大坝闸墩环氧涂层钢绞线锚索张拉工艺研究

孟 刚，王海东

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410002）

前 言

大型水利水电枢纽工程泄水建筑物往往需采用大尺寸弧形闸门，大型弧形闸门承受的水推力很大，为改善其支承结构的应力状态，确保建筑物安全运行，一般将其设计成预应力混凝土结构。某大型水利枢纽工程泄水闸预应力闸墩锚索布置采用辐射式平行布置方式，预应力锚索上游锚固端位于水位变动区，为保证钢绞线运行期的安全工作状态，设计对预应力锚索的耐久性提出了更高的要求，创新采用了单丝涂覆环氧涂层钢绞线。由于本工程是类似大型闸坝预应力闸墩中首次采用环氧涂层钢绞线，锚索施工无成功经验可借鉴，正式施工前进行了一系列工艺试验探索，最终取得了适用于本工程闸墩预应力锚索施工工艺，并在后续其他坝段预应力锚索施工中成功推广应用。

1 工程概况

某大型水利枢纽工程是一座以防洪、航运、发电、灌溉等综合利用的流域关键性工程，工程规模为Ⅰ等大（Ⅰ）型工程。左岸泄水闸坝段共布置1 个泄水高孔坝段和10 个泄水低孔坝段。泄水闸低孔采用宽顶堰，低孔分缝采用“两孔一联”的墩中分缝型式。泄水闸弧门推力标准值为68 100 kN。弧门推力巨大，弧门支撑体系采用预应力锚索+钢梁联合受力结构，将泄水闸闸墩与弧门支铰支座钢梁用锚索连接，形成预应力闸墩结构。主锚索在闸墩立面上呈辐射状布置，采取“上二下三”的布置方式共布设5 层，长短相间，主锚索长度27.5～32.5 m，上游锚固端设在弧门下游侧闸墩内的预留平孔内，预留平孔沿闸墩高程方向布置5 层，直径为1.5 m。泄洪闸底孔主锚索布置形式见图1 所示。

图1 泄洪闸底孔主锚索布置图

2 钢绞线材料选型研究

工程泄水闸预应力锚索上游锚固端及主体部分位于上游水位变动区，为保证闸墩运行期安全，对锚索的防腐性能提出了很高的要求。原设计采用普通光面预应力钢绞线，因考虑以上因素影响，施工前对光面预应力钢绞线、镀锌钢绞线和环氧涂层钢绞线三种不同防腐涂层的钢绞线进行了比选。

通过各项性能指标的对比发现，环氧涂层钢绞线预应力锚索更适合本工程泄水闸下游水位变动的运行工况，因此，本工程低孔闸墩预应力锚索采用单丝环氧涂层有粘结钢绞线，监测锚索采用单丝环氧涂层无粘结钢绞线，其主要技术性能指标见表1。

表1 主要技术性能指标

3 预应力锚索工艺试验研究

为了验证闸墩预应力锚索设计参数，完善锚索施工工艺，施工前期在低孔泄水闸进行锚索施工生产性试验。该泄水闸有2 个边墩和1 个中墩，每个边墩布置20 束锚索，中墩布置30 束锚索，共计70 束锚索，其中19 束为监测锚索。单束锚索设计吨位5 600 kN，永存吨位大于4 600 kN，超张拉力6 100 kN。单束锚索由36根Φ15.2 mm 1 860 MPa 级环氧涂层钢绞线组成，锚索长度30～35.4 m。

3.1 工艺流程及操作要点

3.1.1 锚夹具、锚垫板材料要求

锚夹具由生产厂家按照锚索吨位要求配套提供。锚具满足《水电水利工程预应力锚索施工规范》DL/T 5083-2010 附录B 的要求，其锚固性能需满足：锚具效率系数不小于0.95，实测极限拉力时的总应变不小于2.0%，且夹片未出现肉眼可见的裂纹或破碎。

张拉端锚垫板及保护罩采用热镀锌防腐，喷锌防腐层最小局部厚度不小于160 μm；面层采用环氧清漆+丙烯酸聚氨酯涂层防护，封闭底漆为环氧清漆，干膜厚度为20 μm，中间层为环氧云铁两道，干膜厚度为100 μm，面漆为自清洁丙烯酸聚氨脂一道，干膜厚度为100 μm。防腐油脂的技术指标满足《无粘结预应力筋用防腐润滑油脂》的要求。

3.1.2 施工工艺流程

闸墩锚索安装及张拉施工工艺流程：搭设编束平台—→钢铰线下料—→钢绞线编束—→安装张拉端及固定端锚垫板—→安装测力计—→在锚束端部安装工作锚夹具—→塔机吊装锚索穿入闸墩预埋管道内—→安装锚固端锚具—→单根钢绞线预紧张拉—→安装限位板—→安装整体张拉千斤顶—→安装工具锚板—→分级整体张拉—→注浆防护—→切除超长部分钢铰线—→安装防松夹板及防护罩。

3.1.3 锚索的组装与安装

锚索组装前对钢绞线进行检查、下料，外观存在死弯、明显刻痕、松丝散丝、涂层不连续等缺陷的钢绞线截去不用，对目视可见的涂层损伤按照修补材料生产厂家的指导书进行修补，不得使用局部锈蚀严重的钢绞线。

钢绞线下料使用切割机切割，下料长度按照“两锚固点间净距+钢垫板厚度+工作锚板厚度+限位板厚度+千斤顶工作长度+工具锚板高度+测力计长度（如有）+1 m”的长度进行截断。各根钢绞线按照锚索结构设计采用隔离架集束，同时将一根耐油橡胶注浆软管编入索体并保持通畅。组装时要注意保护钢绞线环氧涂层不被破坏，钢绞线转运采用人工抬运，不得在地上拖运。施工现场待安装的锚索，按序号顺直存放在距离地面20 cm 以上的承索架（台）上，并采取必要的防雨、防污染措施。

锚索孔道钢管预埋完成后，及时采用通孔器进行孔道检查、疏通，穿索前再次进行检查清理。经检验合格的锚索，利用安装在坝后的大型门机，在人工辅助下，使用钢丝绳和特制锚索夹具整体提吊锚索。锚索入孔前在先入管道一端捆栓1 根安全拉绳，供闸墩预留孔内的人员拉拽锚索至管道口，缓慢下入管道内，待锚索夹具抵达下端锚垫板时，调整两端长度，使之满足工作要求。然后拆除锚索夹具，并调整工作锚具，使之居中于锚垫板内孔。

3.1.4 锚索张拉施工

锚索张拉在闸墩混凝土达到设计强度后进行，锚索测力计和千斤顶油泵压力表按规定进行校验和率定，绘制张拉应力-压力表（测力计）的关系曲线，用于通过油压表控制张拉力，指导张拉施工。

在同一闸墩上（或钢梁一端）锚索张拉次序采用对称、跳束、分级同步张拉的方法，先中间、后两侧，逐步扩散，对称均衡进行。张拉采用以张拉力控制为主、伸长值校核的双控操作方法。当锚索张拉实测伸长值超出理论计算伸长值±6%时，应停机检查，待查明原因并采取相应措施后，方可恢复张拉。

锚索张拉完毕后48 h 内，发现预应力损失超过设计张拉力的10%时，必须进行补偿张拉。锚索张拉锁定后夹片错牙不应大于2 mm，否则退锚重新进行张拉。

3.2 试验过程中出现的问题及原因分析

3.2.1 试验过程中出现的问题

试验索张拉过程中监测和测量结果反映出多个问题，主要如下：

1）伸长值超标，存在偏大和偏小两种情况。

2）锁定后回缩值超标。

3）应力损失偏大。

4）夹片错牙超过2 mm 占比达5%。

5）多束锚索出现滑丝现象，其中2 束夹片滑脱。

3.2.2 问题产生的原因

联合材料供应商对问题产生的原因进行了研究分析，主要如下：

1）本工程采用的单丝涂覆环氧涂层钢绞线，是将常规普通无粘结钢绞线拆丝后，对每根钢丝喷涂环氧涂层，环氧粉末经静电或其他方法均匀涂覆在钢绞线的各钢丝表面，并熔融结合固化后形成的膜状物，厚度不小于0.13 mm，然后再绕丝制成，在水利水电工程中应用较少，缺乏类似工程施工经验。

2）在张拉工艺上，本工程前期设计要求和施工准备均是按无涂层钢绞线进行的，钢绞线进场前改为环氧涂层钢绞线后，技术要求及锚夹具未作相应的配套调整。

3）检测报告显示，由于环氧涂层的影响，与普通钢绞线相比，环氧涂层钢绞线直径更大，采用常规无涂层钢绞线的工作锚、工具锚及限位板孔，由于钢绞线与孔之间的环状间歇相对较小，夹片后退空间受限，张拉时锚孔或夹片刮擦钢绞线表面涂层，极易造成刮伤钢绞线涂层，脱落的涂层填充了夹片丝牙。由于涂层不均匀填塞在夹片丝牙和周边缝隙中（见图2），锚固回缩时夹片与钢绞线及锚孔壁摩擦受力不均衡，容易引起夹片与钢绞线咬合不紧，进而引发一系列问题，如夹片错牙、伸长值及回缩值超标、钢绞线滑丝等。

图2 刮伤涂层的钢绞线

3.3 改进措施

由于环氧涂层钢绞线在水利水电工程闸墩大吨位预应力锚固系统及张拉缺乏成熟可靠的施工工艺。针对生产性试验中出现的问题，组织了多家预应力锚夹具生产厂家，对包括锚夹具的改进、张拉工艺的改进、锚固系统长期运行的安全可靠性研究等，并开展现场张拉工艺对比试验。

1）调整工作锚板与夹片的尺寸，设计了新型的适合钢绞线的锚夹具系统。原方案采用的工作夹片不能满足锚固要求，需要将工作夹片长度进行调整，工作锚板锥孔相应改变；并加厚了工作锚板；在锚索两端工作锚板与锚垫板之间增设密封板，在锚索孔道回填灌浆前向密封板凹槽灌注聚氨酯密封胶进行密封。

2）对原张拉工艺进行了调整并进行了工艺试验，采用悬浮预紧张拉工艺，即在千斤顶以上采用两套工具锚板、夹片及限位板，两套工具锚板之间增设悬浮支撑装置。采用两套工具锚板及增设悬浮支撑装置是为了在回油倒顶时，工作夹片不会咬住钢绞线，始终处于悬浮状态，减少预紧张拉过程中工作夹片对钢绞线涂层的损伤，保证张拉过程中环氧涂层的完好无损，避免夹片丝牙刮掉过多的涂层，防止工作夹片多次夹持受力受损。

3）增加顶压装置，即在工作锚板与千斤顶之间增设顶压器，在锚索整体张拉达到设计张拉力之后、并在卸压前，先对夹片施加顶压力，使夹片预先和钢绞线咬合，减少卸压时钢绞线预应力的损失、控制回缩值及防止夹片错牙。

4）试验在锚固端使用P 型锚具的方法，解决锚固端钢绞线锁定滑丝等问题。但由于P 型锚具需在预留平洞中加工，空间受限，作业条件差，后来锚固端仍采取锚具及夹片进行锁定，同时对施工工艺进行了优化调整，即在锚固端增加夹片防松装置，张拉过程中调节控制防松压板的螺栓，使张并拉端的夹片持续跟进钢绞线的回缩，可防止锚固段夹片回缩不均匀，避免了锚固钢绞线的滑丝，同时对锚固洞内操作人员的安全起到保护作用。

5）严格控制锚固材料、张拉设备的同心度。由于在普通张拉方法的基础上增加了悬浮张拉和顶压装置，张拉设备的组合长度较大，因此，各设备之间保证同心十分重要，否则，容易导致各设备偏心受力而产生不良后果。

4 后续施工效果

通过以上措施的处理，同时加强现场管理，对试验坝段存在问题的锚索全部进行了处理，后期700 余束锚索张拉施工均未出现回缩值超标、夹片错牙、钢绞线滑丝等施工异常情况，锚索张拉的各项控制参数及张拉吨位均满足设计要求，施工质量良好。

5 结 语

1）根据水利水电工程闸墩预应力锚索的运行工况及施工特点，经试验及工程实践研究表明，环氧涂层钢绞线不能简单采用常规光面钢绞线锚夹具，应使用与之相匹配的锚夹具系统，张拉前应对张拉工艺进行试验验证；结合施工工期、现场施工条件、锚夹具防腐等因素，在锚固端采用单根防松顶压装置、张拉端采用悬浮预紧、整体张拉，配合顶压装置的施工工艺，适合环氧涂层钢绞线锚索张拉要求。

2）环氧涂层钢绞线以其优异的防腐性能，目前已广泛应用于桥梁工程中，但还未在水利水电工程中推广应用，许多水利水电工程预应力闸墩具有与桥梁工程相似的运行工况，因此在水利水电预应力闸墩工程中引进环氧涂层钢绞线材料，对于提高结构使用寿命、降低维护成本具有积极作用。