大型水利水电工程锚固系统运行状况分析

裴书锋,郝文锋,樊义林,陈 浩,李文涛

(1.华北水利水电大学 地球科学与工程学院,郑州 450046; 2.中国长江三峡集团有限公司 博士后工作站,武汉 430010; 3.长江生态环保集团有限公司,武汉 430062; 4.中国三峡建工(集团)有限公司,成都 610000)

0 引 言

锚索(杆)已经成为我国水利水电工程高边坡、地下洞室等工程部位结构加固的主要手段,中国长江三峡集团公司所属的三峡、向家坝、溪洛渡、白鹤滩和乌东德水电站主体工程累计使用锚索约8.57万束、锚杆约957万根,锚索(杆)的长期有效运行直接影响电站运行安全。开展锚固系统(锚索和锚杆)长期有效运行及安全研究,对于确保水电站长期运行安全有着重大意义。

国内外已有许多学者开展了水电工程锚固系统荷载时效演化特征的研究,边坡工程锚索荷载时程变化呈现典型的“三段式”演化:急速损失期(快速下降)、一般损失期(随机摆动衰减、波动变化)、缓慢损失期(周期性平稳波动阶段、稳定变化);总的损失量基本在20%以内,均值在10%～15%[1-4]。而地下洞室锚索荷载的时效演化规律则比较复杂,难以用统一的演化模式描述,锚索荷载变化主要与洞室部位、张拉力和初始地应力有关[5-7]。

在锚固系统长期失效特征方面,国内尚未有因锚索腐蚀而引起工程失效的案例,锚索腐蚀的位置主要在外锚头,握裹层厚度会显著影响锚杆腐蚀程度,另外处于干湿交替或接触水的锚杆锈蚀较为严重,无粘结锚索的防腐效果优于全长粘结锚索[8-11]。锚索在施工阶段的失效破坏形式主要有钢绞线拉断、锚索击穿锚罩弹出、钢绞线锁孔等[12-13]。还有学者通过理论分析,推导出锚索体均匀锈蚀导致注浆体开裂时的极限增长量,并分析了预应力、锚索体直径、握裹层厚度和注浆体抗压强度对服务年限的影响[14]。

在锚索荷载损失的影响因素方面,众多学者分析了锚索荷载损失的影响因素及其引起的预应力损失大小,并采用理论公式、经验统计和不同的数学模型来表示各因素引起的预应力损失[15-19]。锚具夹具回弹、张拉系统摩阻力、钢绞线应力松弛、岩土体蠕变是影响锚索荷载损失的4种主要因素[20]。也有学者针对卸荷岩体、深部地下洞室蠕变、大吨位锚索等特殊条件下预应力损失、影响因素和控制措施进行了分析[21-23]。

前人关于水电工程锚固系统荷载演化规律的研究多是基于单个电站,考虑多个电站高边坡和地下洞室锚索荷载的统计分析还未见报道,特别是地下洞室锚索荷载变化规律及影响因素方面的研究成果还比较少。本文主要通过调研收集三峡集团所属6个水电站锚固系统的基本信息,包括各工程地质条件,锚索和锚杆的类型、设计张拉值、施工工艺和监测结果等,对三峡等水电站锚固系统进行安全评价,进一步总结大型水利水电工程锚固系统应力长期演化规律,分析引起锚固系统荷载异常的主要原因,并分析洞室尺寸、工程部位和岩体质量等对锚固系统的影响。

1 锚固系统监测成果统计分析

各大电站边坡和地下洞室监测用锚索为无粘结锚索,监测用锚杆既有普通砂浆锚杆,也有预应力锚杆。现已统计三峡集团所属6个水电站高边坡和地下洞室锚固系统监测数据,即:锚索测力计数量、锚索设计张拉值、锁定荷载(锁定后剩余的锚索预应力数值大小)及损失率(锁定损失率 =( (张拉值-锁定值) /张拉值 × 100%)[3]、当前荷载(当前测量锚索预应力数值)及损失率((锁定值-测量值) /锁定值 × 100%)[3],锚杆应力计数量、当前锚杆应力,见表1。

表1 各大水电站锚固系统监测成果统计Table 1 Statistics of monitoring results of anchoring systems in major power stations

1.1 三峡水电站

船闸高边坡和地下洞室以闪云花岗岩为主,地下洞室还发育一定的闪长岩,地下洞室发育陡倾裂隙,局部有渗水情况出现。船闸高边坡采用1 000 kN端头锚索和3 000 kN的端头锚索、对穿锚索,其中直立坡段均为3 000 kN,锚杆采用全长砂浆锚杆和高强结构锚杆。船闸高边坡设置有110台锚索测力计,198台锚杆应力计;地下洞室主厂房及附属洞室设置有41台锚索测力计及55台锚杆应力计,尾水主洞设置有17台锚杆应力计。船闸高边坡及地下电站锚索荷载绝大多数<3 000 kN,损失率大部分在15%以内;除尾水管间岩墩处和尾水管基坑交叉洞口处锚杆应力整体较大,有13个锚杆应力>200 MPa外,锚杆系统应力整体不大。边坡工程与地下工程整体都处于安全状态。

1.2 水布垭水电站

马崖高边坡以及地下洞室岩性以页岩、粉砂岩和灰岩等为主,岩层产状平缓,软硬相间,软岩所占比例高,且软岩中层间剪切带发育。马崖高边坡和防淘墙采用2 000 kN锚索,地下厂房采用设计值1 500 kN的锚索。马崖高边坡设置21台锚索测力计;溢洪道防淘墙支护系统设置14台锚索测力计、23台锚杆应力计;地下洞室设置有16台锚索测力计、12台锚杆应力计。锚固系统成果统计见表1,高边坡、地下洞室及溢洪道防淘墙锚索在锁定后荷载变化不大,部分锚索荷载略有增长,锚索荷载均<2 500 kN,损失率基本在15%以内,锚杆应力相对于初始应力变化不大,在100 MPa以内,总体处于安全稳定状态。

1.3 向家坝水电站

边坡及地下洞室岩体类型主要以砂岩为主,局部夹泥岩;岩体中结构面发育规律较好,主要为平缓的层面、层间软弱带和中陡倾角的节理裂隙。边坡和地下洞室锚索设计值分别为1 000、1 500、2 000 kN,布置锚索为全长粘结型和无粘结型,边坡监测锚索为无粘结拉力分散型预应力锚索,地下洞室监测锚索为无粘结拉力分散型预应力锚索和无粘结预应力对穿锚索。锚固系统成果统计见表1,边坡和地下电站锚固系统大部分荷载小于设计值,锚索荷载绝大多数在2 000 kN以内,损失率大部分在15%以内,受关注的马延坡一期和二期治理锚索荷载稳定。地下洞室有3支锚杆应力>300 MPa。锚索荷载和锚杆应力变化主要在开挖期完成,目前边坡和地下洞室处于安全稳定状态。

1.4 溪洛渡水电站

坝肩边坡及洞室岩体类型以玄武岩、角砾熔岩和石灰岩为主,主要结构面为层间、层内错动带和节理裂隙。坝基边坡锚索设计荷载分别为1 500、2 000、4 000 kN,地下洞室区域分别为1 500、1 750 kN。锚固系统成果统计见表1,边坡锚索荷载基本上在设计值临近范围内,总体变化平稳,右岸坝肩边坡部分锚索荷载损失率过大,锚杆应力在100 MPa以内,边坡部分锚索和锚杆应力有增长趋势。地下洞室群块体变形和锚索荷载稳定,大部分锚索荷载均处于2 000 kN内,荷载损失率大多数<15%。地下洞室区部分锚索荷载增长约20%,其中右岸地下厂房部分锚索荷载增长较大,地下洞室群部分锚杆应力>300 MPa,主要位于左岸地下洞室群5#机组和右岸地下洞室群18#机组附近,与此两地的主要地质特征有关。

1.5 白鹤滩水电站

边坡及地下洞室以隐晶玄武岩、斜斑玄武岩、杏仁玄武岩和柱状节理玄武岩为主,发育层间、层内错动带及节理裂隙。边坡及地下洞室锚索荷载设计值分别为1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 kN,有粘结式和无粘结式。边坡锚索为普通锚(端头锚)和压力分散型锚索,锚索长度为20～80 m;地下洞室锚索有对穿锚、端头锚,压力分散型和常规等,锚索长度为20～45 m。锚固系统成果统计见表1,大坝边坡锚固系统大部分荷载小于设计值3 000 kN,地下洞室锚索荷载总体稳定,大部分荷载均处于设计值内。但左岸地下厂房部分锚杆应力过大,右岸地下厂房和8#尾调室在开挖期出现了锚索钢绞线弹出、锁孔等现象,增加锚索支护后已有锚索荷载均趋于稳定。

1.6 乌东德水电站

高边坡区岩体主要为薄层灰岩,地下洞室区以灰岩、大理岩、白云岩为主。边坡锚索设计荷载分别为1 000、2 000 kN,地下厂房设计荷载为1 700～2 000 kN,自然边坡设置136台锚索测力计,87台锚杆应力计;左岸电站主厂房设置66台锚索测力计,78台锚杆应力计。右岸电站主厂房设置91台锚索测力计,73台锚杆应力计,锚固系统成果统计见表1,边坡锚索大部分锁定后预应力损失率在10%以内,锚索荷载最大增长≤7%,右岸坝肩边坡部分锚杆应力过大,其他部位锚杆应力均较小。地下洞室锚索荷载均<3 000 kN,增加显著部位集中在地质条件较差、洞口卸荷区及变形大的部位,左岸地下厂房锚索荷载损失显著的时段主要在厂房开挖期间,支护完成后锚索荷载基本稳定。边坡锚杆应力大部分都在200 MPa以下,左右岸地下厂房锚杆应力较小。

综上所述,三峡等水电站高边坡和地下洞室锚索荷载和锚杆应力大部分均在设计允许范围内,锚索荷载当前损失率在25%以内,绝大多数≤15%。锚杆应力基本都在300 MPa以内,预应力锚杆应力损失率在10%以内,且大多数处于受拉状态。

锚索荷载和锚杆应力变化显著的阶段主要是边坡或地下洞室开挖支护期间,支护完成后锚固力基本稳定。但有部分锚索荷载超过设计值,或者荷载损失率过大,也有极个别锚杆应力>300 MPa等情况。其中锚索荷载超过设计值的锚索主要位于边坡潜在不稳定岩体、块体部位或地下洞室中边墙、拱顶等卸荷变形偏大的部位,主要与施工开挖导致围岩向临空面变形偏大或结构面张开造成围岩变形有关。锚索荷载损失率过大的锚索主要位于边坡块体部位或地下洞室工况复杂、地质缺陷等部位,主要是由结构面闭合致钢绞线松弛或钻孔施工偏位击穿已有锚索引起。锚杆应力>300 MPa的锚杆主要位于地下洞室边墙等因开挖卸荷变形偏大部位。

2 锚固系统运行状况影响因素分析

基于各大电站锚固系统监测数据,采用单一变量法,分析施工与时间、洞室尺寸、温度、工程部位、岩体质量、断层等不同因素对锚固系统运行状况的影响。

2.1 施工和时间对锚索荷载的影响

高边坡锚索荷载的变化主要在边坡开挖期完成,荷载变化分为3个阶段,第1阶段为锚索荷载在短期内急速大幅度下降,第2阶段锚索荷载也呈下降趋势,但相比于第一阶段速度缓慢,第3阶段锚索荷载随着环境因素呈周期性变化,见图1(a)。此外,也存在经历过下降阶段后锚索荷载呈台阶状增加的情况,一般认为是边坡岩体卸荷松弛变形导致的,见图1(b)。

图1 边坡工程锚索荷载时序过程线Fig.1 Time series of anchor cable load in slope projects

对于主厂房等地下洞室而言,受初始地应力方向影响,洞室不同部位的岩体变形破坏特征差异显著,相应的锚索荷载变化模式也不一样。另外受洞室分层分部开挖影响,已安装锚索受后续围岩变形影响。锚索荷载变化模式总体分为两类,一类是随着洞室开挖,荷载逐渐增长,最后趋于稳定,见图2(a)。另一类与边坡锚索荷载演化模式类似,总体呈逐渐减小趋势,见图2(b)。

图2 地下工程锚索荷载时序过程线Fig.2 Time series of anchor cable load in under-ground projects

2.2 洞室洞径对锚固系统的影响

表2是三峡、水布垭和向家坝电站地下厂房和尾水隧洞的锚索荷载及损失率统计结果,可见3个电站地下厂房的锚索荷载均值均高于尾水隧洞锚索荷载均值,地下厂房损失率的变化范围均大于尾水隧洞,说明锚索荷载具有明显的洞径效应。

表3是溪洛渡水电站左岸地下厂房、主变室和尾调室3个洞室锚索荷载及损失率的统计结果,溪洛渡水电站主厂房尺寸最大,尾调室次之,主变室尺寸最小,三者的锚索荷载也表现出了显著的洞径效应,三者中洞径大的洞室锚索荷载均值越大,荷载损失率分布幅度越宽,并且主厂房锚索荷载的时效增长最为显著。

表3 溪洛渡水电站不同地下洞室锚索荷载与损失率Table 3 Loads and loss rates of anchor cables in underground caverns of Xiluodu Hydropower Station

锚索荷载洞径效应主要与洞室开挖后围岩应力调整和位移特征相关,大洞室开挖尺寸大,应力调整和位移变化显著,导致锚索荷载及其变化更为显著。

2.3 温度对锚固系统的影响

多个锚索测力计长期监测结果显示锚索荷载随温度呈现周期性波动,但温度对锚索荷载的影响规律表现不一,部分锚索荷载随温度呈现出近似负相关关系,即温度越高,锚索荷载越小(图3(a)),也有的呈正相关(图3(b))。

图3 典型锚索荷载与温度相关关系Fig.3 Typical correlations between typical anchor cable load and temperature

锚杆应力随温度的周期性变化较为显著,呈现负相关变化,温度升高,锚杆应力减小,温度降低,锚杆应力增大,见图4。锚杆与温度呈负相关变化主要与两者的热膨胀性有关,岩体的温度变形小于锚杆且灌浆质量良好,岩体对锚杆的温度变形有约束作用[24]。

图4 三峡船闸典型锁口锚杆应力及温度过程线Fig.4 Process lines of stress versus temperature of typical lock bolt of TGP ship lock

2.4 工程部位对锚固系统的影响

地下洞室交叉洞口、岩墩和块体等部位的锚杆应力值相对较大,比如三峡电站地下洞室群锚杆应力超过仪器量程200 MPa有12个测点,其中1个测点位于拱顶块体上,1个位于上游拱端,10个测点位于尾水管间保留岩墩部位。向家坝电站地下洞室群锚杆应力>300 MPa的3支应力计,主要分布在交叉洞口、岩墩或块体等部位。

位于块体部位的锚索荷载损失率一般较大,比如三峡电站主厂房位于不同块体上的4个测点锁定后锚索荷载损失率在15%～22%之间,而锚固于完整岩体部位的锚索,>76%的荷载损失率<15%。

对于高应力地下洞室,不同部位的锚索荷载量值差异显著,卸荷方向处锚索荷载总体较大,处于应力集中区部位的相对较小,但是当应力集中区岩体内部开裂时,锚索荷载也会有剧烈增长,钢绞线可能在显著内部开裂诱发的大位移情况下发生拉断。

2.5 岩体质量锚固系统的影响

在预应力锚索荷载影响因素方面,岩性对锚固系统产生的影响显著。岩体质量低、风化程度强的边坡锚索荷载偏小,锚索荷载损失率偏大。表4统计了向家坝电站两岸边坡不同围岩级别条件下锚索荷载及其损失率,右岸Ⅳ级边坡的锚索荷载总体小于左岸Ⅲ级边坡,而其荷载损失率则大于左岸边坡。

表4 向家坝水电站边坡岩体质量对锚索荷载的影响Table 4 Influence of rock mass quality on anchor cable load of Xiangjiaba Hydropower Station

2.6 断层对锚固系统的影响

用于锚固断层部位的锚索荷载总体偏小,荷载损失率总体偏大,表5统计了水布垭水电站马崖高边坡是否用于锚固断层部位的锚索,用于锚固断层的锚索荷载总体偏小,而荷载损失率总体偏大。

表5 水布垭电站马崖高边坡锚索荷载及损失率Table 5 Loads and loss rates of anchor cables on Maya high slope of Shuibuya Hydropower Station

3 锚固系统失效特征

水布垭水电站防淘墙拉锚洞位于水下部位,其锚墩头在水等因素的作用下有白色碳酸钙析出,5 a时间内锚索应力平均损失率从13.4%增长为15.6%。主要是锚墩头中的混凝土在水的作用下发生溶出性侵蚀,将锚墩头中水泥里的CaO析出,变成Ca(OH)2,然后在锚墩头表面渗出或者滴落的过程中与CO2产生反应,形成白色碳酸钙沉淀物[25],参见图5。

图5 水布垭水电站防淘墙拉锚洞内锚索钙质析出Fig.5 Calcareous precipitation of anchor cable in anti pulling wall anchor tunnel of Shuibuya Hydropower Station

另外对于长期有渗滴水出现的边坡,锚墩头部位的钢绞线可能会发生锈蚀。图6为有渗滴水边坡上某墩头破坏及锈蚀情况,垫板、夹具和钢绞线均已锈蚀,可见加强锚墩头的安全防护是锚索防腐蚀的关键。

图6 水利水电工程锚墩头内部锈蚀Fig.6 Internal corrosion of anchor pier head of water conservancy and hydropower project

在锚固系统施工期失效特征方面,除了三峡集团所属的电站外,在锦屏一级电站地下厂房发现锚墩开裂[26];在锦屏二级电站地下厂房锚索发现钢罩松动或脱落、钢绞线弹出、钢绞线击穿钢罩、钢绞线缩入孔内等破坏现象[12],均与钢绞线断裂有关。

4 结 论

(1)各大水电站边坡工程和地下洞室锚索荷载基本在设计范围内,锚索荷载损失率多在15%以内,部分锚索荷载增长量值也在可控范围,锚杆应力也基本上在设计范围内,各电站边坡和地下洞室基本处于稳定状态。锚索荷载及锚杆应力在开挖期变化显著,后期逐渐稳定或者随温度呈周期性变化,边坡锚索荷载演化过程总体呈现三段式特征:快速下降-缓慢下降-平稳波动。

(2)锚索荷载随温度变化规律不统一,多数呈现出近似负相关关系;锚杆应力随温度总体上呈现负相关变化,温度升高,锚杆应力减小,温度降低,锚杆应力增大。

(3)地下洞室锚索荷载存在洞径效应,洞室尺寸越大,锚索荷载均值越大,荷载损失率分布范围也越大。地下洞室群交叉洞口、块体及保留岩墩等卸荷充分部位锚杆应力较大,位于块体部位的锚索荷载损失率一般大于其他工程部位。

(4) 边坡工程岩体质量低、风化程度严重的部位锚索荷载相对偏小,荷载损失率相对偏大,用于锚固断层的锚索荷载也呈现出类似规律。

(5) 锚固系统长期运营期,水下洞室锚墩头会有碳酸钙析出,其预应力损失率缓慢增长;长期有渗滴水的边坡锚索的垫板、夹具和钢绞线均已锈蚀。

致谢:在本研究现场调研过程中,得到了三峡集团下属各水电站管理部门的大力支持,在此深表谢意。