预应力锚索施工技术在西藏林芝老虎嘴水电站高边坡加固中的应用

杨华斌

(中国人民武装警察部队水电第十一支队,四川成都 610036)

1 工程概况

老虎嘴水电站位于西藏林芝工布江达县巴河干流上,是巴河巴松湖以下河段梯级开发规划的第七个梯级。巴河出口处多年平均流量为 184 m3/s,多年平均径流量为 58.03亿 m3。

本工程为三等(中型)工程,枢纽主要建筑物按 3级建筑物设计;次要建筑物按 4级建筑物设计。其防洪标准为:挡、泄水建筑物按 100年一遇洪水设计,500年一遇洪水校核;厂房按 50年一遇洪水设计,200年一遇洪水校核。

枢纽布置从右至左布置的建筑物依次为泄洪洞、导流洞、右副坝、进水口坝段、发电厂房、尾水渠、中间混凝土坝、表孔溢洪道及左副坝,开关站布置在中间坝段;坝顶长为 272.70m,坝顶高程为 3299.00m。电站引水流量为 208m3/s。

2 锚索设计

2.1 设计概述

锚索是通过外端固定于坡面、另一端锚固在滑动面以内的稳定岩体中穿过边坡滑动面的预应力钢绞线,直接在滑面上产生抗滑阻力,增大抗滑摩擦阻力,使结构面处于压紧状态,以提高边坡岩体的整体性,从而从根本上改善岩体的力学性能,有效地控制岩体的位移,促使其稳定,达到整治顺层、滑坡及危岩、危石的目的。

老虎嘴水电站在进行导流洞、泄洪洞出口边坡开挖支护时,虽然按照“开挖一级,支护一级”的方式自上而下施工,对开挖后的边坡按设计图纸及时进行了常规支护,但由于边坡地质条件差、岩体破碎,开挖后的边坡在下部形成了较大范围的塑性区,边坡变形加大,导致开挖边坡及顶部自然边坡产生了一系列的拉裂缝(坝下桩号 0+110以下右岸山坡坡顶出现 17条裂缝,最大宽度达1.0m以上),且呈扩张趋势,边坡监测数据显示,裂缝宽度以每天 2～5mm的速度增大,随后发生多次较大规模塌方。受出口山体变形影响,导流、泄洪隧洞开挖后的出口段的支护钢支撑受压变形严重,若不及时进行边坡加固处理,将影响已开挖的隧洞安全,后期 C1标的大坝及厂房开挖则不能按期进行,必将影响老虎嘴水电站的整体工期。

为确保出口边坡及导流、泄洪隧洞的稳定和施工安全,满足 C1标大坝及厂房开挖的工期要求,业主组织监理、设计及施工单位对现场进行了详细查勘,经多次召开专题会议进行讨论研究后,针对出口及右岸边坡加固采取了切实可行的治理措施,其中采用了大量的预应力锚索对边坡岩体和过水隧洞进行了预应力锚固,加固效果明显,目前边坡已基本稳定,并按期进行了 C1标大坝及厂房的土石方开挖施工。

2.2 锚索布置原则

根据老虎嘴水电站导流洞、泄洪洞出口边坡拉裂缝特点及地质情况,对导流洞、泄洪洞出口边坡采取了以下锚固措施(图 1)。

第一步:实施 A、B区加固。首先对泄洪洞、导流洞之间出洞内 30m范围内的岩体进行预应力锚索对穿加固,对泄洪洞出口洞内 30m范围内的右侧壁进行预应力锚索加固,锚索规格均为500kN,L=20m,不允许超张拉,锚索间排距为 4 m,双排、错开布置;完成泄洪洞顶部 3260m高程以下的锚索施工,锚索规格为 1000kN,L=30m;再完成导流洞顶部边坡 B区预应力锚索加固,锚索规格为 1000kN,L=40m,两部位的锚索布置间、排距均为 4m;对图 1中的 L1拉裂缝进行了锚杆、预应力锚索锁缝,即从距该裂缝 8m处开始打两排 1000kN预应力锚索,深度分别为 30m、40m,间排距 4m,错开布置,锚索张拉力为 1000 kN。

第二步:实施 C区加固。对泄洪洞顶部3290m高程以上边坡进行预应力锚索加固,锚索规格为 1500kN,L=55m,间距 4m,排距 6m,锚索张拉力为 1500kN。

第三步:实施 D区加固。对泄洪洞顶部3260～3290m高程范围内的边坡采用锚筋桩加固,锚筋桩规格为 3φ32,L=15m,间排距 4m,梅花型布置;对老旅游公路以上侧面边坡进行锚索加固,坝下 0+190以下至泄洪洞开挖边坡间的锚索为 1000kN,深度从 40m开始,由泄洪洞开挖边线向上游 60m范围内每向前 20m深度增加10m,间排距为 4m×6m。

第四步:对坡顶拉裂缝进行复合土工膜覆盖和碎石回填处理,对开口线以上适当范围采用被动防护网处理。采用的预应力锚索基本设计参数见表1。

3 锚索施工技术

施工工艺及流程见图 2。

表1 老虎嘴水电站泄洪洞、导流洞出口边坡预应力锚索基本设计参数统计表

3.1 施工准备

(1)钻孔定位编号。

锚索钻孔编号。A-Ms/Mg-N。

其中 A表示施工区域;Ms为锚索施工;N为钻孔编号,用 1、2、3….表示。

(2)孔位测放。

孔位严格按设计图纸所示位置布置,用红油漆标示并注明孔号。

图2 施工工艺及流程图

(3)钻机就位。

为保证钻孔质量,钻机就位要准确、稳固。

调整钻机立轴轴线方位角与锚索孔设计方位角一致。使用地质罗盘测量,调整钻机立轴轴线倾角与锚索孔设计倾角一致。钻进过程中,随时使用地质罗盘校核钻孔。

用卡固扣件卡牢钻机,使钻机牢固固定在工作平台上。试运转钻机,再次测校开孔钻具轴线和倾角,使其与锚孔轴线和倾角一致,然后拧紧紧固螺杆。施工过程中,一直保证卡固扣件紧固状态,并定期进行检查其牢固情况。上下平台吊装钻机设备时,在平台管架上安装手动葫芦,葫芦吨位大小为提升重量的 3倍以上;承载的立杆、横杆应加密,操作人员应佩带安全帽、保险绳;吊装平台部位以下不得有人并设置专人指挥。

3.2 锚索孔造孔

(1)造孔设备。

用潜孔冲击式钻机或地质钻机造孔,500kN级锚索采用采用 φ90冲击器成孔,1000kN级锚索采用 φ110冲击器成孔,1500kN级锚索采用φ120冲击器带 φ135纤头成孔。造孔施工时,根据设计孔径选用 φ73、φ89钻杆。

(2)钻进工艺参数(表 2)。

表2 潜孔锤冲击回转钻进工艺参数表

(3)造孔注意事项。

造孔采用干钻,开孔前,清除孔口附近松动岩块。开孔时,严格校检钻具的倾角及方位角,不得对设计的倾角进行修改。

(4)破碎地层段的钻进措施。

钻进遇破碎地带时钻具会发生跳动,钻进负荷加大,甚至会发生坍孔、卡钻、埋钻等事故,给正常钻进带来不利影响。为保证成孔质量及效率进行了超前固壁灌浆,待凝等强后继续钻进。固壁灌浆采用纯水泥浆液灌浆。

灌浆原则:采用自下而上分段不待凝纯压式灌浆,锚固段段长不宜大于 6～7m,张拉段段长不宜大于 8m。

①灌浆材料:水泥采用强度等级不低于 42.5级的普通硅酸盐水泥,灌浆用水符合控制水工混凝土要求,制浆时可根据实际需要掺入适量速凝剂或早强减水剂。

②主要机械设备:

a.制浆:ZJ400或 200×200型制浆机,严格按照设计水灰比准确配料,搅拌时间大于 3min,且自制备至使用结束时间不超过4h,浆液温度保持在 5℃～40℃。

b.灌浆:3SNS高压注浆泵或 BW-200型泥浆泵。灌浆压力在不外冒的情况下适当加压即可,一般在 0.3～0.5MPa之间。灌浆采用自动记录仪进行记录 。浆液比级采用 0.5∶1、0.4∶1、0.35∶1三个比级。由稀到浓,按规范要求进行变换灌注,开灌水灰比为 0.5∶1,在注入量特别大的情况下应继续提高浆液浓度,拌制 0.4∶1水灰比的浆液进行灌注。锚孔固壁灌浆可采用制浆加减水剂并掺速凝剂,以迅速封闭锚孔周边裂缝。为避免浪费浆液,在合理的压力下,灌浆孔(段)注入率不大于 2L/min时,延续 10min即可结束。

③钻孔固壁灌浆应单钻单灌,逐个灌浆并严格控制灌浆压力。注意观测钻孔周边岩体有无漏浆或抬岩情况,严防产生拉裂及倾倒破坏,如发现严重串孔,应会同设计和监理人员采取有效的补救措施。

④灌浆特殊情况的处理:在任何情况下,单次灌浆注入水泥量超过 20t时必须间歇,并按以下不同情况分别进行处理。

a.冒 (漏 )浆的处理:灌浆过程中,如地表、岩壁或混凝土缝发生冒(漏)浆现象时,可根据其量的大小采取以下处理措施,如冒浆量小并持续减少可不作处理,正常灌浆结束。

地质构造处理:当钻孔穿过断层、破碎带且发生塌孔、掉块或集中渗漏时,应立即停钻查明原因,一般可采取缩短段长进行灌浆处理后再进行下一段的钻灌作业。

串浆孔的处理:灌浆过程中,若发生灌浆孔串通的现象,对于串浆孔具备灌浆条件的可同时并联灌浆,但孔数不得超过 3个;对于串浆孔不具备灌浆条件的可采取孔口封堵,待灌浆结束后再扫孔灌浆。

b.中断处理:灌浆工作须连续进行,因故中断应尽快恢复灌浆,恢复灌浆时使用开灌水灰比浆液灌注,如注入率与中断前相近可改用中断前的水灰比浆液灌注;如恢复灌浆后注入率较中断前减少很多且在短时间内停止吸浆,报监理等相关单位研究相应的处理措施。

c.大漏量孔段的处理:灌浆时,若遇注入率大、灌浆难以正常结束时应暂停灌浆作业,对灌浆影响范围的隧洞、结构分缝、地质缺陷等进行彻底检查,如有串通,采取措施后再恢复灌浆。灌浆时可采用低压、浓浆、限流、间歇灌浆法灌浆,必要时可掺加适量速凝剂灌注,该段处理后待凝 24h再重新扫孔、补灌。

⑤灌浆全过程严格按照程序化管理施工,及时、准确记录灌浆情况,发生异常情况及时向监理工程师报告。

⑥扫孔作业宜在灌浆结束 1～2d进行,扫孔不得破坏缝内充填好的水泥结石;扫孔程序按造孔程序执行并达到设计孔位、倾角及孔深要求;扫孔后应用去油高压风清孔,孔内不留废渣、岩芯。

(5)清 孔。

钻孔完毕,用压缩风冲洗钻孔,直至孔口返出之风手感无尘屑,延续 5～10min,孔内沉渣厚度不大于 20cm。

(6)钻孔检测。

钻孔清孔完毕,进行钻孔检测,合格后进行下锚工作。

3.3 预应力锚索的制作、安装与灌浆

无粘结式预应力锚索使用无粘结钢绞线,采用全孔一次注浆,其施工工艺流程(图 3)为:

(1)锚索制作。

图3 无粘结式预应力锚索施工工艺流程图

锚索制作应在有防雨设施的加工厂完成。钢绞线下料前,将钢绞线放在平坦、干净的水泥地面或木制工作平台上摊开理直,根据实际钻孔深度及锚具长度用钢尺丈量,砂轮切割,严禁用电弧切割。下料切口两侧用 20#铅丝绑扎,以免切割后切口松开。钢绞线下料长度为锚索设计长度、锚头高度、千斤顶长度、工具锚和工作锚板厚度与预留长度(一般为 200mm)的总和。

内锚固段编制成枣核状,张拉段采用直线形状。将截好的钢绞线平顺地放在作业台架上,量出内锚固段和张拉段长度并分别作出标记;在内锚固段的范围内穿对中隔离支架,间距 1m,两对中支架间用铅丝扎紧固环一道;最后,在锚索端头套上导向帽。张拉段每隔 1.5m设置一道对中支架,端头 2m区段内加密到 1m,两对中支架间用铅丝扎紧固环一道。钢绞线与锥形导向应牢固联结,嵌入锥形导向帽的每根钢绞线长度应一致。钢绞线成束后进行检查验收,对合格的锚索登记挂牌,标明锚索编号、锚索长度,防止装错孔位。

在锚索锚固段和张拉段的交界处设置定位止浆袋;在锚固段安装一根回浆兼排气管(3/4")和一根灌浆管(1"),在张拉段另设一根灌浆管,张拉段排气管在浇筑外锚墩时预埋 1.5"钢管。

(2)锚索安装。

向锚索孔装索前,核对锚索编号是否与孔号一致,确认无误后,再以高压风清孔一次即可着手安装锚索。人工将锚索运到孔口并送入孔内,锚索入孔时索体弯曲半径不小于 5m,导向帽、隔离架等附件用 12#铁丝与索体绑结牢靠,防止脱落。

安装上倾和水平锚索时应注意以下四点:①检查定位止浆环和限浆环的位置,若有损坏,应按技术要求更换;②检查排气管的位置和畅通情况;③将锚索送入孔内,当定位止浆环到达孔口时,停止推送,安装注浆管和单向阀门;④锚索到位后,再检查一遍排气管是否畅通,若不畅通,拔出锚索,排除故障后重新送索。锚索入孔后,对锚固段及时进行注浆,张拉作业在 15d内进行,避免钢绞线锈蚀。

(3)外锚墩浇筑。

锚墩的作用是把锚具的集中荷载传递到岩面并调整岩面受力方向,锚索外锚墩混凝土浇筑在条件允许时可与锚索锚固段灌浆同时进行。

在混凝土浇筑前清除锚墩基础面范围内的松动岩块,在钢垫板与钻孔之间安装外径与钻孔直径相同的薄壁定位钢管(长 100～120cm),伸入钻孔至少 40cm。定位管外焊 300mm×300mm×40mm承压钢垫板。为保证其稳固可靠,定位管与外锚墩内的 φ22插筋焊接,外锚墩上承压钢垫板应与锚索轴线垂直。安装钢垫板后,再用M10-L=100mm带帽螺栓加固。外锚墩钢筋采用 φ22、φ12两种,钢筋保护层厚 30mm。各种安装件、模板安装完成并经检查无遗漏、偏差值符合要求后,进行外锚墩 C30混凝土浇筑。混凝土浇筑时,应加强振捣,确保混凝土填充密实,避免振捣棒与安装件接触碰撞,以免其移位、变形。外锚墩混凝土浇筑 12～18h后即可拆模养护。

(4)锚索灌浆。

锚索灌浆分锚固段灌浆和张拉段灌浆两部分,锚固段灌浆在锚索入孔后即可进行,张拉段灌浆在锚索张拉锁定后进行。

锚固段、张拉段注浆一般采用纯水泥浆(或水泥砂浆),其中锚固段水泥浆标号为 C40(或M40),张拉段水泥浆标号为 C30(或 M30),严格按实验室提供的配比拌制浆液,采用灌浆自动记录仪记录。锚固段灌浆开始前,通过灌浆管送入压缩空气,将孔道的积水排干。锚固段注浆时采用排气法注浆,对下倾孔,注浆管插至孔底,浆液由孔底注入,空气由止浆袋处的排气管排出;上倾和水平孔浆液由止浆袋处注入,空气压向孔底,由孔底进入排气管排出孔外。锚固段和张拉段灌浆压力均控制在 0.3～0.5MPa,排气管回浓浆后即以 0.5MPa的压力闭浆,闭浆时间为 30min。

灌浆结束标准:①灌浆量大于理论吸浆量;②回浆比重不小于进浆比重,且稳压 30min,孔内不再吸浆。

(5)锚索张拉(图 4)。

图4 锚索张拉流程图

安装好工作锚具(含锚板、夹板和限位板)。当内锚固段注浆和垫墩混凝土的抗压强度均达到30MPa以上时即可张拉锚索,锚索张拉按以下程序进行:

张拉前,应对张拉设备进行认真检查和标定,张拉设备必须配套率定并绘制压力表读数——张拉力关系曲线,以指导现场张拉作业,张拉过程中,应密切监视岩体的变形。选用的千斤顶出力应满足超张拉要求,一般不宜大于设计张拉力的1.5倍,但不宜超过设计张拉力的 2倍。现场张拉用的压力表精度不低于 1.5级,并用精度不低于 0.4级的压力表标定,工作压力值应控制在压力表量程的 25%～75%。

锚索张拉一般采用超张拉持荷稳定、超载安装施工方法,群顶整体张拉;当千斤顶不能满足要求时,则采用分组分束张拉。

锚索张拉过程分单股预紧张拉和整束分级张拉两个阶段:单股预紧应进行两次以上,预紧实际伸长值应大于预紧理论值,且两次预紧值之差应在 10%在内,以使锚索各股钢绞线受力均匀,再进行整束张拉;整束张拉共分四个量级进行,即张拉荷载分别按设计张拉力的 50%～115%逐级依次进行,并应控制最大张拉力不得超过预应力钢材强度标准值的 65%。

锚索张拉过程中,千斤顶加荷载时应平稳、均匀、徐缓,升荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的 1/10;卸荷载降压时,应缓慢打开回油阀门,使压力表指针平稳下降,卸荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的 1/5。

根据代表性监测锚索的应力变化情况确定代表区域锚索是否需要进行补偿张拉。一般情况下,监测锚索荷载损失变化幅值满足规定指标即预应力损失小于设计张拉力的 10%的区域原则上不进行张拉。对于有补偿张拉要求的锚索,应在张拉锁定后 3～7d进行,补偿张拉的张拉力为超张拉力。

(6)封孔灌浆和外锚头保护。

锚索张拉锁定以及补偿张拉工作结束后进行封孔灌浆,封孔灌浆材料与锚固段灌浆材料相同。为保证所有的孔隙都被浆液回填密实,在浆液初凝前必须进行不少于 2次补灌,当浆液凝固到不自孔中回流出来之前,保持不小于 0.5MPa的压力进行拼浆。

锚索补偿注浆结束后,对孔口部位的锚索及外锚头进行保护。先切去工作锚板预留 100mm以外多余的钢绞线,用 C20混凝土按图纸要求对锚头进行保护,封头底部包住锚垫板。

4 结 语

西藏林芝巴河老虎嘴水电站高边坡拉裂缝通过锚索加固施工,保证了边坡稳定和导流、泄洪隧洞的安全,并按期进行了 C1标大坝及厂房的土石方开挖施工,同时,为今后处理此类工程问题提供了参考和借鉴。