预应力锚杆在水电站边坡岩石边坡支护中的应用

徐超

摘 要：文章以预应力锚杆在河头一级电站增效扩容改造工程为例，提出加固防护方案设计，介绍了使用的材料，并重点分析了边坡支护工程中预应力锚杆的施工要求，可供参考。

关键词：预应力锚杆 边坡支护 增效扩容

1.工程概况

河头一级电站位于广东省北部的连平县中南部，新丰江支流大席水上。坝址以上集雨面积450km2，干流河长52.14m，河流平均坡降4‰，总库容612万m3，正常高水位231m。河头一级电站现状设计水头27.5m，设计流量3×9=27m3/s，装机容量3×2000kW=6000kW，多年平均发电量2393万kW.h，年利用小时3988h。工程建设任务是发电，规模为小（1）型电站，工程等别为Ⅳ。电站于1999年全面完工，主要建筑物由大坝、压力钢管以及发电厂房等组成。因发电车间升压站及压力管临坝而建，每年汛期频繁的开闸泄流以及大流量河水冲击，造成升压站至坝下压力管侧管墩近百米的山体出现淘空，严重危害了发电车间升压站基础设施及压力管的安全，存在严重的安全隐患亟待解决。

通过对现场情况的考察发现，现状右岸第一孔溢流坝在挑流消能时，由于挑射的水流直接冲刷到右岸的岩石边坡，日积月累会导致右岸的边坡失稳而脱落，局部地方会有崩塌的危险，同时由于电站右岸压力管道就位于右岸边坡附近，一旦右岸边坡失稳势必会导致压力管道的破裂，从而给电站带来巨大的安全隐患和经济损失。因此，需对右岸岩石边坡进行加固处理。

2.加固防护方案设计

现状溢洪道右岸边坡为强风化带（Ⅳ）岩石边坡，岩石呈灰黄色，分布在右岸坝外220m高程以上，由于右岸受构造影响，强风化带下线埋藏较深，一般6～8m，岩石多呈松动架空状态，节理裂隙发育，岩石表面有绿泥石、铁质薄膜渲染，岩石强度较低。根据对边坡的地质考察情况以及参照类似工程经验，采用预应力锚杆的形式进行施工方案设计，工期较短，能确保水电站边坡修护工期进度，并保障右岸边坡的永久稳定。

预应力锚杆和预应力锚索采用同样的加固原理，是将预应力锚杆穿过滑动面，外端固定在岩石面上，另一端固定在较为稳定的岩体中，在外端施加预应力，让锚杆和岩体相互作用，以增加滑动面摩擦力，从而改变岩体的稳定度。通常情况下预应力锚杆会采用端头锚固式，锚固采用机械式或者黏结式。

河头一级水电站的增效扩容改造工程压力管墩除险加固项目主要建设内容分为两个部分。整体设计方案如下：

（1）右岸第一孔溢流坝的边墩改造。凿毛现状右岸溢洪道边墩50mm厚，露出原结构钢筋面之后，用Φ22mm钢筋与之焊接连接，保证Φ22mm钢筋横、纵向保持300mm的间距，通过水工模型试验确定偏转相应的挑射角度，然后浇筑该溢流坝边墩。本次水工模型试验需要研究右岸第一孔溢洪道挑流方案实施以后对溢流坝泄流能力、下泄水流流态和各段流态衔接情况，右岸边坡附近的流速、流态等水流条件和边坡自身稳定性情况，并提出优化改善措施或合理的布置方案。

（2）使用预应力锚杆对右岸岩石边坡进行加固处理。在右岸边坡坡脚处设置密排的竖向微型桩支护，内置14#工字钢，桩间距1.0m，桩径25cm，嵌入河道底高程以下4.5m，单桩全长为8.0m，桩顶设一道500×500mm的C25钢筋砼冠梁，工字钢伸入冠梁300mm，同时该边坡采用C25钢筋砼菱形框格梁锚杆支护，坡度1：1，菱形框格梁的截面尺寸350×300mm，嵌入坡面100mm，锚杆Φ32mm钢筋，15～20m长的锚桩，与水平方向的倾角为30°，锚杆在坡面法向投影呈梅花型布置。

3.使用材料

（1）本次工程采用Φ32mm的预应力锚杆材料，级别为PSB830精轧螺纹钢筋，其性能要符合《预应力混凝土用螺纹钢筋》（GB/T 20065-2016）的标准。

（2）外加剂、掺合料以及水泥标准。水泥的强度等级为42.5的硅酸盐或普通的硅酸盐水泥，质量要符合《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）、《混凝土拌和用水标准》（JGJ 63-2006）等的规定，外加剂、掺合料的计量和质量要根据配合比实验予以明确。

（3）骨料。本工程选用骨料原则坚持清洁、干燥、坚硬、无杂质等的标准砂料，细度≤2.8，粒径≤2mm。

（4）其他的原料主要在河头水电站所在县城购买，要具有产品合格证书，尤其要对施工所需的主要材料如钢筋、高强精轧螺纹钢筋、骨料、掺合料等进行抽样质量监测，由监理工程师予以确认批准后才投入使用。

4.预应力锚杆的施工要求

4.1施工工序

预应力锚杆的施工工序如下：钻孔→插入带灌浆管（锚杆）→灌浆封控→浇筑混凝土墩头→安装锚具、锚垫板等→测试、拉伸和锚固→封锚头。每道工序在施工过程中都会有中期检查，确保每道工序都在监理工程师的监督检查后才能进行施工。

4.2组装锚杆

预应力锚杆是由高强精轧螺纹钢筋、隔离架、灌浆管、连接器和锚具等组成。组装锚杆一般是在制作车间或有顶棚的地方完成，可以保护锚头、锚杆组件和钢筋等不受破坏或污染。

连接器主要是使钢筋加长加固，因此其强度不能低于螺纹钢筋，并且不能将之加固在内锚固段内。

无粘连处理锚杆的自由段，要在自由段的表面涂抹上防腐油脂，套上塑料套管，连接锚固段分别用胶带和无锌铅丝封闭绑牢。

沿着杆体的纵向设置对中支架，标准是内锚固段每隔1.0m，张拉断每隔2.0m设置一个，注意用无锌铅丝将对中支架、钢筋、软管、回浆管绑牢捆扎在一起，进浆管要用土工布单层包裹严实，防止孔端被异物堵塞。

4.3钻孔

预应力锚杆的钻孔，其倾斜度和孔位都要按照施工设计图纸进行，孔位偏差要≤100mm，傾斜度偏差要≤2°，锚杆孔深应比设计长度大40cm，便于施工中容纳无法清理的岩石碎屑，孔径误差应控制在3%以内。钻孔孔径为110mm，可同时插入灌浆管、锚杆以及回浆管，钻孔时要注意进行分段测斜，及时纠正偏差。

钻孔时如遇较多岩石碎屑、山体破裂或渗漏等现象，应当先进行灌浆封固，采用纯压式灌浆，压力在0.1～0.3MPa之间，灌浆水泥为42.5硅酸盐水泥，浆液为水泥砂浆、水泥浆。

4.4安装

先对钻孔进行检查，确保一次能成功，如果有局部的坍塌现象，先进行灌浆封固和清扫处理。入孔时要注意不能多次抽动锚杆提，确保以均匀的速度和力度将锚杆插入钻孔，现场加长锚杆时要注意先放进锚固段钢筋，提前对张拉段进行无粘连处理，对连接器做无粘连处理和涂抹防腐油脂、捆扎，然后用连接器在孔口将做过处理的接长钢筋进行对接，按照施工设计要求将对中支架和管路捆扎在接长的钢筋上，将锚杆体安装进钻孔里。安装后要立即检查灌浆管和排气管等。

4.5浇筑和灌浆

按照施工设计要求进行浇筑和灌浆，注意要清除现场松散的石块、岩体等，确保岩面基础稳定，所用材料，如硅酸盐水泥、水泥砂浆等都要经监理工程师检查批准后才能使用，灌浆时安装压力表，采用循环灌浆法，测试进浆、灌浆时的压力。

4.6锚杆张拉测试

安装、浇筑和灌装后，在混凝土外锚墩达和内锚固段设计龄期3d后进行锚杆张拉测试，在正式张拉之前，抽取0.1～0.2设计轴向拉力进行1～2次预张拉，保证杆体平直，接触紧密。本工程的预应力锚杆设计拉力为300kN，超张拉力≤330kN，根据表1，张拉力稳定在10min即符合设计要求。

5.结束语

综上所述，河头一级水电长右岸的边坡支护施工采用预应力锚杆进行锚固，有效解决了该工程工期紧、难度大、边坡支护排架跨度大的难题，不仅满足了施工的质量要求，更为后续的边坡支护整体工程赢得了时间。根据实验室工艺实验和现场施工检查验收，本工程中对预应力锚杆的施工是合理的，锚杆、钻孔和注浆等都符合设计计划的规范要求，取得了预期的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]刘桃红.预应力锚杆在水电站边坡支护中的应用[J].云南电力技术，2009（04）：48-49.

[2]覃卫民，葛修润，王浩.砂固结内锚头预应力锚杆试验研究及应用[J].岩石力学与工程学报，2007（04）：769-774.

[3]莫文.预应力锚杆在云南那邦水電站边坡支护中的应用[J].云南水力发电，2014（S1）：12-15.