预应力锚索在水库高边坡防护中的应用

赵宏兰

（晋中市水利建筑工程总公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

石膏山水库位于山西省晋中市灵石县南关镇峪口村上游仁义河石膏山峡谷出口处，是一项控制仁义河流域的水利工程。坝型为混凝土重力拱坝，坝顶高程1146m，最大坝高68m，坝顶长度169m，正常蓄水位1144.0m，总库容为497万m3，属小型水库。工程等别为Ⅳ级，主要建筑物级别为4级。

大坝左岸边坡山体较为宏厚，基岩岩性是片麻岩、灰白色二长混合花岗岩。岩石矿物成分主要由石英、斜长石、微斜长石、黑云母、微量的白云母等组成，黑云母且不连续定向分布，构成片麻状构造。大坝左岸坝肩坝顶以上的边坡为人工开挖而成，边坡坡度陡直，高度近60m。公路经坝顶横穿左坝肩，在公路隧洞施工及边坡开坡期间，均发现该边坡裂隙密集，岩体裂隙较发育，为潜在不稳定边坡，对新建的混凝土拱坝及公路后期的运行造成威胁，为保证大坝安全对边坡实施预应力锚索防护。

2 预应力锚索设计

石膏山边坡设计采用压力分散型锚索加固，左岸边坡开挖面共布设200个锚索加固点。左岸平台以下设置25个锚索加固点。锚索钢绞线采用直径Sl5.2mm、抗拉强度1860MPa，极限张拉荷载为259kN的高强度低松驰钢绞线。钻孔直径130mm，每孔锚索由6束钢绞线组成，每孔锚索设计锚固力为750kN。灌浆材料采用35MPa纯水泥浆，垫墩及封头采用C30混凝土，锚索间排距为3m×3m，左岸平台高程为1146m，在距离左岸平台以上2.6m高处开始布设锚索至开挖边坡顶部，其中在隧洞顶拱上方2m、西侧墙3m范围内不设锚索。

3 预应力锚索施工及质量控制

预应力锚索主要由锚固段、自由段和紧固头3部分组成，3段分别进行锚固，通过锚固体周围地层的抗剪强度承受锚索所传递的拉力。锚固段是锚索伸入破裂面以下1m的稳定岩层内的段落，总长9.0m，自由段是锚索穿过被加固岩土体的段落，其下端为锚固段，上端为紧固头，平均长度约29m。紧固头是将锚索固定于外锚结构物上的锁定部分，也是施加预应力的张拉部件。预应力锚索结构布置见图1。

图1 6ΦS15.2mm预应力锚索结构布置图

在进行锚固段灌浆时，在锚固段和自由段的界面上设置止浆包，止浆包可以保证0.3～0.5MPa的灌浆压力。自由段中的钢绞线均为无粘结钢绞线，灌浆后钢绞线可自由伸缩，将自由段施加的预应力传递到锚固段，并将锚固段的反力传递回紧固头。由于锚索穿越岩体裂隙、破碎带，灌浆过程中将存在耗浆量大的情况，无法保证质量。为了控制灌浆扩散范围，采用土工布外套细帆布包裹锚索自由段，与止浆包外层的止浆套连为一体，全长包裹锚索自由段。紧固头由部分钢绞线、承压钢垫板、锚具、垫墩组成，钢绞线是自由段的延伸部分，承压钢垫板内嵌于垫墩里，承压钢垫板尺寸为250mm×250mm×20mm（长×宽×厚）。张拉采用OVM15-6型锚具，千斤顶采用YCWl50B型。垫墩尺寸为450mm×450mm，四周采用混凝土l∶0.5边坡与锚固面衔接，最小高度不低于250mm。

锚索施工的工艺流程：测量放线、钻机就位、钻孔、锚索制安、锚索注浆、锚索张拉与锁定、封锚。

3.1 测量放线

根据设计提供的平面控制点与水准点进行复测和引测。按照设计锚索结构图、复测资料进行计算，对锚索点位测放并进行编号，并在坡面上做出醒目标记。同时搭设施工平台，平整基础，采用直径48mm钢管搭设脚手架，铺设脚手板，悬挂安全网，保证施工平台稳定牢固可靠，满足安全施工及相关规范的要求。

3.2 钻机就位

钻孔机具选用QCW100潜孔钻，冲击器配套直径146钎头。因边坡岩体裂隙较发育，造孔时岩体可能出现裂缝、坍塌、进而出现卡钻现象，潜孔钻不能成孔则换用跟套管钻机成孔。

钻孔机具是在临高边坡搭设的脚手架平台上工作，满足动荷作用下的平台稳定性是确保正常钻机、成孔角度的一个重要因素。首先钻孔孔向控制排架搭设要牢固，钻机准确定位至钻孔孔位，用水平仪控制钻机钻进方向角，调整好孔向再牢靠固定钻机。钻机就位时严格控制钻机安装的稳固性、准确度，进而使锚孔轴线的倾角、方位角符合设计及规范要求。钻孔的开孔位置偏差不得大于10cm，孔斜误差不得大于孔深2%。

3.3 钻孔

钻进前对钻机方位角和倾角进行核验与较正，钻孔角度用测角量具控制，倾角误差±l°，方位误差±2°，以保证钻孔的准确度，再次检查确认钻机安装牢固，即进行跟管开孔，跟管开孔时，使钎头紧贴岩面低压冲击，跟管平稳缓缓推进，套管跟进至基岩内，换用普通的全断面钻头继续钻进至设计深度。钻孔记录在钻进施工过程中尤其重要，跟踪监测的原始数据必须真实、准确且可靠，发现有异常及时反馈。认真做好钻孔施工记录，能更好地判断孔内岩层地质条件，为在实施后续注浆时作参考。钻孔完成后用压缩风冲洗钻孔，直至孔内沉渣不大于20cm，对锚孔进行清理，以保证锚孔的顺直和平滑，方便锚索的安装。

3.4 锚索制安

按设计锚索结构图及规范的要求制作。预应力锚索材料选用低松弛、高强度、无粘结钢绞线。每根钢绞线必须順直、不扭曲，有变形、机械损伤及锈坑一律剔除。钢绞线下料时应整齐准确，误差不大于±50mm，坡面外钢绞线长度为1.5m，按计算好的长度下料后，平顺放在加工棚内0.5m高，1.5m宽的台架上，逐根检查钢绞线有无损伤，除去锚固段范围内钢铰线外的PE塑料管并清除干净钢铰线上的油脂。将处理过的钢绞线按不同孔深分组顺直排列在台架上。

编索时沿锚索体轴线方向，每隔2m安装一个架线环，定位锚索以保证钢绞线顺直。编索时按照设计要求一并顺直绑附灌浆管、排气管，制作止浆包，止浆包后端用土工布、细帆布组成的止浆套包裹至孔口。最后在锚索的底部端头套上导向帽，灌浆管、排气管均采用PE塑料管，管路系统耐压值不低于设计压力的1.5倍，且不低于0.6MPa。锚索编好后，再次检查锚固段长度及各部件后编号，压力分散型锚索因各单元锚索长度不同，张拉伸长量不同，所以对各单元锚索均作记号标示。安装锚索时采用电动葫芦吊运提升，人工辅助入孔的方式进行安装。下索时人工推送，不得旋转锚索，防止损坏锚索配件。按照设计倾角和方位准确、均匀用力平顺推进。对无法下入的锚索，则退出检查处理后重新下索。下至预定孔深后，用拔管机将跟进套管拔出。

止浆包制作直接关系到后期灌浆效果的好坏，是本工法的操作要点之一，土工布、细帆布均用手提缝纫机缝制密实、牢固，包裹直径为孔径的1.1～1.2倍，止浆包两端止浆处的钢绞线、灌浆管之间用土工布紧密包裹，外层止浆套用铅丝绑扎牢固，以免在穿索过程中产生滑动，造成止浆包失效。

3.5 灌浆

锚孔灌浆采用孔底灌浆法，是预应力锚索施工过程中的一个重要工序，在安放好锚索后及时进行灌浆，首先进行止浆包充浆，灌浆压力为0.3MPa，使止浆包先行膨胀挤紧孔壁，然后进行锚固段灌浆。锚索的承载能力完全取决于灌浆质量的优劣，因此灌浆施工时采用的灌浆工艺、浆材质量要严格把控。灌浆材料采用35MPa纯水泥浆，灌浆压力0.6～0.8MPa，水泥进场先复检，对其力学性能进行试验检测，质量满足设计要求方可拌制浆液。为提高其早期强度，加入适量早强剂，用量由配合比试验确定。浆液按配合比搅拌均匀，随拌随用，当孔口回浆浓度与贮浆池浆液浓度接近时，屏浆时间20～30min，停止灌浆。待水泥浆凝固收缩后，再进行多次的高压补浆，以保证浆液对锚索完全有效的包裹，而后将锚索固定在孔口中央。

锚固段灌浆后即浇筑C30混凝土垫墩，配合比由试验结果确定。浇筑前将孔口松动岩块凿除，清洗基面，按照设计图纸预埋与钻孔同轴钢套管、钢垫板、钢筋、二期灌浆管等埋件。

3.6 锚索张拉与锁定

等到孔内水泥浆达到设计强度的70%以上后，用标定过的张拉设备对各锚索钢绞线实施张拉。张拉前认真检查锚环夹片和锚索张拉部分，清除所夹带泥沙杂质、锈蚀以及其它污物，校验张拉千斤顶的轴线与锚索钢绞线是否保持一致，确认无误后即开始张拉钢绞线。锚索是由6根钢绞线组成，为确保锚索顺直以及各钢绞线的均匀受力，先逐根进行预张拉，待单根预张拉完成后再整体张拉。锚索张拉时以张拉力控制为主，伸长值校核为辅，分4级平稳加载，拉力为设计值的30%、60%、100%、110%，存在10%的超张拉防止预应力损失。张拉过程中准确记录每一级荷载伸长值和稳定过程中伸长值的数值，且与理论伸长值进行比较分析。每级张拉荷载下持压稳定5min，达到安装吨位后持压稳定10min即可锚索荷载锁定。

3.7 封孔灌浆与锚墩封护

完成张拉后，立即进行自由段封孔灌浆，其浆液比、灌浆压力同锚固段，当回浆管返出浓浆，返浆浓度等于进浆浓度时，根据设计要求进行屏浆后结束灌浆，再进行必要的补浆，确保封孔密实饱满。

外锚头封护是预应力锚索的最后一道工序，在预应力张拉达到设计值后，做好记号，观察三天，没有发现异常情况即可对露出的钢绞线用手提金刚砂轮切断，切口位置至外锚具的距离保留5cm。并除锈涂防腐剂，再用C30混凝土封闭锚头。

4 结语

预应力锚索加固技术对于岩层较为破碎的边坡能够及时有效、因地制宜地深层加固，且不受地形、地质条件的限制，柔性可调、施工快捷等，因此预应力锚索是控制不稳定高边坡态势、整治破碎岩体的重要施工手段。石膏山水库高边坡采用预应力锚索加固防护施工后，至今近两年内历经多次大暴雨冲刷，边坡防护均保持完好，达到了预期效果。