预应力环锚技术在九甸峡水利枢纽调压井中的应用

张少杰 吴利平 席怀勇

（1.甘肃省水利水电勘测设计研究院 兰州 730000；2.四川中顶建设工程有限公司 成都 610041）

1 工程概况

九甸峡水利枢纽工程是以城乡生活供水及工业供水、生态环境用水为主，兼有农业灌溉、发电、防洪、养殖等综合功能的大型水利枢纽工程。工程位于甘肃省卓尼、临潭两县交界，黄河支流洮河中游的九甸峡峡口处，距离兰州市193km。工程等别为Ⅱ等，规模为大⑵型，主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、左岸两条表孔溢洪洞、右岸有压放空泄洪排砂洞、右岸总干渠进水口、右岸引水发电系统及地面厂房等。混凝土面板堆石坝最大高度133m，总库容9.43亿 m3，水库正常蓄水位为2202.00m，校核洪水位2205.11m。电站总装机容量300MW，年发电总量为9.94亿kW·h。大坝为1级建筑物，其它主要建筑物溢洪洞、放空泄洪排砂洞、引洮供水取水口、引水发电系统 （包括隧洞、调压井、高压管道等）及厂房为2级建筑物；临时建筑物按4级建筑物设计。工程坝址区地震基本烈度为7°，设计烈度为8°，相应地震动峰值加速度0.283g。

调压井位于厂房后边坡上，边坡高度大于90m，边坡类型为岩土混合型。该边坡处于桥道堡区域大断层的上盘，紧邻断层，受其影响，断裂构造发育，岩层扭曲破碎，岩体风化较严重。组成后边坡的岩性复杂，主要以灰岩为主，但粉砂岩、页岩和泥灰岩的不均匀分布。粉砂岩胶结差，遇水崩解；页岩和泥灰岩岩性软弱，抗风化能力差，遇水具粘塑性；灰岩致密坚硬，不易风化，单轴饱和抗压强度68.7MPa，弹性模量10.2×104MPa，泊桑比0.24，纵波速4560～5680m／s。调压井基础位于背斜核部，岩层以小角度倾向岸里或近于水平，无较大断裂构造发育，但裂隙较发育，岩石透水性中等 （Lu＜20），无地下水，井壁围岩岩体属Ⅳ类围岩，地质条件较差。故调压井需严格按限裂设计，控制调压井衬砌裂缝渗水对厂房后边坡稳定的影响。

2 调压井设计

引水发电系统包括岸塔式进水口、压力引水洞、调压井及高压管道等建筑物，其中调压井中心线位于引水洞桩号2＋255.22m处，采用阻抗圆筒式结构，井筒直径22m，阻抗孔直径5.4m。正常静水位2202.00m，最高涌浪水位2223.98m，最低涌浪水位2155.39m，井筒底板高程2137.0m，顶高程2226.00m。

结合调保计算成果及地质情况，考虑到在最高涌浪水位下，调压井下部结构受水压力较大，阻抗孔附近pD值达到1610，对调压井井身按照平面结构力学法计算可见，采用常规的钢筋混凝土衬砌结构，要控制衬砌结构裂缝小于0.25mm是难以实现的，因此，对调压井下部结构局部考虑采用无粘结后张预应力混凝土衬砌，来改善衬砌结构的受力条件，混凝土衬砌厚度为2m。

通过采用Asnsys软件三维模拟分析，在高程2151.0～2171.0m高程范围内施加26排预应力锚索，排距为0.8m，在2172.2～2179.4高程范围内施加7排预应力锚索，排距为1.2m，每束锚索的张拉力均为2000kN。设计剖面见图1。

图1 调压井设计剖面图

3 预应力环锚的设计

每束环向锚索由14根公称直径为￠＝15.7mm、标准强度为f＝1860MPa的无粘结钢绞线组成，单根长79.4m，设计张拉力为2000kN。

图2 钢绞线及锚具槽布置图

为提高预应力度，钢绞线靠近衬砌的外侧布置，但在锚具附近由于加载的需要，钢绞线要在锚具槽口附近通过一段由小半径圆弧段向内侧弯曲并与大半径圆及连接锚具的直线段相切，最终通过钢绞线张拉后锁定。因此，钢绞线在调压井内的布置是近似同心圆。锚具槽在环向的布置对钢绞线张拉后混凝土应力分布影响很大，为了使结构处于良好的受力状态，又要方便施工，锚具槽的布置是至关重要的。设计方案拟定沿圆周间隔60？布置一个锚具槽，如图2所示。锚具槽尺寸为2.0m （长）0.4m （宽）0.6m （深）。

根据有限元平面分析，预留的锚具槽会在张拉过程中产生应力集中现象，所以分层张拉时应该使相邻两层钢绞线的锚具槽错开尽可能大的角度。

4 预应力环锚的施工

（1）下料。钢绞线采用￠15.7mm标准强度1860MPa的高强度低松弛无粘结预应力钢绞线。下料前首先对进场的钢绞线进行外观检查；如PE护套有轻微划伤的，按照技术要求规定采用防水乳胶处理；如有严重破坏的则禁止使用。下料时严格控制下料的准确性，并将下料完成的钢绞线两头编排序号，作为标记，以防在穿锚垫板时出现错位；调压井环锚的设计断面尺寸为76.54m，加张拉端、锚固端的预留工作长度以及允许的安装误差，确定下料长度为79.5m，下料完成后的钢绞线，立即将其重新单根盘起，堆放整齐并予以遮盖防护。

（2）锚索的安装。严格按照设计高程进行施工放线，如此大断面的环形锚索，在平面高程的控制上要求十分严格；首先根据基准高程放出每一环的高程，再加密每一层的控制点为30个，径向控制以模板边界进行控制，径向点在架力筋完成后放样，并通过基准点进行校核。

安装过程中，钢绞线按照要求顺序码放整齐，不得打扭；整齐穿索完成后，每隔1.5m扎一道束紧环，并用铅丝与架力筋绑扎牢固，索体在穿锚垫板的时候，必须注意钢绞线不能交叉，并严格控制索体两头的搭接长度；索体安装完成后，采用棉纱将钢绞线护套擦拭干净。

（3）锚具槽施工。在安装钢绞线之前，首先安装锚具槽，并严格按照设计要求严格控制其尺寸位置；在新浇混凝土脱模并拆除锚具槽模板后，采用风镐配合錾子对锚具槽各个面进行凿毛，凿毛时注意钢绞线的PE防护套不得损坏。

锚具槽回填混凝土级别为C30自密实微膨胀混凝土，以便使二期混凝土浇得更密实。

模板采用5mm厚的开口弧形钢模板，混凝土浇筑完成拆模后，清除超浇的三角体混凝土并打磨光滑。

（4）张拉施工。衬砌混凝土浇筑完成且强度达到设计强度等级的75%后，用集张拉端与固定端于一体的HM锚具将锚索连接安装，用专用变角张拉装置对锚索进行张拉并锁定。通过锚索张拉变形挤压PE套和混凝土，使混凝土衬砌环受到径向挤压力和切向拖曳力，从而使环向衬砌截面形成预应力。

为了在张拉时避免相邻两束锚索间的张拉力差值过大导致衬砌混凝土产生局部过大的拉应力而破坏，锚索每循环的张拉按360°为一张拉单元，一单元中六根锚索按两两相对关系编为三组，每次张拉只有一组进行同时张拉，或每个单元内的锚索间隔顺序张拉。

张拉前先对所有锚索单根设计张拉力的20%进行预张拉，然后锁定。

5 结语

九甸峡水利枢纽调压井直径大，承受的内水水头高，采用常规的钢筋混凝土结构衬砌，难以满足结构限裂要求，经多方案比选，井筒衬砌采用预应力环锚设计，设计张拉力为2000kN。

根据有限元分析，采用预应力锚索后，有效的降低了衬砌结构的应力，选择合理的设计参数后，可以保证衬砌结构满足限裂要求。

根据水库水位蓄至2092.8m时，机组进行了甩负荷试验，产生涌浪高3.0m，从衬砌结构内部钢筋计及渗压计监测数据反映的结果看，调压井结构良好，未出现裂缝，结构应力值远小于容许应力值。

可以说，调压井的设计是合理的，预应力环锚技术在本工程中的应用是成功的。

1 郭文中 .消能防冲原理与水利设计，科学出版社，1982 2 武汉水利电力学院 .水利计算手册，水利电力出版社，1980