压力分散型锚索张拉预应力偏差原因分析

王洪超（浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州　311100）



压力分散型锚索张拉预应力偏差原因分析

王洪超
（浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州311100）

【摘 要】锚索预应力损失的原因和影响因素是多方面的，本文通过对压力分散型锚索张拉预应力偏差的分析，总结了问题造成锚索张拉偏差的原因及影响因素，通过采取有效的改进措施，达到了减少应力损失的目的。

【关键词】压力分散型锚索；张拉；偏差原因；分析

1 工程概况

长河坝水电站是大渡河梯级开发中的第10级电站，位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，以发电为主，无航运、防洪及灌溉要求，采用水库大坝、首部式地下引水发电系统开发。电站枢纽主要由砾石土心墙坝、右岸泄洪放空系统、左岸引水发电系统组成；大坝为黏土心墙堆石坝，坝高240m，正常蓄水位以下库容10.15亿m3，总库容10.75亿m3，单机容量650MW，总装机容量2600MW，年发电量107.9 亿kW·h。

水电站位于大渡河干流深山峡谷河段，地质条件复杂，地应力较高；工区相对于工程规模而言较为狭窄，施工布置困难，且有较多的高陡边坡，开挖高差大，支护强度高，施工难度较大。从工程总体地质条件看，工程边坡无区域性断裂通过，地质构造以次级小断层、节理裂隙及多组结构面为特征，小断层及层间挤压带较发育，不存在控制边坡稳定的软弱结构面，边坡整体稳定。

2 应力偏差

长河坝水电站工程高边坡较多，支护采用深层锚索和浅层锚杆相结合的方式。据统计，整个工程边坡布置锚索多达7000束，监测锚索数量约为10%。锚索采用压力分散型自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索（简称压力分散型锚索，见图1），且具有克服锚固段应力集中、有效防腐、有效减小孔径、全孔一次注浆、可进行二次补偿张拉等特点。锚索施工严格按照设计要求采用逐束、循环、分级张拉，但根据现场监测锚索施工数据统计，每级一循环张拉后测力计测读数据与实际张拉数据（压力表千斤顶）存在较大的偏差。为查明锚索应力出现偏差的原因，选择3束监测锚索作为试验锚索，进行生产性试验，具体试验成果见表1～表3。

图1　压力分散型锚索结构示意图

仪器名称：锚索测力计；仪器型号；NZMS-2000；设计编号；PR8；仪器编号；WCYD0846；埋设位置：泄洪洞出口边坡；埋设高程：1662m；设计吨位：2000kN；安装日期：2013年11月22日；率定系数：7.353；0℃电阻：78.25Ω；零下温度系数：5.19；零上温度系数：4.77。

表1　锚索测力计原始记录及计算

仪器名称；锚索测力计；仪器型号：NZMS-2500；设计编号：PR9；仪器编号：XHYD0602；埋设位置：泄洪洞进口边坡；埋设高程：1740m；设计吨位：2500kN；安装日期：2013年9月21日；率定系数：9.843；0℃电阻：75.07Ω；零下温度系数：5.36；零上温度系数：4.91。

表2　锚索测力计原始记录及计算

仪器名称：锚索测力计；仪器型号：NZMS-2500；设计编号：PR14；仪器编号：WGYD0607；埋设位置：泄洪洞进口边坡；埋设高程：1735 m；设计吨位：2500kN；安装日期：2013年10月29日；率定系数：8.961；0℃电阻：76.77Ω；零下温度系数：5.30；零上温度系数：4.86。

表3　锚索测力计原始记录及计算

通过试验锚索张拉数据统计分析，发现锚索在张拉完成一个分级循环后，测力计测读数据与张拉压力表数据存在明显的应力偏差，且偏差值随着锚索张拉吨位的增加呈减小趋势。由于锚索采用单根分级张拉，若每根锚索张拉吨位与压力表显示数据存在一定的偏差，则张拉后锚索理论总应力与实际应力就会存在较大偏差。

3 影响因素分析

3.1 锚索的结构特点压力分散型锚索主要由导向帽、单锚头、锚板、注浆管、高强低松弛无黏结钢绞线等组成，适用于岩石裂隙较为发育和破碎的岩体，在地质条件较差、岩体较为破碎或发育较强的工程项目上有着较广泛的使用经验；其主要特点是通过多组锚头将锚固点由原来的一点，整体均匀地分布到一段，通过将预应力分散到多个承载体上，避免了预应力集中的问题。在总预应力不变的前提下，减少每段岩土体的预应力值，充分发挥和利用岩土体整体力学性能，减少锚索张拉后因岩石破碎蠕动变形而导致的预应力大幅损失。

3.2 锚索张拉工艺分析

锚索张拉采用以应力控制为准、伸长值校验的双控操作方法。在锚索施工过程中，先进行单根预紧张拉，使锚索各束钢绞线充分受力均匀后，再逐束进行分级张拉，分级张拉系数为σcon（设计张拉控制应力）的0.2、0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍，加载、卸载速率缓慢平稳，速率分别控制在每分钟不超过0.1σcon和0.2σcon，稳压持荷时间按照5min进行控制。

锚索预应力损失主要分为张拉锁定过程中的应力损失和锁定后的应力损失，前者主要受张拉过程操作的规范性、工器具的配套适用性及施工工艺影响，而后者主要受岩层地质条件、施工影响以及应力自然衰减影响。为充分掌握锚索张拉压力表与测力表的数据偏差量，在锚索张拉施工前对锚索张拉千斤顶、压力表及测力计分别进行率定、检验，并将锚索千斤顶、压力表与测力计进行配套率定，以验证二者数据的一致程度和准确性，进而指导现场的锚索张拉施工。通过配套率定试验验证，锚索张拉压力表与测力计数据偏差不是很大，一般在3%～5%左右。

3.3 主要影响因素

3.3.1 地质条件

工程边坡地质条件复杂，岩体较为破碎、节理发育，且存在较多的裂隙或裂缝；通过锚索钻孔资料验证，山体卸荷、裂隙发育，属强卸荷区，局部存在孔内掉块、空洞及裂隙等现象，判断为水平和垂直坡面裂隙的可能性较大。

实际施工过程中，锚索钻孔经常出现卡钻、掉块等现象，致使成孔困难，施工效率较低。为加快锚索成孔速度，提高施工效率，并降低工程投资，以保证成孔为目的，仅对锚索孔进行固壁灌浆。灌浆采用自流无压力浆液，并在孔口采取加砂、推水泥球等措施，然后待凝、扫孔、钻进，直至最终成孔，而未真正对岩体裂缝、孔洞进行有效的封填，以致在锚索张拉后，出现岩体蠕动变形，压缩了岩层、裂隙间的空间距离，从而造成锚索预应力损失。

3.3.2 爆破的影响

根据《水利水电工程爆破施工技术规范》（DL/T 5135—2013）要求，锚索封孔灌浆3d内的质点振动速度不得大于2.0m/s，3～7d内爆破产生的质点振动速度不得大于5.0cm/s。而对于高边坡施工，为确保高边坡的稳定及施工安全，严格要求支护的及时性，特别是深层锚索支护，受工期进度的影响，开挖爆破在一定范围内是允许，以控制安全距离50m为宜。

开挖爆破对周围破碎岩体的影响可能更大，特别是大的爆破后，应力出现时大时小变化，反复出现对其受影响范围产生影响，首先是内锚段（黏结力、机械嵌固力、表面摩擦力），其次是外锚固（锚具与钢绞线之间的相对位移、锚板与夹片之间相对位移等）。

3.3.3 边坡锚固力的影响

从邻近监测仪器数据（多点位移计）成果分析，没有影响边坡安全的变形，但存在表观的缓慢蠕动变形，呈逐步收敛趋势。而整个边坡采用深层锚索系统支护，锚索锚墩之间采用框格梁连接，锚索张拉完成后，锚墩受力全部作用于框格梁上，进而使整个边坡处于一个整体状态，故而可能对单个锚索的受力造成削弱，以致锚索应力变小，形成预应力损失的假象。

3.3.4 仪器及设备本身的原因

为确保锚索夹具与夹片的适用性、匹配性，采用同一正规厂家生产的锚具及夹片，并经外委质量检测，锚具及夹片检测质量合格，且能够满足使用要求。而通过对仪器率定情况分析，仪器本身初始空载读数变化存在较大差异，基本与配套率定成果保持一致，况且配套率定也不可能完全模拟孔内的情况，不能测定钢绞线之间应力不均匀性影响。另外，高原地区环境温度变化（温差变化较大）及气压亦有可能产生一定的影响。

3.3.5 施工工艺

压力分散型锚索因内锚点位置不同，钢绞线长度也不同，因此同一张拉应力下钢绞线伸长值也不相同，故而需进行单束分级循环张拉。张拉机具采用穿心式前卡千斤顶，千斤顶前端配置专用顶头，该千斤顶操作程序简单方便，节省操作时间，使用安全可靠；但在实际施工过程中，也发现该方式张拉存在一定弊端，主要是锚索张拉千斤顶顶头键槽深度问题（见图2），若槽深过大，则易造成锚索锁定时夹片回缩距离增大，应力损失加大；反之，由于夹片活动空间太小，造成夹片行程过小，致张拉时夹片不能完全松开钢绞线，张拉应力被消耗到夹片与钢绞线的摩擦力上，从而造成钢绞线表层受损严重（见图3）。

图2　张拉专用锚头键槽深度

图3　锚索张拉中钢绞线损坏严重

通过对生产性试验中钢绞线张拉受损情况的观察，可以充分说明键槽深度偏小是造成问题的主要原因。从试验锚索的张拉过程进行锚索的受力分析。设P为压力表张拉应力值，P1为锚索测力计显示值，P2为锚具夹片与钢绞线的反向摩擦力，则有：

理论情况下：P = P1+ P2，其中P2无限小，按零计，即P = P1；而实际情况下：P = P1+ P2，其中P2受工艺（夹片活动空间）、孔道摩擦力影响，不能为零，大约为P的10%左右，通过综合分析，锚索张拉后的应力偏差即为P2。

4 主要原因及采取的措施

锚索应力出现偏差的原因确有很多种，不尽相同，且影响力有大有小、有主有次，但结合各个工程的特点及地质条件，通过分析基本可以缩小至某一个特定的范围，确定主、次影响因素。根据该工程的特点，并通过对以上几种影响锚索应力偏差因素的分析，可以认为该工程施工范围内的锚索应力偏差与锚索张拉工艺有关，特别是锚索千斤顶顶头槽深，是引起偏差的主要原因。在锚索的实际张拉过程中，由于锚索张拉工艺的缺陷，使锚索张拉锁定时夹片回缩较大，造成钢绞线应力损失过多，最终致使锚索锁定吨位与张拉显示吨位出现较大的应力偏差。

通过综合分析，并根据现场张拉过程及结果验证，确定锚索张拉工艺是造成预应力偏差的主要原因，为此采取措施进行试验改进。锚索张拉时，为减少夹片回缩量，利用退锚器进行张拉（见图4），在达到设计压力时进行稳压，然后利用专用工具对退锚器内夹片进行施压，使退锚器内夹片进入锚具孔内，并夹紧钢绞线，以使千斤顶减压时减少夹片回缩至孔内的距离，从而减少锚索的预应力损失。此种方法虽笨拙原始，但能充分说明问题，证明锚索应力损失确实是夹片回缩距离太长所致。根据直线型锚索伸长计算公式

式中ΔL——锚索伸长值，mm；

P——预应力钢绞线的平均张拉力，N；

L——预应力钢绞线从张拉端至计算截面的孔道长度，mm；

A——预应力钢绞线的截面积，mm2；

E——预应力钢绞线的弹性模量，MPa。

每束钢绞线回缩1～2mm，造成应力损失约15kN，以吨位为2000kN（10束钢绞线）、深度45m的预应力锚索为例，整束锚索应力损失约150kN，充分说明锚索预应力损失的主要原因。

图4　退锚器张拉

5 结 语

通过对锚索预应力偏差的原因分析，查明造成预应力损失的主要原因，采取针对性的措施能够有效减少预应力偏差，但改进措施不太适用于现场施工，不能较广范围推广应用，而且不利于提高工作效率。为此，建议改进预应力锚索单根张拉的千斤顶顶头，采用液压装置，在锚索张拉时，通过钢绞线的拉伸，夹片随之移动出锚具孔；在锚索稳压结束时，通过液压

装置对锚索夹片施加压力，迫使其进入锚具孔内，回到预定的位置，并夹紧钢绞线，以减少千斤顶卸压后的夹片回缩量，进而从根本上解决锚索张拉过程中的预应力损失。

参考文献

［1］刘玉堂，翟金明.常用预应力锚索的结构和特点［J］.预应力技术，2005（5）.

［2］DL/T 5083—2010水电水利工程预应力锚索张拉施工规范［S］.北京：中国电力出版社，2010.

Analysis on the stretch-draw prestress deviation cause of pressure dispersed anchor cable

WANG Hongchao
（Zhejiang Huadong Engineering Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou 311100，China）

Abstract：There are various reasons and influence factors for anchor cable prestress loss.In the paper，the reasons and influence factors possiblly causing anchor cable strech-draw deviation are summarized through analyzing the strech-draw prestress deviation of pressure dispersed anchor cable.Effective improvement measures are adopted for reaching the purpose of reducing stress loss.

Key words：pressure dispersed anchor；stretch-draw；deviation causes；analysis

DOI：10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.03.015

中图分类号：P642

文献标识码：A

文章编号：1673-8241（2016）03-0061-05