杨房沟水电站地下洞室预应力锚索多循环验收试验研究

罗立博

(长江水利委员会工程建设监理中心(湖北)，武汉，430010)

1 概述

杨房沟水电站为Ⅰ等工程，工程规模为大(1)型。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程2102.00m，正常蓄水位2094m，最大坝高155.00m。地下厂房采用首部开发方式，电站总装机容量1500MW，安装4台375MW的混流式水轮发电机组。

杨房沟水电站地下洞室群规模大，洞室密集，区域内洞室多、岩体挖空率高，设计断面大于100的大跨度、大断面洞室多达19条，高边墙、洞间岩柱稳定问题突出。

1.1 地质条件

杨房沟水电站地下洞群围岩岩性为浅灰色花岗闪长岩，呈微风化～新鲜状，岩质坚硬，岩石的单轴饱和抗压强度在80MPa～100MPa之间。地下洞群地应力属中等应力区，厂区最大主应力σ1值为12.62MPa～13.04MPa，但是由于上覆岩体较厚，开挖过程中可能出现轻微岩爆。厂区三大洞室、围岩以Ⅱ类、Ⅲ类为主，但是受f47-17、f47-18、f47-22、f47-23、f47-27、f47-28、f47-29等断层和优势节理①、②、③构成不利组合或楔形体，围岩稳定和安全问题突出。

1.2 预应力锚索的类型与构造

杨房沟水电站地下洞室锚索设计为无粘结拉力型预应力锚索，间排距4.5m，网格布置共1342束。预应力锚索类型以T=2000kN，L=20m/25m为主。锚索设计荷载为P，锁定荷载为P′，P′=0.7P，最大超张拉荷载为1.2P。

1.3 预应力锚索验收试验单位

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)第12.1.20条规定：“锚杆多循环张拉验收试验应由业主委托第三方负责实施”。杨房沟水电站主变洞锚索多循环验收试验由业主委托长江岩土第三方物探及灌浆检测中心实施。

2 锚索多循环验收试验的依据、目的及合格标准

2.1 验收试验的依据

《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)第12.1.19条规定：“工程锚杆(索)必须进行验收试验。其中占锚索总量5%且不少于3根的锚索应进行多循环张拉验收试验，占锚索总量95%的锚索应进行单循环张拉验收试验”。

2.2 验收试验目的

预应力锚索验收试验的目的是检验锚索的抗拉承载力、筋体受拉自由段长度和蠕变率能否满足设计与规范要求，判别锚索质量是否合格。

2.3 验收试验合格标准

(1)最大试验荷载作用下，在规定的持荷时间内锚索的位移增量应小于1.0mm，不能满足时，则增加持荷时间至60min，锚索累计位移增量应小于2.0mm。

(2)在最大试验荷载作用下，所测得的弹性位移应大于锚索自由段长度理论弹性伸长值的90%，且应小于自由段长度与1/3锚固段之和的理论弹性伸长值。

3 锚索多循环验收试验工艺

3.1 验收试验锚索的选择

杨房沟水电站主变洞上下游侧2000m高程，锚索施工总数为66根。根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)，预应力锚索多循环张拉试验按5%抽检且不少于3根的要求，共抽检4根锚索。抽检锚索编号见表1。

表1 主变洞上下游侧多循环张拉试验抽检锚索参数

3.2 验收试验准备

3.2.1 张拉机具的选择

为客观准确反映杨房沟水电站地下洞室试验锚索多循环验收试验，选用与正常施工一致的YCD300千斤顶与DL-1200型智能油源系统。

验收试验张拉前依据试验张拉设备标定的回归方程(例：Y=0.0265X+0.15，实际施工中应根据所使用张拉设备标定的检测报告选取)，编制加荷等级与位移观测间隔时间表、荷载与油表读数关系表，明确张拉顺序。

3.2.2 理论弹性伸长值计算

锚索理论弹性伸长值ΔL计算公式：

式中：P——预应力钢绞线张拉力，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——预应力钢绞线弹性模量，MPa。

由表2可得：最大试验荷载(1.2倍设计拉力值)所测得的位移量L1与本循环卸荷至0.1P时所测得的位移量L2之差ΔL(ΔL=L1-L2)为最大荷载锚索弹性位移，应大于该荷载作用下自由段长度预应力锚索理论弹性伸长值的90%，且小于自由段长度与1/3锚固段长度之和的预应力锚索的理论弹性伸长值。

表2 锚索多循环张拉验收试验理论伸长值参数(以SM2-9#预应力锚索为例)

根据上述理论伸长值计算，选取的试验锚索SM2-9#、SM2-25#、XM2-5#、XM2-25#锚索张拉至设计荷载120%时的弹性伸长值ΔL的范围分别为：90.42mm<ΔL<120.00mm、88.61mm<ΔL<117.60mm、89.06mm<ΔL<118.19mm、89.96mm<ΔL<119.39mm。

3.3 锚索多循环张拉验收试验程序

(1)预张拉:锚索正式张拉前，先施加0.1P′的预紧荷载，对钢绞线进行逐根对称张拉，使每根钢绞线受力均匀，起到调直对中的作用。

(2)对锚索进行整体分级张拉验收的加荷、持荷、卸荷方式按图1的规定实施。初始荷载为锚索拉力设计值P′的0.1倍(以后各级分别取0.4、0.6、0.8、1.0、1.2倍)，各级持荷时间为10min。加荷速度为50kN/min～100kN/min；卸荷速度为100kN/min～200kN/min。每级荷载10min的持荷时间内，按持荷1min、3min、5min、10min测读一次锚头位移值。

(3)记录每级锚头位移读数，并整理锚索多循环张拉验收试验结果,绘制荷载-位移曲线图、荷载-弹性位移曲线图和荷载-塑性位移曲线图。如图2所示。

时间t(min)

图2 锚索多循环张拉验收试验荷载(N)-位移(δ)曲线

4 锚索多循环张拉验收试验成果与分析

4.1 最大试验荷载作用下的位移量

在1.2倍设计拉力值作用下，持荷时间为10min，SM2-9#、SM2-25#、XM2-5#、XM2-25#锚索位移增量均在1mm以内。

4.2 多循环张拉试验伸长值分析

1.2倍设计拉力值下SM2-9#锚索实际伸长值为90.68mm，满足上述的90.42mm<ΔL<120.00mm的范围要求；SM2-25#锚索实际伸长值为90.14mm，满足上述的88.61mm<ΔL<117.60mm的范围要求；XM2-5#锚索实际伸长值为94.06mm，满足上述的89.06mm<ΔL<118.19mm的范围要求；XM2-25#锚索实际伸长值为95.04mm，满足上述的89.96mm<ΔL<119.39mm的范围要求。

4.3 荷载-位移曲线图绘制

杨房沟水电站主变洞锚索多循环验收试验完成后，以SM2-9#锚索试验成果为例绘制的荷载(N)-位移(δ)曲线图、荷载(N)-弹性位移(δe)曲线图和荷载-塑性位移(δp)曲线图见图3。

图3 SM2-9#锚索多循环张拉验收试验荷载(N)-位移(δ)曲线、荷载(N)-弹性位移(δe)曲线和荷载-塑性位移(δp)曲线

5 结论

(1)根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086-2015)要求及杨房沟水电站主变洞锚索多循环验收试验结果分析，本次主变洞上下游侧高程为2000m部位抽检的SM2-9#、SM2-25#、XM2-5#、XM2-25#锚索多循环张拉验收试验过程及成果符合规范要求。

(2)杨房沟水电站主变洞锚索多循环验收试验成果表明杨房沟水电站主变洞锚索的抗拉承载力，筋体受拉自由段长度和蠕变率满足设计与规范要求，达到了预应力锚索多循环验收试验预期目的。

(3)杨房沟水电站地下洞室锚索多循环张拉验收试验由业主委托第三方负责实施，是确保地下洞室锚索设计与施工质量满足规范要求的重要手段和重要保障措施。杨房沟水电站主变洞锚索多循环验收试验为今后类似工程积累了经验。