壓力分散型錨索張拉預(yù)應(yīng)力偏差原因分析

王洪超（浙江華東工程咨詢(xún)有限公司，浙江杭州　311100）

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壓力分散型錨索張拉預(yù)應(yīng)力偏差原因分析

王洪超
（浙江華東工程咨詢(xún)有限公司，浙江杭州311100）

【摘 要】錨索預(yù)應(yīng)力損失的原因和影響因素是多方面的，本文通過(guò)對(duì)壓力分散型錨索張拉預(yù)應(yīng)力偏差的分析，總結(jié)了問(wèn)題造成錨索張拉偏差的原因及影響因素，通過(guò)采取有效的改進(jìn)措施，達(dá)到了減少應(yīng)力損失的目的。

【關(guān)鍵詞】壓力分散型錨索；張拉；偏差原因；分析

1 工程概況

長(zhǎng)河壩水電站是大渡河梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第10級(jí)電站，位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，以發(fā)電為主，無(wú)航運(yùn)、防洪及灌溉要求，采用水庫(kù)大壩、首部式地下引水發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。電站樞紐主要由礫石土心墻壩、右岸泄洪放空系統(tǒng)、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成；大壩為黏土心墻堆石壩，壩高240m，正常蓄水位以下庫(kù)容10.15億m3，總庫(kù)容10.75億m3，單機(jī)容量650MW，總裝機(jī)容量2600MW，年發(fā)電量107.9 億kW·h。

水電站位于大渡河干流深山峽谷河段，地質(zhì)條件復(fù)雜，地應(yīng)力較高；工區(qū)相對(duì)于工程規(guī)模而言較為狹窄，施工布置困難，且有較多的高陡邊坡，開(kāi)挖高差大，支護(hù)強(qiáng)度高，施工難度較大。從工程總體地質(zhì)條件看，工程邊坡無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)，地質(zhì)構(gòu)造以次級(jí)小斷層、節(jié)理裂隙及多組結(jié)構(gòu)面為特征，小斷層及層間擠壓帶較發(fā)育，不存在控制邊坡穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面，邊坡整體穩(wěn)定。

2 應(yīng)力偏差

長(zhǎng)河壩水電站工程高邊坡較多，支護(hù)采用深層錨索和淺層錨桿相結(jié)合的方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)工程邊坡布置錨索多達(dá)7000束，監(jiān)測(cè)錨索數(shù)量約為10%。錨索采用壓力分散型自由式單孔多錨頭防腐型預(yù)應(yīng)力錨索（簡(jiǎn)稱(chēng)壓力分散型錨索，見(jiàn)圖1），且具有克服錨固段應(yīng)力集中、有效防腐、有效減小孔徑、全孔一次注漿、可進(jìn)行二次補(bǔ)償張拉等特點(diǎn)。錨索施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求采用逐束、循環(huán)、分級(jí)張拉，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)錨索施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，每級(jí)一循環(huán)張拉后測(cè)力計(jì)測(cè)讀數(shù)據(jù)與實(shí)際張拉數(shù)據(jù)（壓力表千斤頂）存在較大的偏差。為查明錨索應(yīng)力出現(xiàn)偏差的原因，選擇3束監(jiān)測(cè)錨索作為試驗(yàn)錨索，進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，具體試驗(yàn)成果見(jiàn)表1～表3。

圖1　壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)示意圖

儀器名稱(chēng)：錨索測(cè)力計(jì)；儀器型號(hào)；NZMS-2000；設(shè)計(jì)編號(hào)；PR8；儀器編號(hào)；WCYD0846；埋設(shè)位置：泄洪洞出口邊坡；埋設(shè)高程：1662m；設(shè)計(jì)噸位：2000kN；安裝日期：2013年11月22日；率定系數(shù)：7.353；0℃電阻：78.25Ω；零下溫度系數(shù)：5.19；零上溫度系數(shù)：4.77。

表1　錨索測(cè)力計(jì)原始記錄及計(jì)算

儀器名稱(chēng)；錨索測(cè)力計(jì)；儀器型號(hào)：NZMS-2500；設(shè)計(jì)編號(hào)：PR9；儀器編號(hào)：XHYD0602；埋設(shè)位置：泄洪洞進(jìn)口邊坡；埋設(shè)高程：1740m；設(shè)計(jì)噸位：2500kN；安裝日期：2013年9月21日；率定系數(shù)：9.843；0℃電阻：75.07Ω；零下溫度系數(shù)：5.36；零上溫度系數(shù)：4.91。

表2　錨索測(cè)力計(jì)原始記錄及計(jì)算

儀器名稱(chēng)：錨索測(cè)力計(jì)；儀器型號(hào)：NZMS-2500；設(shè)計(jì)編號(hào)：PR14；儀器編號(hào)：WGYD0607；埋設(shè)位置：泄洪洞進(jìn)口邊坡；埋設(shè)高程：1735 m；設(shè)計(jì)噸位：2500kN；安裝日期：2013年10月29日；率定系數(shù)：8.961；0℃電阻：76.77Ω；零下溫度系數(shù)：5.30；零上溫度系數(shù)：4.86。

表3　錨索測(cè)力計(jì)原始記錄及計(jì)算

通過(guò)試驗(yàn)錨索張拉數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)錨索在張拉完成一個(gè)分級(jí)循環(huán)后，測(cè)力計(jì)測(cè)讀數(shù)據(jù)與張拉壓力表數(shù)據(jù)存在明顯的應(yīng)力偏差，且偏差值隨著錨索張拉噸位的增加呈減小趨勢(shì)。由于錨索采用單根分級(jí)張拉，若每根錨索張拉噸位與壓力表顯示數(shù)據(jù)存在一定的偏差，則張拉后錨索理論總應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力就會(huì)存在較大偏差。

3 影響因素分析

3.1 錨索的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)壓力分散型錨索主要由導(dǎo)向帽、單錨頭、錨板、注漿管、高強(qiáng)低松弛無(wú)黏結(jié)鋼絞線(xiàn)等組成，適用于巖石裂隙較為發(fā)育和破碎的巖體，在地質(zhì)條件較差、巖體較為破碎或發(fā)育較強(qiáng)的工程項(xiàng)目上有著較廣泛的使用經(jīng)驗(yàn)；其主要特點(diǎn)是通過(guò)多組錨頭將錨固點(diǎn)由原來(lái)的一點(diǎn)，整體均勻地分布到一段，通過(guò)將預(yù)應(yīng)力分散到多個(gè)承載體上，避免了預(yù)應(yīng)力集中的問(wèn)題。在總預(yù)應(yīng)力不變的前提下，減少每段巖土體的預(yù)應(yīng)力值，充分發(fā)揮和利用巖土體整體力學(xué)性能，減少錨索張拉后因巖石破碎蠕動(dòng)變形而導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力大幅損失。

3.2 錨索張拉工藝分析

錨索張拉采用以應(yīng)力控制為準(zhǔn)、伸長(zhǎng)值校驗(yàn)的雙控操作方法。在錨索施工過(guò)程中，先進(jìn)行單根預(yù)緊張拉，使錨索各束鋼絞線(xiàn)充分受力均勻后，再逐束進(jìn)行分級(jí)張拉，分級(jí)張拉系數(shù)為σcon（設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力）的0.2、0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍，加載、卸載速率緩慢平穩(wěn)，速率分別控制在每分鐘不超過(guò)0.1σcon和0.2σcon，穩(wěn)壓持荷時(shí)間按照5min進(jìn)行控制。

錨索預(yù)應(yīng)力損失主要分為張拉鎖定過(guò)程中的應(yīng)力損失和鎖定后的應(yīng)力損失，前者主要受張拉過(guò)程操作的規(guī)范性、工器具的配套適用性及施工工藝影響，而后者主要受巖層地質(zhì)條件、施工影響以及應(yīng)力自然衰減影響。為充分掌握錨索張拉壓力表與測(cè)力表的數(shù)據(jù)偏差量，在錨索張拉施工前對(duì)錨索張拉千斤頂、壓力表及測(cè)力計(jì)分別進(jìn)行率定、檢驗(yàn)，并將錨索千斤頂、壓力表與測(cè)力計(jì)進(jìn)行配套率定，以驗(yàn)證二者數(shù)據(jù)的一致程度和準(zhǔn)確性，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的錨索張拉施工。通過(guò)配套率定試驗(yàn)驗(yàn)證，錨索張拉壓力表與測(cè)力計(jì)數(shù)據(jù)偏差不是很大，一般在3%～5%左右。

3.3 主要影響因素

3.3.1 地質(zhì)條件

工程邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體較為破碎、節(jié)理發(fā)育，且存在較多的裂隙或裂縫；通過(guò)錨索鉆孔資料驗(yàn)證，山體卸荷、裂隙發(fā)育，屬?gòu)?qiáng)卸荷區(qū)，局部存在孔內(nèi)掉塊、空洞及裂隙等現(xiàn)象，判斷為水平和垂直坡面裂隙的可能性較大。

實(shí)際施工過(guò)程中，錨索鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、掉塊等現(xiàn)象，致使成孔困難，施工效率較低。為加快錨索成孔速度，提高施工效率，并降低工程投資，以保證成孔為目的，僅對(duì)錨索孔進(jìn)行固壁灌漿。灌漿采用自流無(wú)壓力漿液，并在孔口采取加砂、推水泥球等措施，然后待凝、掃孔、鉆進(jìn)，直至最終成孔，而未真正對(duì)巖體裂縫、孔洞進(jìn)行有效的封填，以致在錨索張拉后，出現(xiàn)巖體蠕動(dòng)變形，壓縮了巖層、裂隙間的空間距離，從而造成錨索預(yù)應(yīng)力損失。

3.3.2 爆破的影響

根據(jù)《水利水電工程爆破施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5135—2013）要求，錨索封孔灌漿3d內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不得大于2.0m/s，3～7d內(nèi)爆破產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度不得大于5.0cm/s。而對(duì)于高邊坡施工，為確保高邊坡的穩(wěn)定及施工安全，嚴(yán)格要求支護(hù)的及時(shí)性，特別是深層錨索支護(hù)，受工期進(jìn)度的影響，開(kāi)挖爆破在一定范圍內(nèi)是允許，以控制安全距離50m為宜。

開(kāi)挖爆破對(duì)周?chē)扑閹r體的影響可能更大，特別是大的爆破后，應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小變化，反復(fù)出現(xiàn)對(duì)其受影響范圍產(chǎn)生影響，首先是內(nèi)錨段（黏結(jié)力、機(jī)械嵌固力、表面摩擦力），其次是外錨固（錨具與鋼絞線(xiàn)之間的相對(duì)位移、錨板與夾片之間相對(duì)位移等）。

3.3.3 邊坡錨固力的影響

從鄰近監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)（多點(diǎn)位移計(jì)）成果分析，沒(méi)有影響邊坡安全的變形，但存在表觀(guān)的緩慢蠕動(dòng)變形，呈逐步收斂趨勢(shì)。而整個(gè)邊坡采用深層錨索系統(tǒng)支護(hù)，錨索錨墩之間采用框格梁連接，錨索張拉完成后，錨墩受力全部作用于框格梁上，進(jìn)而使整個(gè)邊坡處于一個(gè)整體狀態(tài)，故而可能對(duì)單個(gè)錨索的受力造成削弱，以致錨索應(yīng)力變小，形成預(yù)應(yīng)力損失的假象。

3.3.4 儀器及設(shè)備本身的原因

為確保錨索夾具與夾片的適用性、匹配性，采用同一正規(guī)廠(chǎng)家生產(chǎn)的錨具及夾片，并經(jīng)外委質(zhì)量檢測(cè)，錨具及夾片檢測(cè)質(zhì)量合格，且能夠滿(mǎn)足使用要求。而通過(guò)對(duì)儀器率定情況分析，儀器本身初始空載讀數(shù)變化存在較大差異，基本與配套率定成果保持一致，況且配套率定也不可能完全模擬孔內(nèi)的情況，不能測(cè)定鋼絞線(xiàn)之間應(yīng)力不均勻性影響。另外，高原地區(qū)環(huán)境溫度變化（溫差變化較大）及氣壓亦有可能產(chǎn)生一定的影響。

3.3.5 施工工藝

壓力分散型錨索因內(nèi)錨點(diǎn)位置不同，鋼絞線(xiàn)長(zhǎng)度也不同，因此同一張拉應(yīng)力下鋼絞線(xiàn)伸長(zhǎng)值也不相同，故而需進(jìn)行單束分級(jí)循環(huán)張拉。張拉機(jī)具采用穿心式前卡千斤頂，千斤頂前端配置專(zhuān)用頂頭，該千斤頂操作程序簡(jiǎn)單方便，節(jié)省操作時(shí)間，使用安全可靠；但在實(shí)際施工過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)該方式張拉存在一定弊端，主要是錨索張拉千斤頂頂頭鍵槽深度問(wèn)題（見(jiàn)圖2），若槽深過(guò)大，則易造成錨索鎖定時(shí)夾片回縮距離增大，應(yīng)力損失加大；反之，由于夾片活動(dòng)空間太小，造成夾片行程過(guò)小，致張拉時(shí)夾片不能完全松開(kāi)鋼絞線(xiàn)，張拉應(yīng)力被消耗到夾片與鋼絞線(xiàn)的摩擦力上，從而造成鋼絞線(xiàn)表層受損嚴(yán)重（見(jiàn)圖3）。

圖2　張拉專(zhuān)用錨頭鍵槽深度

圖3　錨索張拉中鋼絞線(xiàn)損壞嚴(yán)重

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)性試驗(yàn)中鋼絞線(xiàn)張拉受損情況的觀(guān)察，可以充分說(shuō)明鍵槽深度偏小是造成問(wèn)題的主要原因。從試驗(yàn)錨索的張拉過(guò)程進(jìn)行錨索的受力分析。設(shè)P為壓力表張拉應(yīng)力值，P1為錨索測(cè)力計(jì)顯示值，P2為錨具夾片與鋼絞線(xiàn)的反向摩擦力，則有：

理論情況下：P = P1+ P2，其中P2無(wú)限小，按零計(jì)，即P = P1；而實(shí)際情況下：P = P1+ P2，其中P2受工藝（夾片活動(dòng)空間）、孔道摩擦力影響，不能為零，大約為P的10%左右，通過(guò)綜合分析，錨索張拉后的應(yīng)力偏差即為P2。

4 主要原因及采取的措施

錨索應(yīng)力出現(xiàn)偏差的原因確有很多種，不盡相同，且影響力有大有小、有主有次，但結(jié)合各個(gè)工程的特點(diǎn)及地質(zhì)條件，通過(guò)分析基本可以縮小至某一個(gè)特定的范圍，確定主、次影響因素。根據(jù)該工程的特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)以上幾種影響錨索應(yīng)力偏差因素的分析，可以認(rèn)為該工程施工范圍內(nèi)的錨索應(yīng)力偏差與錨索張拉工藝有關(guān)，特別是錨索千斤頂頂頭槽深，是引起偏差的主要原因。在錨索的實(shí)際張拉過(guò)程中，由于錨索張拉工藝的缺陷，使錨索張拉鎖定時(shí)夾片回縮較大，造成鋼絞線(xiàn)應(yīng)力損失過(guò)多，最終致使錨索鎖定噸位與張拉顯示噸位出現(xiàn)較大的應(yīng)力偏差。

通過(guò)綜合分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)張拉過(guò)程及結(jié)果驗(yàn)證，確定錨索張拉工藝是造成預(yù)應(yīng)力偏差的主要原因，為此采取措施進(jìn)行試驗(yàn)改進(jìn)。錨索張拉時(shí)，為減少夾片回縮量，利用退錨器進(jìn)行張拉（見(jiàn)圖4），在達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)進(jìn)行穩(wěn)壓，然后利用專(zhuān)用工具對(duì)退錨器內(nèi)夾片進(jìn)行施壓，使退錨器內(nèi)夾片進(jìn)入錨具孔內(nèi)，并夾緊鋼絞線(xiàn)，以使千斤頂減壓時(shí)減少夾片回縮至孔內(nèi)的距離，從而減少錨索的預(yù)應(yīng)力損失。此種方法雖笨拙原始，但能充分說(shuō)明問(wèn)題，證明錨索應(yīng)力損失確實(shí)是夾片回縮距離太長(zhǎng)所致。根據(jù)直線(xiàn)型錨索伸長(zhǎng)計(jì)算公式

式中ΔL——錨索伸長(zhǎng)值，mm；

P——預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的平均張拉力，N；

L——預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)從張拉端至計(jì)算截面的孔道長(zhǎng)度，mm；

A——預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的截面積，mm2；

E——預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)的彈性模量，MPa。

每束鋼絞線(xiàn)回縮1～2mm，造成應(yīng)力損失約15kN，以噸位為2000kN（10束鋼絞線(xiàn)）、深度45m的預(yù)應(yīng)力錨索為例，整束錨索應(yīng)力損失約150kN，充分說(shuō)明錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要原因。

圖4　退錨器張拉

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力偏差的原因分析，查明造成預(yù)應(yīng)力損失的主要原因，采取針對(duì)性的措施能夠有效減少預(yù)應(yīng)力偏差，但改進(jìn)措施不太適用于現(xiàn)場(chǎng)施工，不能較廣范圍推廣應(yīng)用，而且不利于提高工作效率。為此，建議改進(jìn)預(yù)應(yīng)力錨索單根張拉的千斤頂頂頭，采用液壓裝置，在錨索張拉時(shí)，通過(guò)鋼絞線(xiàn)的拉伸，夾片隨之移動(dòng)出錨具孔；在錨索穩(wěn)壓結(jié)束時(shí)，通過(guò)液壓

裝置對(duì)錨索夾片施加壓力，迫使其進(jìn)入錨具孔內(nèi)，回到預(yù)定的位置，并夾緊鋼絞線(xiàn)，以減少千斤頂卸壓后的夾片回縮量，進(jìn)而從根本上解決錨索張拉過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力損失。

參考文獻(xiàn)

［1］劉玉堂，翟金明.常用預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)［J］.預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2005（5）.

［2］DL/T 5083—2010水電水利工程預(yù)應(yīng)力錨索張拉施工規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

Analysis on the stretch-draw prestress deviation cause of pressure dispersed anchor cable

WANG Hongchao
（Zhejiang Huadong Engineering Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou 311100，China）

Abstract：There are various reasons and influence factors for anchor cable prestress loss.In the paper，the reasons and influence factors possiblly causing anchor cable strech-draw deviation are summarized through analyzing the strech-draw prestress deviation of pressure dispersed anchor cable.Effective improvement measures are adopted for reaching the purpose of reducing stress loss.

Key words：pressure dispersed anchor；stretch-draw；deviation causes；analysis

DOI：10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.03.015

中圖分類(lèi)號(hào)：P642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241（2016）03-0061-05