水电站引水发电洞进水口边坡锚索预应力损失分析

裴双双

（绥阳县风华镇水务管理工作站，贵州 遵义 563099）

1 工程概况

项目朱老村水电站位于绥阳县黄杨镇清溪村，坝址位于清溪河上游清溪村河段，于1980年建成投产，2019年完成扩容改造，开发任务是水力发电，为引水式电站，装机规模由820 kW（1×320 kW+1×500 kW）扩至1 000 kW（2×500 kW）。工程主要由拦河坝、取水口、引水渠、前池、压力钢管、厂房等水工建（构）筑物组成。

2 锚索测力计设置

采用BGK-4900型振弦式锚索测力计和GK-403读数仪进行该水电站引水发电洞进水口边坡锚索预应力损失检测。使用的锚索测力计承载力为25～500 t，可超载125%，灵敏度0.03%，线性度0.50%，耐水压15 kPa，工作温度-40℃～65℃，测力计为高强合金钢圆筒，圆筒中设置3～6支由不锈钢护管保护的高精度振弦式传感器。发生边坡岩体变形后荷载便会通过测力计作用于钢圆筒内的传感器钢弦，引发钢弦振动；将通过读数仪所测得的振频与空载读数比较后便可根据公式测算出边坡锚索受力程度，公式如下：

式中：P—边坡锚索预应力（kN）；G—锚索测力计率定系数；R0—锚索测力计空载读数；R1—锚索测力计初始读数；K—锚索测力计温度系数；T1—初始温度（℃）；T0—测试温度（℃）。

结合该水电站引水发电洞进水口边坡地质特征，在进口处边坡布置307 束预应力锚索，其中3 000 kN 级、2 000 kN 级、1 500 kN级锚索分别为44束、119束和144束。由于施工时间较早的原因，高程830～858 m段边坡处并未设置测力计。在不同高程处选取13 束锚索布置测力计并实施观测，锚索依次编号为MS1～13，锚索测力计布置情况表略，全部锚索均安装于2020年。锚索测力计安装过程必须与锚索施工张拉过程保持一致，即钻孔→穿索→注浆→锚墩浇筑→测力计安装→锚索张拉→封头保护→观测站设置。为防止锚索穿过软弱破碎带期间出现卡钻、锚索无法下拉到位等情况，应通过潜孔锤跟管钻进、裸孔钻进反吹清孔、二次高压注浆、扩孔锚固等技术，提高锚固力。

考虑到钢绞线松动、围岩压缩徐变、锚具滑移等对进水口边坡锚索预应力损失的影响，必须分级进行锚索张拉加载，并待拉力达到设计值后锁定，封裹锚头。该水利工程进水口边坡预应力锚索张拉按照设计张拉应力的10%、50%、80%、100%、110%分五级进行。

3 监测结果

3.1 锚固力全过程分析

在分析编号MS1～13测点锚固力的基础上，得到四种锚索预应力-时间曲线，具体见图1。其中稳定型锚索从锁定开始锚固力的变动趋势均较为平缓，且无明显波动，对应着锚索MS7 和MS12［图1（a）］；突变型锚索从锁定开始锚固力起初较为稳定，但在2020年10-11月期间因锚索测力计四周浇筑混凝土施工的影响，测定值发生剧烈波动，浇筑施工结束后重又恢复平稳，对应MS1、MS3、MS4、MS5、MS6、MS8、MS9 锚索［图1（b）］；补偿型锚索包括一次补偿和两次补偿两种，首次张拉时可能会因钢绞线应变较大而暂停张拉并锁定，对损失较大的锚固力进行一次补偿张拉后锁定，测定值便趋于稳定，如MS2和MS10，见图1（c）；若对锚固力一次补偿张拉锁定后仍剧烈变动，则必须二次补偿张拉，锁定后测定值趋于稳定，如MS11和MS13，见图1（d）。

图1 锚索全过程预应力-时间曲线图

3.2 补偿张拉

该水电站引水发电洞进水口边坡锚索分批分级张拉，对于预应力损失较大的锚索，为减少混凝土收缩徐变损失和钢丝松弛损失，初张拉后必须暂停3-5 d再进行二次补偿张拉。这种做法既能有效消除相邻锚杆的不利影响，又能有效防止锚杆预应力快速衰减，准确锁定至设计预应力水平，二次补偿张拉后预应力变化也会趋于稳定状态。2020 年4 月5 日进行了该水电站工程MS13#锚索的张拉，张拉至1 410.21 kN 时因钢绞线应变突然变大而暂停张拉、锁定，锁定后的预应力读数为1 296.76 kN；4月10日二次张拉，张拉至1 469.85 kN时停止并锁定；4月26日再次张拉至1 505.95 kN停止张拉、锁定。通过分析MS13#锚索补偿张拉预应力～时间曲线发现，曲线台阶状特征十分明显。

4 锚索预应力损失分析

4.1 预应力损失率

通过分析锚索测力计所测得的编号MS1～13 测点锚固预应力进行预应力损失率计算，并根据计算结果评价边坡加固效果。锚索预应力总损失由锁定前损失和锁定后损失构成，其中，锁定前损失率为超张拉值和锁定值之差与超张拉值的比；锁定后损失率为锁定值和锁定后测定值之差与锁定值之比。各测点锚索预应力损失率详见表1，根据统计结果，2 000 kN级锚索测力计所得到的MS1～7 测点的锚索预应力损失率最大、最小值分别为9.99%和0.38%；当前损失率最大、最小值分别为10.49%、3.55%，总损失率最大最小分别为10.89%和3.90%。而1 500 kN级锚索测力计所得到的MS8～13测点的锚索预应力损失率最大、最小值为9.84%、-0.02%，当前损失率最大、最小值分别为9.45%、4.39%，总损失率最大最小分别为19.23%和9.96%。

表1 锚索预应力损失率统计表

4.2 预应力损失原因

4.2.1 锚索锁定前预应力损失

预应力锚索张拉期间预应力损失程度与锚索和孔壁摩擦、千斤顶张拉摩阻力等有关，对于平直钻孔，锚索安装后基本不接触孔壁，也基本不产生预应力损失；千斤顶张拉摩阻力引起的预应力损失一般较小，并可通过超张拉消除。

根据对该水电站引水发电洞进水口边坡锚索预应力损失率的统计，锚索锁定时预应力损失较大。因为受锚具质量、工艺等的影响，锚索在锁定过程中钢绞线表现出一定程度的回缩，且回缩量越大，对应的锚索预应力损失也越大。此外，构成锚头的垫板、垫墩强度及安装质量对锚索预应力损失也有一定影响，可通过超张拉、补偿张拉予以补偿。

4.2.2 锚索锁定后预应力损失

钢绞线受力后应变会随时间延长而降低，出现松弛，引发锚索预应力损失，可以通过使用低松弛预应力材料或二次补偿张拉等予以应对。此外，临近锚根和锚固端等部位的应力集中区岩体徐变也会引发锚索预应力损失，可采用锚索多级循环加载方式应对。施工扰动和环境温度等对锚索预应力损失的影响均较小，待施工结束或校正后便能得到高精确度的数值。

5 结论

综上所述，该水电站引水发电洞进水口边坡锚索加固效果直接关系到水利工程运行的安全性和稳定性，边坡锚索预应力损失程度主要与锚索材质、锚具质量、边坡岩土体力学特性、锚固工艺、环境等因素有关。通过对边坡锚索预应力损失引起原因及变化规律的分析，把握锚固时机适时进行锚索超张拉或补偿张拉，应用低松弛材料，加强张拉施工过程控制，以使预应力损失得到有效补偿。