水利水电工程预应力锚索施工技术的发展与应用

我国水利水电工程预应力锚索施工技术的发展与应用,杨 俊 志四川准达岩土工程公司,自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索录 像,播放,主要内容,水利水电工程预应力锚索发展及应用概况 预应力锚索类型的新发展 预应力锚索施工技术新进展,1 前言,预应力锚索是一种高效、经济、实用的加固技术 。我国从60年代在梅山水库坝肩加固开始应用预应力锚索，70年代扩展到对闸墩和地下洞室的加固。近年来，预应力锚索广泛应用于水利水电、建筑、煤炭、交通等行业领域的边坡加固治理工程中，尤其是水利水电工程，广泛应用预应力锚固技术进行高陡边坡、地下洞室、大坝基础、大型弧门的闸墩以及其它水工建筑物的加固。,2 水利水电工程预应力锚索发展及应用概况,2.1 应用领域与范围扩展迅速 梅山水库右岸坝基(2400KN级预应力锚索110根 ) 石泉水电站 (5884KN级预应力锚索 ) 四川凉山州大桥水库 “三洞口” (自由式拉压复合型预应力锚索 140根1500kN级及1100kN级110根预应力锚索 )天生桥二级水电站厂房西边坡顶下山包滑坡体 漫湾水电站隔河岩水电站 龙羊峡水电站 (10000KN级预应力锚索 )小浪底水电站 (2000KN级锚索，3000KN级锚索)三峡船闸 (1000KN级229束，3000KN级4147束 ),龙羊峡水电站中、深、底孔泄洪道闸墩锚索；岩滩、安康、小浪底和葛洲坝等水电站闸墩锚索。隔河岩水电站压力引水隧洞环锚；小浪底三条排沙洞锚索。小浪底等电站地下厂房锚索。锦屏一级电站、瀑布沟电站、紫坪铺水利枢纽工程、西藏金河水电站、云南小湾电站、西藏直孔水电站、西藏羊湖水电站等工程边坡采用了1000KN3000KN5000KN级自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索进行加固处理。,2.2 预应力锚固体系的研制取得突破 为满足水利水电等施工领域永久锚固的需要，四川准达岩土工程公司研制开发了自由式拉压复合型预应力锚索、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索，增强了预应力锚索对破碎软弱等复杂地层的适应性。,2.3 大吨位、大口径、超深孔锚索施工水平日益提高 预应力锚索载荷大多为10003000KN。八十年代后期，丰满电站提高到6000KN；九十年代，石泉电站锚索载荷提高到8000KN；二十世纪末，李家峡锚索吨位提高到10000KN。 在锦屏一级电站边坡岩体破碎、深部裂隙发育等不利地质条件下，四川准达岩土工程公司施工完成了深达120m的3000KN级自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索以及深达80m、220大口径的5000KN级自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索。,2.4 标准化建设日益完善为推广应用预应力锚固技术，提高预应力锚固的效能和技术水平，促进水电工程锚固技术的发展，水利水电施工规范逐步完善，形成了包括水电工程预应力锚固设计规范（DL/T5176-2003）、水利水电工程预应力锚索施工规范（DL/T5083-2004）、水工预应力锚固施工规范（SL46-94）、水利水电岩土工程施工及岩体测试造孔规程（DL/T5125-2001）等一系列规范，对我国预应力锚索施工起到了指导作用。随着技术的不断更新、进步，各个规范亦在相应地不断补充完善。,3 预应力锚索类型的新发展,3.1 预应力锚索新类型,拉力型锚索,拉力分散型压力（分散）型加波纹管的双层保护式锚索自由式拉压复合型预应力锚索自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索,3.1.1 锚索用钢绞线 锚索用钢绞线执行预应力混凝土用钢绞线GB/T5224标准、无粘结预应力钢绞线JG161-2004标准。有粘结钢绞线无粘结钢绞线环氧涂层（无粘结）钢绞线,3.1.2 拉力（分散）型预应力锚索从锚索结构可知，拉力型锚索存在锚固段应力集中及锚索防腐性能差等不足。1）拉力型锚索张拉时，孔壁剪应力只作用在锚固段前端一定范围，离开前端稍远处孔壁剪应力便急剧减小并迅速趋向于零。因此，锚固段前端应力集中严重，呈现“各个击破”趋势。2）一旦锚固结石体遭到破坏，钢绞线将“暴露”，其被地下水侵蚀将难以避免。拉力（分散）型锚索结构示意图如下。,拉力型锚索锚固段应力分布示意图锚固段前段为拉应力集中区，并逐渐衰弱至后段，易产生剪切破坏。,1,2,3,3.1.3 压力（分散）型预应力锚索从锚索结构可知：1）压力型预应力锚索的锚固段底部为压应力集中区，锚索荷载的大部分作用于该区，易致锚固体压裂破坏。2）压力分散型锚索在一定程度上改善了锚固段应力集中状况，但与压力型锚索一样，锚索体端部防腐性不足。 压力（分散）型锚索结构示意图如下。,压力型锚索锚固段应力分布示意图锚固段底部为压应力集中区，易致锚固体压裂破坏。,1,2,3.1.4 加波纹管的双层保护式锚索在拉力型锚索体外套上“波纹管”制成“双层保护式”锚索，亦存在地下水对锚固段钢绞线的侵蚀的可能性。,3.1.5 自由式拉压复合型预应力锚索 自由式拉压复合型预应力锚索（以下简称“拉压复合型锚索”）由四川准达岩土工程公司开发研制。锚固段锚索体由拉力型绞线束与压力型绞线束编制加工而成。拉应力与压应力同时反向存在于锚固段内，通过拉应力与压应力的相互协调，使锚固段获得较均匀的应力分布，大幅度降低应力峰值。,3.1.6 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索为有效解决锚索锚固段应力集中状况及锚索防腐问题，四川准达岩土工程公司开发研制了新型锚索自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索（以下简称“单孔多锚头锚索”）1、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索主要由导向帽、单锚头、锚板、注浆管、高强低松弛无粘结钢绞线等组成。,自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索,2、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索基本结构特点如下： 1）基本（防腐）单元：单锚头。单锚头由无粘结钢绞线、挤压套及其密封套组件组成，具有良好的防腐性能。 2）单孔多锚头结构：一根锚索由多组锚头构成，每组锚头包括锚板、单锚头，锚头数目及组合结构根据工程地质特性和锚索吨位大小进行选择。 3）整体性锚头结构：各组锚头连接成为一个整体。,单锚头,3、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索特点 1)改善锚固段应力集中分布状况自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索为单孔多锚头结构，每组锚头分别承担一定荷载，应力分布状况为拉压复合型，总锚固力沿锚固段长度分布，改善了应力分布状况和围岩的受力条件，避免了传统拉力型锚索内锚头产生应力集中引起的锈蚀，对工程的长效锚固起到了重要作用。 2)全程有效防腐单锚头密封套组件与无粘结钢绞线PE套一起构成了阻水效果十分良好的防渗体系，使钢绞线免遭外界侵蚀，有效地解决锚索防腐问题。 3)有效减小孔径1000KN6000KN自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的孔径一般为100 220mm 。 4)二次张拉在全孔一次注浆后张拉，并可进行二次张拉。,4、锚索结构相关试验 1）锚头组件静载锚固性能试验 经四川省建筑工程质量检测中心检测，自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索锚头组件静载锚固性能指标为：极限拉力（262.66KN）时总应变apu2.8%，效率系数a0.97。检测结论为：被检试样静载锚固性能a、apu符合GB/T14370-2000的规定（apu2.0%，a0.95）。 2）单锚头抗渗试验 通过高达5MPa的水压抗渗实验，证明了单锚头密封套组件与无粘结钢绞线PE套一起构成了阻水效果十分良好的防渗体系。这对锚索体抗地下水侵蚀具有十分重要的意义，使锚索防腐成为现实。,3.1.7 预应力锚索类型发展趋势1、传统预应力锚索存在的问题1）拉力型锚索存在锚固段应力集中、锚索腐蚀、锚固段长或扩孔及二次注浆等问题，这些问题给预应力锚索施工、锚固效果、锚固寿命带来不利影响。2）压力分散型锚索可以改善锚固段应力集中状况，但地下水可从钢绞线端头对其进行侵蚀。另外，其各组锚头仅简单地捆扎在一起，使得锚索孔径较大或采用小吨位锚索。,锚固段应力集中：拉力型锚索锚固段前段为拉应力集中区，并逐渐衰弱至后段，易产生剪切破坏。压力型锚索锚固段底部为压应力集中区，易致锚固体压裂破坏。锚索腐蚀（地下水对锚索钢绞线的侵蚀）：a)拉力型锚索锚固段的钢绞线是裸露的，存在被地下水侵蚀的可能性。b)在拉力型锚索体外套上“波纹管”制成“双层保护式”锚索，依然避免不了地下水对锚固段钢绞线的侵蚀。c)压力型锚索在钢绞线外穿上保护套，将钢绞线与地下水隔离开，在很大程度上对钢绞线起到了保护作用，但地下水可从钢绞线端头对其进行侵蚀。 有粘结钢绞线需二次注浆问题：采用有粘结钢绞线的锚索注浆须采用二次注浆工艺，即在锚固段附近卡塞先进行锚固段注浆，在候强张拉后再进行自由段注浆。采用此工艺不仅锚固质量不易得到保证，而且锚索注浆工效低，注浆施工亦不方便。,二次注浆示意图,预应力锚索锚固段长度或扩孔问题a）拉力型预应力锚索在内锚固段设计中采用的是剪应力沿内锚固段长度均匀分布的假设，其计算公式：b）胶结式内锚固段所提供的锚固力，必须大于预应力锚索的超张拉力。胶结式内锚固段长度计算公式：式中：0结构的重要性系数；设计状况系数；d结构系数；c黏结强度分项系数；p锚索张拉力分项系数；Pm锚索张拉力；D锚孔直径；C胶结材料与孔壁的黏结强度（1.50.3或0.3）。c）拉力型锚索有关试验表明“在内锚固段中剪应力既不是均匀分布的，又不是沿全长都受力的，而是在内锚固段口部附近有高度的剪应力集中，存在着各个击破现象”，很明显，增加锚固段长度并不能有效增加锚固力。 d）一味增加锚固段长度缺乏科学性，因此，就把预应力锚索的锚固段设计成扩大头型或增加锚孔直径，以期达到提供足够锚固力的目的。锚索孔施工时，就需要扩孔增大锚固段孔径，将会导致施工进度慢和工程投资增加。,2、锚索类型的发展趋势1）传统锚索存在上述问题，使得其对复杂地层的适应性差。2）当前，预应力锚索的防腐及应力集中问题已引起业内人士的高度重视。因此，开发和使用具有改善锚固段应力集中、有效防腐、有效减小孔径等性能特点的锚索已成为预应力锚索发展的趋势，比如自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索。,3.2 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索锚固段应力特性研究 3.2.1 瀑布沟水电站预应力锚索试验 瀑布沟水电站枢纽区基岩岩体由澄江期花岗岩、前震旦系浅变质玄武岩和震旦系下统苏雄组凝灰岩及流纹斑岩组成。岩体断层及构造裂隙发育，卸荷强烈，岩体完整性差。为此，在左岸泄洪洞出口附近边坡结合永久边坡锚索进行了1000KN、2000KN、3000KN级拉力型、单孔多锚头防腐型预应力锚索对比试验，共布置锚索22根，锚索孔径分别为115mm、140mm、165mm，深度40m60m，锚索孔方向下俯5。试验着重对锚索新结构、新材料进行适应性方面的试验。根据要求，亦进行了水泥结石体与钢绞线、水泥结石体与岩壁粘结强度试验。试验过程中，安装锚索测力计、多点位移计分别进行锚索应力长效监测、边坡变形监测。,3.2.2 紫坪铺水利枢纽锚索试验 四川省紫坪铺水利枢纽工程边坡地质条件复杂，岩性为砂岩、泥质粉砂岩与煤质页岩互层，含煤层，强卸荷、岩体破碎。为进一步分析研究自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索、拉力型锚索锚固段应力特性，在引水隧洞进口边坡布置试验锚索6根，单根长50m，3000KN级。 拉力型预应力锚索3根，6m、8m、10m锚固段长锚索各1根，每根锚索锚固段均布设应变元件测试锚固段应力情况，应力测试范围分别为6m、8m、10m；自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索3根，每根锚索均进行应力测试，范围分别为6m、8m、10m。同时，安装锚索测力计监测拉力型预应力锚索和自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的锁定荷载的变化情况。,紫坪铺水利枢纽工程引水隧洞进口边坡,3.2.3 锦屏水电站锚索试验 锦屏一级水电站位于雅砻江干流普斯罗沟峡谷段，左岸岸坡岩体风化卸荷强烈 。在左岸导流洞出口部位边坡，针对该部位的大理岩及深部裂缝等不利地质条件进行了深孔锚索、大吨位锚索、锚型对比等预应力锚索试验。 选择拉力型预应力锚索、自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索两种型式进行锚固对比试验。拉力型锚索吨位1000KN、2000KN级、3000KN级各1根，钻孔直径115mm、140mm、180mm，孔深分别为40m、80m、80m；自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索吨位2000KN级、3000KN级各2根，钻孔直径分别为140mm、165mm，孔深60m、80m。 拉力型锚索和单孔多锚头锚索安设锚索测力计、锚固段应力测试元件进行锚索应力长效监测、锚固段应力测试。根据要求，亦进行了水泥结石体与钢绞线、水泥结石体与岩壁粘结强度试验。为探索锦屏水电站大吨位、超深锚索的工程应用效果，特布置单孔多锚头超常规锚索2根。3000KN级1根，钻孔孔径165mm，孔深120m，钻孔下倾15；5000KN级1根，钻孔直径220mm，孔深80m。,锦屏锚索试验布置图,安设应力测试元件的锚索体,拉力型锚索,单孔多锚头锚索,锚固段应力测试元件布设图,水泥浆与钢绞线粘结强度试验图,水泥结石体与岩体粘结强度试验图,3.2.4 大吨位、超深孔锚索孔施工技术针对锦屏水电站钻孔孔径220mm、孔深80m、钻孔下倾10的5000KN级锚索及钻孔孔径165mm、孔深120m、钻孔下倾15的3000KN级锚索的施工难点，诸如排渣困难、容易发生掉块卡钻事故、钻进摩擦阻力大等，我公司精心准备，选用国产大功率液压钻机(100型、YG-80液压锚固钻机等)，通过粗径钻具及扶正器、防卡器等系列钻具组合使用，尽管在成孔过程中多次遇破碎带，仍按预定计划完成了试验锚索孔施工任务，达到了设计要求。据此总结完善的施工工艺技术，为今后公司施工此类锚索积累了宝贵的经验，具有很强的指导作用。,3.2.5 大吨位、超深孔锚索应力损失监测,5000KN级单孔多锚头防腐型锚索张拉曲线,5000KN级锚索预应力损失率时间曲线,120m超深单孔多锚头防腐型锚索张拉曲线,120m超深锚索预应力损失率时间曲线,5000KN级单孔多锚头锚索及120m长锚索的预应力损失值在-3%以内，并趋于稳定，但总体呈下降趋势。大吨位、超深的单孔多锚头锚索的锚固效果良好。,拉力型锚索锚固段应力曲线 （10m）,自由式单孔多锚头防腐型锚索锚固段应力曲线 （10m）,现场试验锚固段应力曲线,拉力型锚索锚固段应力曲线 （8m）,自由式单孔多锚头防腐型锚索锚固段应力曲线 （8m）,现场试验锚固段应力曲线,拉力型锚索锚固段应力曲线 （6m）,自由式单孔多锚头防腐型锚索锚固段应力曲线 （6m）,现场试验锚固段应力曲线,3.2.6 锚固段应力特性测试结果与分析 多次试验结果揭示了拉力型锚索锚固段存在“各个击破”现象及其应力集中的特征。一旦锚固结石体遭到破坏，钢绞线将“暴露”，其被地下水侵蚀将难以避免，势必影响锚索的正常使用。自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索为单孔多锚头结构并具有整体性，每组锚头分别承担一定荷载，应力分布状况为拉压复合型，总锚固力沿锚固段长度分布，改善了应力分布状况和围岩的受力条件，避免了传统拉力型锚索内锚头产生应力集中引起的锈蚀，对工程的长效锚固起到了重要作用。由于拉力型预应力锚索存在应力集中，锚固段呈“各个击破”破坏趋势，较难解决防腐等问题，对于永久支护，不宜选用；自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索改善了锚固段应力集中状况，解决了锚索防腐问题，永久支护效果良好。,3.2.7 知识产权及奖励 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索为四川省重点科技项目成果，经四川省科技厅组织的院士、专家鉴定，其成果属国内首创，总体达到国际领先水平。被授予国家实用新型专利（专利号：ZL 01256700.0）。自由式拉压复合型预应力锚索亦被授予国家实用新型专利（专利号：ZL 98 2 28744.5），并获中国电力科学技术奖。,3.3 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索应用 紫坪铺水利枢纽工程边坡锚索紫坪铺水利枢纽工程引水发电隧洞进口、溢洪道及右坝肩边坡设计上千根2000KN、3000KN级自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索进行加固处理。213国道改线公路滑坡抢险工程边坡锚索紫坪铺水利枢纽工程淹没区内的213国道K1011+350450m等多段滑坡抢险工程布置约300根1000KN2000KN级预应力锚索。边坡处于坡、堆积层的松散体上，锚索孔采用跟管钻进成孔。 金河电站厂房边坡覆盖层锚索西藏金河水电站厂房边坡覆盖层设计62根2000KN级锚索。采用跟管钻进成孔技术，有效孔径135mm，孔深58m60m，采用全孔一次有压注浆成功解决了覆盖层锚索注浆难题。,小湾电站堆积体锚索云南小湾水电站右坝肩堆积体厚达40m左右，边坡采用了大量的1800KN级锚索进行加固处理。部分锚索采用自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索，孔深55m60m，采用跟管钻进成孔技术。瀑布沟电站工程边坡锚索瀑布沟水电站工程地质条件较为复杂，工程高边坡稳定性问题较突出，设计1000KN3000KN级别锚索，孔深2560m，数量400多根。锦屏一级电站边坡锚索锦屏一级水电站左岸岸坡岩体风化卸荷强烈，采用自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索，锚索吨位20003000KN级，孔深60m80m 。溪洛渡水电站边坡锚索溪洛渡电站右岸缆机平台、导流洞出口及尾水洞出口边坡支护设计1000KN级预应力锚索344根，钻孔深度3050m，1500KN级预应力锚索107根，钻孔深度3140m，2000KN级预应力锚索185根，钻孔深度3850m。,4.1 施工工艺流程,4 预应力锚索施工技术新进展,锚索施工示意图,4.2 复杂地层预应力锚索成孔技术发展 施工锚索首先面临的问题是成孔。钻孔施工前，根据具体地质情况和钻孔参数选择合适钻机、钻具，制定最优钻进工艺规程参数。 对于坡积体、堆积体、覆盖层等复杂地层，成孔过程中，掉块卡钻严重，起钻塌孔严重，难以成孔。因此，复杂地层锚索的成孔质量及效率成为影响锚索施工进度的重要因素。,4.2.1 复杂地层成孔方法选择复杂地层锚索孔成孔须根据实际情况设计合理的钻孔结构，并采用灌浆护壁、套管护壁等方法。灌浆护壁方法包括固壁灌浆、超前固结灌浆等。套管护壁方法包括同心跟管护壁、偏心跟管护壁等。四川准达岩土工程公司根据多年水电工程复杂地层锚索施工经验，制定了各种复杂地层下锚索孔施工工艺技术规程，设计生产了ZDT系列同心跟管钻具、ZDP系列偏心跟管钻具、粗径组合钻具、防卡器等适用于复杂地层的器具，在生产实践取得了令人满意的钻进效果。,4.2.2 复杂地层成孔设备机具选择 在复杂地层中施工大吨位、大口径、超深孔锚索时，将面临排渣困难、掉块卡钻严重、摩擦阻力大等一系列问题，这对钻机等