小浪底工程排沙洞预应力溷凝土衬砌方案的试验研究

1、小浪底工程排沙洞预应力混凝土衬砌方案的试验研究 伍安宝陕西 安康水电联合实业有限责任公司 邮编725011 摘要：小浪底水利枢纽工程泄洪排沙洞采用后张法预应力混凝土衬砌。原设计为有粘结方案，承包商建议采用无粘结方案施工。为验证两方案的可行性，在现场浇筑两方案的试验模型。通过理论分析与张拉测试，揭示了预应力摩擦损失和结构的受力、变形特性。试验结果与理论分析为最终选定无粘结预应力混凝土衬砌方案奠定了可靠的基础。 关键词：排沙洞 预应力混凝土衬砌 有粘结 无粘结 模型试验一、 工程概况小浪底水利枢纽工程位于河南省洛阳市以北40KM的黄河干流上，是一座以防洪、防凌、减淤为主，兼顾发电、灌溉、供水的大型

2、水利枢纽工程。枢纽由大坝、泄洪排沙建筑物和水电站组成。排沙洞位于左岸山体中，三条洞长各为1100M，洞径6.5M，一般洞段衬砌混凝土厚0.65M。设计正常高水位275M，当库水位220M时，单洞泄量Q=500M3/S，流速V=15M/S。水位超过220M，由设在出口的闸室控制流速不大于15M/S，以减低泥沙的冲蚀。排沙洞洞轴线以上覆盖层变化很大，覆盖层中有泥化夹层。水库运行后排沙洞帷幕下游侧地下水位仍然很低，该部位常年承受内水水头H=118.75M。排沙洞是枢纽的重要建筑物。为防止衬砌混凝土开裂，内水外渗危及出口边坡稳定，从长期安全运行考虑，确定按全预应力度结构设计。对每条排沙洞帷幕前作普通钢

3、筋混凝土衬砌，帷幕下游长约700M的洞段采用后张法有粘结预应力混凝土衬砌。图1 排沙洞纵剖面图 针对招标文件中有粘结设计方案，承包商在投标说明书中即建议采用国外已发展起来的预应力混凝土衬砌无粘结的替代方案。称该方案施工简便，结构整体性及应力状况较好，钢绞线防腐蚀，安全可靠，材料用量节省等。二 试验目的对于水工有压遂洞，有粘结预应力混凝土衬砌已在清江隔河岩和天生桥一级电站引水发电洞运用，国内在设计和施工中均有成功的经验。而将无粘结预应力混凝土衬砌技术运用于水工有压遂洞工程，在国内尚无先例。为了验证无粘结替代方案理论计算的正确性、技术上的可靠性、与设计方案的等效性以及施工过程中的可操作性，必须在现

4、场进行模型试验，以慎重选择预应力混凝土衬砌的方案和技术，确保该工程设计和施工的质量。三 模型设计要点及试验程序根据承包商的申请和工程师的批准，由承包商在现场制作了两方案的模型试验块。试验模型断面尺寸与原型相等，但洞轴线铅直布置，模型高度分别为1.925M和1.95M.。无粘结模型共布置4个锚槽，有粘结模型布置了6个锚槽。混凝土设计为400号，浇筑28天后即进行预应力张拉和压水试验。张拉过程中对钢筋混凝土的应力应变、钢绞线的张力、伸长值及磨擦系数、洞径的收敛变形等参数进行了实测。 测试中磨擦系数的验算采用下述公式 PX=P0e-( kx +) （1） 式中：P0为张拉端处的张拉力；PX为距张拉端

5、X处的张拉力；K为孔道偏差影响系数；X为从张拉端至计算点处的孔道长度；为曲率磨擦系数；为从张拉端至计算点处的弧度变化量。1 有粘结主设计方案主设计方案采用12根15.24MM单圈布置的有粘结钢绞线的预应力混凝土衬砌技术。钢绞线张拉后在波纹管内进行压力灌浆。锚具槽间距25CM，锚具槽总数9000个。锁定前千斤顶处预拉力2343.6KN，张拉端处预拉力P0=2040KN，K=0.0015，=0.2。在现场试验中，应用了国内的OVM公司、德国的DSI公司的张拉设备和锚具系统。值测定采用瑞士VSL张拉设备和锚具系统，在试验环外表面设置环形条墩，内埋波纹管，固定端安装测力计，另一端千斤顶张拉钢绞线。当张

6、力达到设计值时测得张拉端P0和固定端Px，将P0、Px和拟定的K=0.0015代入（1）式，即可求得值。对有粘结方案还作了灌浆锚固效果检验和截断钢绞线的破坏试验。锚具槽和观测仪器布置详见图2图2 锚具槽和观测仪器布置图2 无粘结替代方案根据等效应力原则，替代方案采用8根15.70MM包裹涂油套管双圈布置的无粘结钢绞线预应力混凝土衬砌方案，锚具槽间距45CM，锚具槽总数5000个。锁定前千斤顶处预拉力1674KN，张拉端处预拉力P0=1535KN，拟定的K=0.0007，=0.07。试验中应用了德国的DSI公司的张拉设备和锚具系统。值测定采用了固定端安装测力计，另一端千斤顶张拉钢绞线，测得张拉端

7、P0和固定端Px。将P0、Px和拟定的K=0.0007代入（1）式，即可求得值。3 观测仪器的布设在每一方案中沿管轴向布设4个观测断面，每一断面设置5个观测点。各埋设混凝土应变计40支，钢筋计38支，无应力计2支，在混凝土内外表面的对应点上粘贴应变片、应变花，以测量钢筋、混凝土的应力应变值。安装洞径收敛测桩28个，单点式位移计8支，用以监测张拉过程中洞径的收敛变形。还在钢绞线上粘贴了应变片，安装了锚索测力计，用以测量张拉、锁定过程中钢绞线的应力变化。为了及时、准确的采集所有仪器读数，使用了多台数据记录仪。4 压水实验方法为检查内水压作用情况，所有张拉试验完成后，在管内混凝土表面粘贴5CM厚的透

8、水PE泡沫，管内填筑混凝土并密封管子的端头，管缝中加水并使其增压至设计值。5 张拉程序1） 在无粘结方案试验中，当张拉3#锚槽钢绞线至100%的预拉力时，沿3#锚槽水平环向出现了不连续的裂缝。当张拉1#锚槽钢绞线至83.9%的预拉力时，张拉端锚垫板处混凝土出现了裂缝。故对原定张拉次序及荷载改变如下：第一步张拉3#锚槽钢绞线至100%的预拉力；第二、第三、第四步分别张拉2#、1#和4#锚槽钢绞线至50%、83.9%、80%的预拉力；第五步张拉2#锚槽钢绞线至100%的预拉力。2） 在有粘结方案试验中，前三步分别张拉3#、4#和5#锚槽钢绞线至100%的预拉力；第四、第五、第六步分别张拉6#、2#

9、和1#锚槽钢绞线至80%、100%、80%的预拉力。3） 所有张拉、测试工作均在夜晚进行，以减少日晒对混凝土表面应变片的影响。四 模型对比试验结果1 磨擦系数的测定1） 在无粘结方案中，拟定孔道偏差影响系数K=0.0007（按德国规范取），实测曲率摩擦系数=0.033。2） 在有粘结方案中，拟定孔道偏差影响系数K=0.0015，实测曲率摩擦系数=0.226。2 钢绞线张拉伸长值的测定1） 在无粘结方案中，当张拉钢绞线至70%的预拉力时，绞线伸长203.5MM，由此计算出100%预拉力时，绞线伸长值为290MM，锚具位移145MM。2）在有粘结方案中，当张拉钢绞线至100%的预拉力时，绞线伸长1

10、25.4MM。3 收敛变形结果预应力张拉完成后，实测无粘结方案径向收敛值为-1.62-2.84MM之间，有粘结方案该值为-0.59-1.64MM。 无粘结、有粘结方案预应力混凝土压应力分布 表1 项目 类型混凝土内部应变计（Mpa）混凝土外表面应变片（Mpa）混凝土内表面应变片（Mpa）外圈钢筋计内圈钢筋计总平均值（Mpa）（Mpa）（Mpa）无粘结方案10.269.738.9410.7311.6510.40有粘结方案7.722.775.256.3410.297.38无粘结比有粘结方案应力值大（%）24.7671.5341.2841.0012.5029.044 实测试验环中的应力根据各类仪器监

11、测结果，混凝土试验环建立的平均环向预压应力无粘结方案为10.4Mpa，有粘结方案为7.38Mpa，无粘结方案比有粘结方案应力值大29%。5 试验现象1） 在无粘结方案试验中，当张拉3#锚槽钢绞线至100%的预拉力，沿钢绞线内圈混凝土表面出现了0.4MM不连续的环向水平裂缝。当完成其它锚槽钢绞线的张拉锁定后，内圈裂缝均有减少或部分闭合。但锚槽处都不同程度的出现了斜向裂缝。在张拉1#锚槽钢绞线至83.9%的预拉力时，锚垫板处出现了裂缝，故停止张拉并锁定。在压水试验中，当水压加至0.8Mpa时，由于试验环上端部止水漏水而停止水压试验。2）在有粘结方案试验中，当张拉锚槽钢绞线至100%的预拉力时，2#

12、、3#、4#、5#锚槽出现了环向裂缝，其长度都在1.02.0M，最大宽度为0.5MM。在压水试验中，由于未对波纹管灌浆，当水压加至1.20Mpa时，沿试验环外表面铅直向产生10余条裂缝，严重漏水而中止压水试验。当水压下降后，该裂缝全部闭合。3）在有粘结方案试验中，灌浆后钢绞线取芯完整，浆液与钢绞线粘结牢固。波纹管内的钢绞线被截断后，在钻孔部位的铅直向出现了0.20.5MM的裂缝。在距固定端1.6M处截断钢绞线时。固定端锚固力仍保持550KN不变。五 试验结果分析1 通过现场的模型试验，无粘结和有粘结方案在技术上均是可行的。综合考虑各方面因素经分析比较认为，无粘结方案优于有粘结方案。表2给出了两

13、方案的比较意见。2 试验中产生环向裂缝的主要原因：1） 混凝土强度不够。模型设计混凝土强度为400号，但28天混凝土试件平均强度R=39Mpa。2） 由于K、P0的取值原因，试验环张拉后实测应力大于设计应力。3） 试验时张拉荷载一次达到100%的预拉力。3 裂缝原因的理论分析当张拉3#锚槽钢绞线至100%的预拉力时，环向裂缝截面的变形受到其上下未直接承受预应力的相邻截面的约束，从而产生沿管道轴向的弯曲效应，管壁的受力沿轴向就向外表面受压，内表面受拉的弯梁。通过有限元分析计算得知，此时管轴向内表面混凝土主拉应力达到1.87Mpa。超过了施工阶段主拉应力不大于0.7ftk=0.7*2.45 Mpa

14、=1.715 Mpa的规范规定。有粘结试验方案在未对波纹管灌浆的情况下进行压水试验，至使高压水沿锚槽混凝土缝隙进入波纹管内，形成了新的内水压界面，导至异常破坏。六 结论与建议1 经过原型试验，无粘结和有粘结方案在技术上是可行的，均能满足原设计要求。但无粘结方案以其施工简便，工期短，节约资源，钢绞线受力均匀，混凝土预压应力效果显著，薄弱部位少，防腐性能好等一系列优点，更适合于小浪底排沙洞预应力混凝土衬砌工程。这一方案的最终选定，将为国内有压遂洞衬砌工程提供宝贵的工程经验。2 无粘结方案中采用了具有PE套管，内充油脂的钢绞线，张拉时摩擦损失小，在拟定K=0.0007时，实测=0.033。建立的混凝

15、土平均有效压应力为10.4 Mpa，比有粘结方案压应力值大29%。3 对无粘结方案钢绞线的架立已结合钢筋布置设立了专制支架，确保钢绞线定位准确。对锚槽内因张拉施工而裸露的钢绞线一经张拉锁定，仍采用PE套管加注油脂防腐。4 由于两方案在压水试验时均因上部止水漏水而停止，这足以说明止水施工质量难以保正。因此，对排沙洞的结构止水施工已提出更严格的施工要求。5 为确保施工质量，在排沙洞预应力混凝土衬砌施工前，已在1#排沙洞帷幕上游选择了 无粘结、有粘结方案比较意见。 表2项目无粘结方案 （A）有粘结方案 （B）评估及建议（C）一施工质量 1.1A施工中钢绞线架立方便，预应力张拉后无需灌浆。但钢绞线定位

16、难以保证，易受其它施工活动影响。 1.2A PE保护管和油脂对钢绞线防腐有利。但PE保护管损坏将影响张拉效果。 1.3A锚具槽宽、深、长分别为0.26、0.25、1.50M，锚槽总数5000个，布置在起拱线以下±600范围内，便于张拉操作和回填混凝土，薄弱部位少，结构整体性好，施工质量易保证。 1.4A钢绞线间距0.45M，分缝、止水易布置。 1.5A锚槽内有钢绞线16根，锚具尺寸小，混凝土保护层增加4CM。 1.6A张拉后裂缝沿环向扩展，裂缝宽0.10.4MM，锚槽口也出现约300的裂缝。 1.7A锚具失效，预应力全部损失。 1.1B钢绞线定位准确。但钢绞线穿束较无粘结方案困难，钢

17、绞线张拉后要对波纹管灌浆。 1.2B钢绞线穿束后应及时张拉灌浆。遇水留存波纹管内，对钢绞线防腐不利。 1.3B锚具槽宽、深、长分别为0.34、0.25、2.0M，锚槽总数9000个，沿圆周布置。顶拱部位锚槽张拉、回填困难，质量难以保证。 1.4B钢绞线间距0.25M，分缝、止水布置困难。 1.5B锚槽内有钢绞线24根，锚具尺寸大，混凝土保护层增较薄。 1.6B张拉后裂缝沿锚具槽口环向扩展1.02.0M。 1.7B锚具失效，预应力局部损失。 1.1C无粘结方案优。但要保证钢绞线定位准确，必须增加定位架立筋。 1.2C无粘结方案优。 1.3C无粘结方案优，减少锚槽4000个，工期短，混凝土回填质量

18、有保证。 1.4C无粘结方案优。 1.5C无粘结方案优。 1.6C两方案张拉后均有裂缝出现，必须改进张拉程序，分荷加载。改进槽口布筋。 1.7C有粘结方案中，锚具失效混凝土将被拉裂。二受力特性 2.1A钢绞线张拉后，相邻钢绞线的应力差异小，形成环向和洞轴向均匀的应力分布。 2.2A磨擦损失小，K1=0.0007时，1=0.033。建立的混凝土平均有效压应力10.4 Mpa，环向和轴向应力波动<5%，径向收敛变形-1.62-2.84MM。 2.3A锚槽外圈有8根预应力钢绞线，受力条件好，槽口两侧存在混凝土拉应力集中，但应力区域较小。 2.1B各钢绞线互相挤压，受力不均匀，有断丝现象。 2.2B磨擦损失大，K2=0.0015时，2=0.226。建立的混凝土平均有效压应力7.38 Mpa，环向和轴向应力波动>15%，径向收敛变形-0.59-1.