而成，邊坡坡度陡直，高度近60m。公路經(jīng)壩頂橫穿左壩肩，在公路隧洞施工及邊坡開坡期間，均發(fā)現(xiàn)該邊坡裂隙密集，巖體裂隙較發(fā)育，為潛在不穩(wěn)定邊坡，對(duì)新建的混凝土拱壩及公路后期的運(yùn)行造成威脅，為保證大壩安全對(duì)邊坡實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)。

2 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)

石膏山邊坡設(shè)計(jì)采用壓力分散型錨索加固，左岸邊坡開挖面共布設(shè)200個(gè)錨索加固點(diǎn)。左岸平臺(tái)以下設(shè)置25個(gè)錨索加固點(diǎn)。錨索鋼絞線采用直徑Sl5.2mm、抗拉強(qiáng)度1860MPa，極限張拉荷載為259kN的高強(qiáng)度低松馳鋼絞線。鉆孔直徑130mm，每孔錨索由6束鋼絞線組成，每孔錨索設(shè)計(jì)錨固力為750kN。灌漿材料采用35MPa純水泥漿，墊墩及封頭采用C30混凝土，錨索間排距為3m×3m，左岸平臺(tái)高程為1146m，在距離左岸平臺(tái)以上2.6m高處開始布設(shè)錨索至開挖邊坡頂部，其中在隧洞頂拱上方2m、西側(cè)墻3m范圍內(nèi)不設(shè)錨索。

3 預(yù)應(yīng)力錨索施工及質(zhì)量控制

預(yù)應(yīng)力錨索主要由錨固段、自由段和緊固頭3部分組成，3段分別進(jìn)行錨固，通過(guò)錨固體周圍地層的抗剪強(qiáng)度承受錨索所傳遞的拉力。錨固段是錨索伸入破裂面以下1m的穩(wěn)定巖層內(nèi)的段落，總長(zhǎng)9.0m，自由段是錨索穿過(guò)被加固巖土體的段落，其下端為錨固段，上端為緊固頭，平均長(zhǎng)度約29m。緊固頭是將錨索固定于外錨結(jié)構(gòu)物上的鎖定部分，也是施加預(yù)應(yīng)力的張拉部件。預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 6ΦS15.2mm預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)布置圖

在進(jìn)行錨固段灌漿時(shí)，在錨固段和自由段的界面上設(shè)置止?jié){包，止?jié){包可以保證0.3～0.5MPa的灌漿壓力。自由段中的鋼絞線均為無(wú)粘結(jié)鋼絞線，灌漿后鋼絞線可自由伸縮，將自由段施加的預(yù)應(yīng)力傳遞到錨固段，并將錨固段的反力傳遞回緊固頭。由于錨索穿越巖體裂隙、破碎帶，灌漿過(guò)程中將存在耗漿量大的情況，無(wú)法保證質(zhì)量。為了控制灌漿擴(kuò)散范圍，采用土工布外套細(xì)帆布包裹錨索自由段，與止?jié){包外層的止?jié){套連為一體，全長(zhǎng)包裹錨索自由段。緊固頭由部分鋼絞線、承壓鋼墊板、錨具、墊墩組成，鋼絞線是自由段的延伸部分，承壓鋼墊板內(nèi)嵌于墊墩里，承壓鋼墊板尺寸為250mm×250mm×20mm（長(zhǎng)×寬×厚）。張拉采用OVM15-6型錨具，千斤頂采用YCWl50B型。墊墩尺寸為450mm×450mm，四周采用混凝土l∶0.5邊坡與錨固面銜接，最小高度不低于250mm。

錨索施工的工藝流程：測(cè)量放線、鉆機(jī)就位、鉆孔、錨索制安、錨索注漿、錨索張拉與鎖定、封錨。

3.1 測(cè)量放線

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的平面控制點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)和引測(cè)。按照設(shè)計(jì)錨索結(jié)構(gòu)圖、復(fù)測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算，對(duì)錨索點(diǎn)位測(cè)放并進(jìn)行編號(hào)，并在坡面上做出醒目標(biāo)記。同時(shí)搭設(shè)施工平臺(tái)，平整基礎(chǔ)，采用直徑48mm鋼管搭設(shè)腳手架，鋪設(shè)腳手板，懸掛安全網(wǎng)，保證施工平臺(tái)穩(wěn)定牢固可靠，滿足安全施工及相關(guān)規(guī)范的要求。

3.2 鉆機(jī)就位

鉆孔機(jī)具選用QCW100潛孔鉆，沖擊器配套直徑146釬頭。因邊坡巖體裂隙較發(fā)育，造孔時(shí)巖體可能出現(xiàn)裂縫、坍塌、進(jìn)而出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，潛孔鉆不能成孔則換用跟套管鉆機(jī)成孔。

鉆孔機(jī)具是在臨高邊坡搭設(shè)的腳手架平臺(tái)上工作，滿足動(dòng)荷作用下的平臺(tái)穩(wěn)定性是確保正常鉆機(jī)、成孔角度的一個(gè)重要因素。首先鉆孔孔向控制排架搭設(shè)要牢固，鉆機(jī)準(zhǔn)確定位至鉆孔孔位，用水平儀控制鉆機(jī)鉆進(jìn)方向角，調(diào)整好孔向再牢靠固定鉆機(jī)。鉆機(jī)就位時(shí)嚴(yán)格控制鉆機(jī)安裝的穩(wěn)固性、準(zhǔn)確度，進(jìn)而使錨孔軸線的傾角、方位角符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。鉆孔的開孔位置偏差不得大于10cm，孔斜誤差不得大于孔深2%。

3.3 鉆孔

鉆進(jìn)前對(duì)鉆機(jī)方位角和傾角進(jìn)行核驗(yàn)與較正，鉆孔角度用測(cè)角量具控制，傾角誤差±l°，方位誤差±2°，以保證鉆孔的準(zhǔn)確度，再次檢查確認(rèn)鉆機(jī)安裝牢固，即進(jìn)行跟管開孔，跟管開孔時(shí)，使釬頭緊貼巖面低壓沖擊，跟管平穩(wěn)緩緩?fù)七M(jìn)，套管跟進(jìn)至基巖內(nèi)，換用普通的全斷面鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度。鉆孔記錄在鉆進(jìn)施工過(guò)程中尤其重要，跟蹤監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)必須真實(shí)、準(zhǔn)確且可靠，發(fā)現(xiàn)有異常及時(shí)反饋。認(rèn)真做好鉆孔施工記錄，能更好地判斷孔內(nèi)巖層地質(zhì)條件，為在實(shí)施后續(xù)注漿時(shí)作參考。鉆孔完成后用壓縮風(fēng)沖洗鉆孔，直至孔內(nèi)沉渣不大于20cm，對(duì)錨孔進(jìn)行清理，以保證錨孔的順直和平滑，方便錨索的安裝。

3.4 錨索制安

按設(shè)計(jì)錨索結(jié)構(gòu)圖及規(guī)范的要求制作。預(yù)應(yīng)力錨索材料選用低松弛、高強(qiáng)度、無(wú)粘結(jié)鋼絞線。每根鋼絞線必須順直、不扭曲，有變形、機(jī)械損傷及銹坑一律剔除。鋼絞線下料時(shí)應(yīng)整齊準(zhǔn)確，誤差不大于±50mm，坡面外鋼絞線長(zhǎng)度為1.5m，按計(jì)算好的長(zhǎng)度下料后，平順?lè)旁诩庸づ飪?nèi)0.5m高，1.5m寬的臺(tái)架上，逐根檢查鋼絞線有無(wú)損傷，除去錨固段范圍內(nèi)鋼鉸線外的PE塑料管并清除干凈鋼鉸線上的油脂。將處理過(guò)的鋼絞線按不同孔深分組順直排列在臺(tái)架上。

編索時(shí)沿錨索體軸線方向，每隔2m安裝一個(gè)架線環(huán)，定位錨索以保證鋼絞線順直。編索時(shí)按照設(shè)計(jì)要求一并順直綁附灌漿管、排氣管，制作止?jié){包，止?jié){包后端用土工布、細(xì)帆布組成的止?jié){套包裹至孔口。最后在錨索的底部端頭套上導(dǎo)向帽，灌漿管、排氣管均采用PE塑料管，管路系統(tǒng)耐壓值不低于設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，且不低于0.6MPa。錨索編好后，再次檢查錨固段長(zhǎng)度及各部件后編號(hào)，壓力分散型錨索因各單元錨索長(zhǎng)度不同，張拉伸長(zhǎng)量不同，所以對(duì)各單元錨索均作記號(hào)標(biāo)示。安裝錨索時(shí)采用電動(dòng)葫蘆吊運(yùn)提升，人工輔助入孔的方式進(jìn)行安裝。下索時(shí)人工推送，不得旋轉(zhuǎn)錨索，防止損壞錨索配件。按照設(shè)計(jì)傾角和方位準(zhǔn)確、均勻用力平順推進(jìn)。對(duì)無(wú)法下入的錨索，則退出檢查處理后重新下索。下至預(yù)定孔深后，用拔管機(jī)將跟進(jìn)套管拔出。

止?jié){包制作直接關(guān)系到后期灌漿效果的好壞，是本工法的操作要點(diǎn)之一，土工布、細(xì)帆布均用手提縫紉機(jī)縫制密實(shí)、牢固，包裹直徑為孔徑的1.1～1.2倍，止?jié){包兩端止?jié){處的鋼絞線、灌漿管之間用土工布緊密包裹，外層止?jié){套用鉛絲綁扎牢固，以免在穿索過(guò)程中產(chǎn)生滑動(dòng)，造成止?jié){包失效。

3.5 灌漿

錨孔灌漿采用孔底灌漿法，是預(yù)應(yīng)力錨索施工過(guò)程中的一個(gè)重要工序，在安放好錨索后及時(shí)進(jìn)行灌漿，首先進(jìn)行止?jié){包充漿，灌漿壓力為0.3MPa，使止?jié){包先行膨脹擠緊孔壁，然后進(jìn)行錨固段灌漿。錨索的承載能力完全取決于灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣，因此灌漿施工時(shí)采用的灌漿工藝、漿材質(zhì)量要嚴(yán)格把控。灌漿材料采用35MPa純水泥漿，灌漿壓力0.6～0.8MPa，水泥進(jìn)場(chǎng)先復(fù)檢，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求方可拌制漿液。為提高其早期強(qiáng)度，加入適量早強(qiáng)劑，用量由配合比試驗(yàn)確定。漿液按配合比攪拌均勻，隨拌隨用，當(dāng)孔口回漿濃度與貯漿池漿液濃度接近時(shí)，屏漿時(shí)間20～30min，停止灌漿。待水泥漿凝固收縮后，再進(jìn)行多次的高壓補(bǔ)漿，以保證漿液對(duì)錨索完全有效的包裹，而后將錨索固定在孔口中央。

錨固段灌漿后即澆筑C30混凝土墊墩，配合比由試驗(yàn)結(jié)果確定。澆筑前將孔口松動(dòng)巖塊鑿除，清洗基面，按照設(shè)計(jì)圖紙預(yù)埋與鉆孔同軸鋼套管、鋼墊板、鋼筋、二期灌漿管等埋件。

3.6 錨索張拉與鎖定

等到孔內(nèi)水泥漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上后，用標(biāo)定過(guò)的張拉設(shè)備對(duì)各錨索鋼絞線實(shí)施張拉。張拉前認(rèn)真檢查錨環(huán)夾片和錨索張拉部分，清除所夾帶泥沙雜質(zhì)、銹蝕以及其它污物，校驗(yàn)張拉千斤頂?shù)妮S線與錨索鋼絞線是否保持一致，確認(rèn)無(wú)誤后即開始張拉鋼絞線。錨索是由6根鋼絞線組成，為確保錨索順直以及各鋼絞線的均勻受力，先逐根進(jìn)行預(yù)張拉，待單根預(yù)張拉完成后再整體張拉。錨索張拉時(shí)以張拉力控制為主，伸長(zhǎng)值校核為輔，分4級(jí)平穩(wěn)加載，拉力為設(shè)計(jì)值的30%、60%、100%、110%，存在10%的超張拉防止預(yù)應(yīng)力損失。張拉過(guò)程中準(zhǔn)確記錄每一級(jí)荷載伸長(zhǎng)值和穩(wěn)定過(guò)程中伸長(zhǎng)值的數(shù)值，且與理論伸長(zhǎng)值進(jìn)行比較分析。每級(jí)張拉荷載下持壓穩(wěn)定5min，達(dá)到安裝噸位后持壓穩(wěn)定10min即可錨索荷載鎖定。

3.7 封孔灌漿與錨墩封護(hù)

完成張拉后，立即進(jìn)行自由段封孔灌漿，其漿液比、灌漿壓力同錨固段，當(dāng)回漿管返出濃漿，返漿濃度等于進(jìn)漿濃度時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行屏漿后結(jié)束灌漿，再進(jìn)行必要的補(bǔ)漿，確保封孔密實(shí)飽滿。

外錨頭封護(hù)是預(yù)應(yīng)力錨索的最后一道工序，在預(yù)應(yīng)力張拉達(dá)到設(shè)計(jì)值后，做好記號(hào)，觀察三天，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常情況即可對(duì)露出的鋼絞線用手提金剛砂輪切斷，切口位置至外錨具的距離保留5cm。并除銹涂防腐劑，再用C30混凝土封閉錨頭。

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)對(duì)于巖層較為破碎的邊坡能夠及時(shí)有效、因地制宜地深層加固，且不受地形、地質(zhì)條件的限制，柔性可調(diào)、施工快捷等，因此預(yù)應(yīng)力錨索是控制不穩(wěn)定高邊坡態(tài)勢(shì)、整治破碎巖體的重要施工手段。石膏山水庫(kù)高邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索加固防護(hù)施工后，至今近兩年內(nèi)歷經(jīng)多次大暴雨沖刷，邊坡防護(hù)均保持完好，達(dá)到了預(yù)期效果。