水利工程高边坡预应力锚索创新与试验

陈红如

(水利部水利工程建设质量与安全监督总站滇中引水项目站，云南 昆明 650000)

1 概 述

1.1 工程概况

滇中引水工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程中的标志性工程。工程由水源工程和输水工程组成，石鼓水源工程主要建筑物包括引水渠、进水系统、地下泵房、出水系统、辅助洞室、地面开关站等。

水源工程进水塔开挖底板高程为1800.00m，塔顶高程为1832m，总长18.50m，总高32m，宽60.3m。进水塔采用岸塔式钢筋混凝土结构，顺水流向依次布置拦污栅段、喇叭口段及检修闸门井段。进水塔边坡开挖坡比为(0～1)∶2.5，最大开挖边坡高度约为95m，正面分别在1879m、1870m、1860m、1845m、1832m及1817m高程设置马道或公路。1845m高程以上坡比为1∶0.8；1817～1845m高程坡比为1∶0.7；1817m高程以下正面为直立边坡；两侧边坡1832～1800m高程边坡坡比为1∶0.7～1∶2.5；进水塔塔基主要为强风化片岩类，塔基南侧局部段为碎砾石土夹少量块石层，进水塔北、西侧开挖边坡主要为强风化带岩质边坡，岩性为绢云石英片岩夹绢云微晶片岩及片理化灰岩，岩体完整性为差—破碎，部分第四系堆积物土质边坡，存在开挖边坡沿软弱带(面)的滑移稳定风险，为保证边坡稳定，1817m高程以上6级边坡采用预应力锚索+护坡混凝土的方式进行支护。

1.2 边坡支护参数

表1 进水塔边坡预应力锚索类型统计

2 锚索受力性能试验

预应力锚索实施前，为验证锚索设计参数，并熟悉与优化施工工艺、施工工序、施工措施等，应在代表性地层选择锚索进行锚索受力性能试验。根据《水工预应力锚固技术规范》(SL/T 212—2020)，锚索受力性能试验宜选择非破坏性试验方法，受力性能试验时，锚索张拉应分级执行，当达到最大张拉力时，不宜超过锚索中钢绞线强度标准值的75%。根据设计及规范要求，进水塔边坡锚索受力性能试验参照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)“基本试验”有关要求进行，试验最大张拉力：2000kN级锚索为2700kN，1500kN级锚索为2100kN，基本试验的地层条件、参数、施工工艺与工程锚索相同，且试验数量不应少于3根。基本试验采用多循环张拉方式。试验过程中检验确定：锚索钻孔失水速率，从而确保锚索灌浆符合设计及规范要求；锚索下索施工工艺；孔段循环一次灌浆施工工艺；各类锚索张拉施工工艺；锚索二次循环灌浆施工工艺；最终确保锚索封锚后能够提供设计要求的锚固力并为其他同类型[边坡岩体端头拉力型永久无黏结(自由式)预应力锚索]施工积累经验。

3 试验方案

按照设计及规范要求布设不少于3个锚索基本试验孔。本次试验选择A类、D类锚索进行基本试验，数量各取3根。其中A类锚索选择1-5A-5、1-5A-6、1-5A-9为试验锚索，D类锚索选择2-3D-2、2-3D-3、2-3D-5为试验锚索。试验锚索锚固段长均为8m。锚索施工相关试验(上述3个试验)在进水塔第1级、第2级边坡的施工现场进行，制浆、灌浆设备，张拉设备随锚索钻孔情况在各级马道布设。锚索洗索、编束场地采用脚手架搭设，设置于第一级边坡马道临时道路处。

4 基本试验过程

a.按照试验方案，进行平台搭设，布置风水电管线，钻机就位。施工前完成进场的钢绞线、锚具、注浆管、波纹管、水泥、细骨料、环氧基液等原材料及半成品的检测。完成张拉千斤顶、压力表的配套标定。

进水塔边坡锚索均采用1×7的φ15.20(去皮后)的1860MPa级无黏结预应力钢绞线。钢绞线进场时，检查其各项力学性能试验，主要包括极限强度、屈服强度、伸长率、松弛性能、弹性模量等，其中弹性模量在后续张拉计算修正时需采用实测值；波纹管采用HDPE单壁双波纹管。

b.根据绘制的锚索布置图，清除岩面破损和松动岩块，达到设计验收标准，并经地质工程师和监理工程师验收合格后，采用MD锚索钻机进行钻孔，开孔时校验钻具的倾角及方位角，钻孔过程中进行分段测斜，及时纠偏，钻孔完毕后，应测量孔斜、方位角及孔深。

c.钻孔完毕后，将水管伸入孔底，通过大流量水流，从孔内向孔外进行冲洗，直至回水清洁延续5～10min。清洗孔后测量孔深，有效孔深满足设计要求。孔底沉渣淤积厚度不宜大于20cm。钻孔冲洗后，进行简易注水检查，根据现场情况，可将钻孔冲洗与简易注水检查结合。采用灌浆使用的灌浆记录仪进行注水检查，若简易注水检查孔内失水下降速度大于10L/min，则需进行全孔灌浆，灌浆采用全孔一次灌浆法。

d.锚索制作前，备齐材料及配件，并检验合格。钢绞线表面无损伤、刻痕、污染。钢绞线下料采用切割机，不得使用电弧或乙炔焰切割。钢绞线下料长度考虑实测锚索孔深度、锚墩厚度、工作锚板厚度、测力计高度、锚索张拉部位需要的钢绞线长度，并预留100～150mm安全长度。将灌浆管(不打孔)、内圈钢绞线、外圈钢绞线捆成一束，钢绞线之间、钢绞线与灌浆管之间用隔离支架分离，将钢绞线束装入波纹管内，波纹管靠近内锚固段顶端安装锥形导向帽，塑料灌浆管伸出导向帽预留的进浆孔，使波纹管内外可同时进行灌浆。锚索编制完成后进行验收，挂牌标识。穿索采用人工辅以机械进行。

e.在外锚墩一期混凝土浇筑之前进行全孔段第一次注浆，灌浆采用追赶填压方式(纯压法)注浆。全孔段一次灌浆采用42.5级的普通硅酸盐水泥，水泥浆强度等级为M35(7d)，灌浆采用水泥浓浆灌注，水泥浆水灰比为0.35∶1～0.4∶1，要求浆液3h后的泌水率不大于2%，泌水应在24h内全部被浆体吸收。当吸浆率小于1.0L/min时，维持进浆管压力0.1～0.2MPa，屏浆20min后结束。

f.外锚墩安装、浇筑前先清理松动块体，洗净岩面，然后进行锚墩金属构件和模板(可采用木模)的架立，安装钢垫板、钢套管等金属构件时，保证二次灌浆进浆管、二次灌浆回浆管(排气管)位置准确。锚墩采用一级配混凝土，强度等级为C35(7d)，混凝土浇筑时要注意锚墩下部的振捣，防止出现蜂窝麻面。

g.基本试验锚索最大试验荷载分别为2100kN、2700kN，试验锚索按照5次张拉、卸载循环张拉形式进行。分级加载等级分别为0.1倍、0.3倍、0.5倍、0.7倍、0.9倍、1.0倍试验荷载(Tp)。循环张拉加荷模式见图1。

图1 多级多循环张拉加荷模式

1500kN级及2000kN级5级5循环张拉荷载控制张拉力见表2。

表2 锚索5级5循环张拉荷载控制

锚索理论伸长值值ΔLL按简化公式进行计算：

式中P——预应力钢绞线的平均张拉力，取张拉端的张拉力与计算截面处除锚口孔道摩擦损失后张拉力的平均值；

Lf——预应力钢绞线自由段长度，mm；

E——预应力钢绞线弹性模量，MPa；

A——预应力钢绞线的截面积，mm2；

Pj——张拉控制力，当超张拉时按超张拉取值，N；

k——预应力孔道局部偏摆系数；

μ——预应力钢绞线与孔道壁的摩擦系数；

θ——预应力钢绞线从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和，rad；

x——张拉端至计算截面的孔道长度，mm。

A类锚索理论伸长值计算结果见表3。

表3 A类锚索理论伸长值及油表读数参考值

h.试验过程中，出现下列情况可视为不合格：

后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生的位移增量的2倍；

断丝超过2根；断丝1根，但千斤顶油压控制拉力下降超过5%；

实测伸长值大于设计允许值；

未达到控制拉力，锚索体破坏。

i.试验情况。根据钻孔情况，试验孔在0～4m为覆盖层，4～10m为碎砾石层，10～40m为强化状绢云石英片岩、绢云微晶片岩，岩体较破碎。经试验，各试验锚索在试验荷载下，均未出现异常情况，锚固力能满足设计要求。

5 试验结果分析

本次试验按照基本试验流程进行了进水塔边坡A、D类锚索工艺性试验，钻孔均验收合格，注水检查均合格，锚索下料长度满足施工要求，锚索编束后采用人工配合机械进行安装，锚索一次灌浆浆材强度满足要求，注浆及记录仪器满足预应力锚索施工要求，锚墩采用一级配混凝土进行浇筑，7d强度满足设计要求。锚索基本试验及张拉锁定过程中未发生断丝和滑丝现象，锚索张拉力到达设计要求，实测伸长值在规范范围内。多循环试验数据记录见表4，根据试验结果绘制得荷载-位移(N-δ)曲线见图2。

图2 2-3D-5锚索荷载-位移(N-δ)曲线

表4 2-3D-5锚索多循环张拉数据记录

根据《水工预应力锚固技术规范》，胶结式锚固段提供的锚固力，应大于预应力锚索得超张拉力，锚固段长度按下列公式进行确定和复核。

式中L1——锚固段长度，mm；

Pm——单根预应力锚索(杆)超张拉力，超张拉力的数值一般为设计张拉力的110%，N；

K——锚固段长度的安全系数，按规范表5.3.1-1选取；

D——锚索(杆)孔直径，mm；

C——胶结材料同孔壁的粘结强度按规范表5.3.1-2选取，MPa；

C1——胶结材料与预应力钢丝或钢绞线的握裹力，可取2.0MPa；

d——单股预应力钢丝或预应力钢绞线直径，mm；

n——同根锚索预应力钢丝或预应力钢绞线股数。

本工程进水塔建筑物级别为1级，安全系数根据规范取2.2，按超张拉力2700kN、孔径165mm、锚固段长度8m进行推算，胶结材料与孔壁之间的真实黏结强度需达到1.5MPa左右方能满足设计要求。从试验结果看出，该段岩质强风化绢云石英边坡可作为锚固地层。

6 结 论

a.本次进水塔边坡基本试验锚固地层为强—弱风化绢云石英片岩、绢云微晶片岩，能够满足设计锚固力要求。

b.预应力锚索施工技术性强，工艺要求严格，施工前需根据设计及规范要求进行相关试验，通过试验可验证锚索参数、材料、机具及施工工艺，为后续设计锚索位置、数量及参数的调整提供依据，对正确指导预应力锚索大规模施工具有重要意义。