白鶴灘水電站預(yù)應(yīng)力錨索荷載損失機(jī)理研究

羅 剛 黃紀(jì)村

(中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)是比較高效和經(jīng)濟(jì)的加固技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域中均得到了高度重視和迅速發(fā)展，特別是在一些重要工程中得到廣泛使用。受預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝限制，施工過程中預(yù)應(yīng)力錨索實(shí)際荷載與設(shè)計(jì)荷載不可避免存在一定偏差，當(dāng)前主要利用超張拉來(lái)彌補(bǔ)施工過程中的荷載損失，但是由于施工過程荷載損失的影響因素較多，不同工程、不同部位荷載損失量離散型較大，因此合理確定超張拉量對(duì)指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力錨索施工具有重要意義。

我國(guó)學(xué)者對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究和測(cè)試研究。徐前衛(wèi)等[1]提出預(yù)應(yīng)力錨索的三維數(shù)值模擬方法，研究了預(yù)應(yīng)力錨索與巖體受力變形特征之間的關(guān)系；周永江等[2]研究了預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法，分析了長(zhǎng)期荷載下預(yù)應(yīng)力損失機(jī)理；阮波等[3]運(yùn)用關(guān)聯(lián)度分析方法對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的鎖定損失影響因素(鎖定荷載、自由段長(zhǎng)度及錨固段長(zhǎng)度)進(jìn)行了分析；張發(fā)明等[4]在分析影響預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)期荷載變化因素的基礎(chǔ)上，提出了錨索長(zhǎng)期荷載的變化規(guī)律及預(yù)測(cè)模式；夏元友等[5]運(yùn)用極限分析上限法和強(qiáng)度折減法研究了預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的安全系數(shù)計(jì)算方法，分析了滑坡內(nèi)部變形摩擦耗能的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律。

本文結(jié)合白鶴灘水電工程預(yù)應(yīng)力錨索施工及監(jiān)測(cè)成果，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索施工過程荷載損失原因進(jìn)行系統(tǒng)梳理和量化分析，選取9束代表性預(yù)應(yīng)力錨索監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從張拉過程、荷載鎖定和48 h內(nèi)荷載損失等方面進(jìn)行研究，提出減小荷載損失、保證施工質(zhì)量的具體措施，總結(jié)出超張拉確定原則，為其他類似工程的預(yù)應(yīng)力錨固提供借鑒。

白鶴灘水電站左、右岸地下廠房、主變洞和尾水管檢修閘門室等部位系統(tǒng)布置了約6 000束預(yù)應(yīng)力錨索，長(zhǎng)度為25 m，設(shè)計(jì)荷載P′=2 000 kN，設(shè)計(jì)鎖定荷載P=1 600 kN，超張拉按1.05P控制，即1 680 kN(P′為設(shè)計(jì)荷載，P為設(shè)計(jì)鎖定荷載，以下同)。

1 張拉過程荷載損失

在預(yù)應(yīng)力錨索張拉施工過程中，由于張拉荷載較小時(shí)測(cè)量誤差較大，為準(zhǔn)確分析荷載損失，本文選取分級(jí)張拉中的第四級(jí)(即張拉至設(shè)計(jì)荷載1 600 kN)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，9束代表性監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索張拉荷載與理論荷載損失最大103.6 kN，平均33.79 kN，一般小于80 kN。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

1.1 損失原因分析

由于荷載損失影響因素眾多，應(yīng)有針對(duì)性的查找原因，各因素的影響機(jī)理和控制閥值如表2所示。

表1 預(yù)應(yīng)力錨索張拉第四級(jí)荷載損失統(tǒng)計(jì)表

表2 預(yù)應(yīng)力錨索張拉過程荷載偏差影響因素匯總表

由于張拉設(shè)備與測(cè)力計(jì)屬于兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的測(cè)量系統(tǒng)，其相對(duì)測(cè)量誤差可稱為基準(zhǔn)誤差，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)力計(jì)與千斤頂聯(lián)合標(biāo)定結(jié)果，一般誤差為25 kN～40 kN，該誤差可用來(lái)校核錨索張拉設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)的匹配性和穩(wěn)定性。因此建議以2%P為控制閥值，一旦超出即表明張拉設(shè)備需進(jìn)行重現(xiàn)率定或更換。

鋼絞線與張拉系統(tǒng)偏心是造成張拉過程中荷載損失的主要因素，該偏心可能是由于在錨具和千斤頂安裝過程中造成的，也可能是錨索承載板本身與錨索孔道安裝不垂直，甚至個(gè)別工程中出現(xiàn)錨具與千斤頂不匹配而造成的大偏心，張拉過程中一旦產(chǎn)生偏心即會(huì)造成鋼絞線與限位板孔道和工作錨具孔道產(chǎn)生一定角度，產(chǎn)生的摩阻會(huì)造成較大荷載損失，甚至?xí)?dǎo)致鋼絞線斷裂等，因此應(yīng)保持鋼絞線與千斤頂同心、與限位板孔道垂直。由于錨索張拉設(shè)備安裝過程中偏心不可完全消除，建議以荷載損失不超過設(shè)計(jì)張拉荷載的2%作為可接受的小偏心，超出的應(yīng)重新安裝。

系統(tǒng)摩阻是指預(yù)應(yīng)力錨索施工張拉過程中不可避免的，因錨索鋼絞線與夾片之間存在摩擦引起的荷載損失，該荷載損失一般較小且難以消除，一般不超過1%P。

針對(duì)監(jiān)測(cè)錨索，一般情況下測(cè)力計(jì)與錨具由承包人和監(jiān)測(cè)單位分別采購(gòu)，如果測(cè)力計(jì)內(nèi)徑小于錨具孔道外徑，會(huì)造成鋼絞線與測(cè)力計(jì)之間產(chǎn)生摩擦，甚至破壞測(cè)力計(jì)，該情況一般荷載損失較大，在施工過程中應(yīng)避免發(fā)生。

1.2 控制措施

1)在預(yù)應(yīng)力錨索施工前，應(yīng)首先采用聯(lián)合標(biāo)定確定千斤頂與測(cè)力計(jì)的基準(zhǔn)誤差，施工過程中建議每月進(jìn)行一次中間聯(lián)合標(biāo)定，確保施工質(zhì)量。

2)應(yīng)通過多次生產(chǎn)性試驗(yàn)復(fù)核安裝偏心導(dǎo)致的荷載損失，重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)向鋼管與錨墊板的垂直情況，鉆孔、墊板、錨具和測(cè)力計(jì)的同心性。

3)由于錨具和測(cè)力計(jì)沒有統(tǒng)一尺寸標(biāo)準(zhǔn)，一般多為定制，因此錨索測(cè)力計(jì)采購(gòu)前應(yīng)根據(jù)錨具型號(hào)確定測(cè)力計(jì)外徑尺寸等參數(shù)。

2 鎖定損失

白鶴灘水電站地下廠房9束典型監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定損失如表3所示，鎖定損失最大171.7 kN，最小25.6 kN，平均損失103.7 kN，平均損失率6.1%。由于錨索張拉受施工條件、機(jī)械性能和工人操作影響較大，為分析鎖定損失的規(guī)律，本文同時(shí)整理了烏東德地下廠房6束代表性預(yù)應(yīng)力錨索(長(zhǎng)度L=30 m，設(shè)計(jì)鎖定荷載P=2 000 kN)張拉鎖定損失成果，如表4所示，最大損失200 kN，最小損失15 kN，平均損失113 kN，平均損失率5.2%。可見荷載損失規(guī)律性基本一致。

第二天，他又接到兩起申訴，一起來(lái)自一個(gè)男的，用溫和的語(yǔ)氣提出意見。“法官，我們對(duì)這件事實(shí)在不能不過問了。我是最不愿意打擾愛米麗小姐的人，可是我們總得想個(gè)辦法?！蹦翘焱砩先w參議員—-三位老人和一位年紀(jì)較輕的新一代成員在一起開了個(gè)會(huì)。

表3 白鶴灘預(yù)應(yīng)力錨索施工鎖定損失成果表

表4 烏東德水電站地下廠房錨索張拉鎖定損失成果表

2.1 原因分析

各鎖定損失產(chǎn)生機(jī)理和影響程度匯總?cè)绫?所示。

表5 預(yù)應(yīng)力錨索鎖定損失原因匯總表

預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定損失主要由鋼絞線回縮造成的，回縮量大小決定了預(yù)應(yīng)力損失的大小。其回縮量是由鋼絞線帶動(dòng)限位板內(nèi)工作錨夾片向錨具內(nèi)回縮引起的，因此限位板內(nèi)限位深度直接影響著鎖定損失的大小，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，限位板限位深度一般采用6 mm～8 mm較為適宜。同時(shí)，荷載鎖定速率會(huì)間接影響回縮量，卸載速率過快產(chǎn)生的動(dòng)載不僅會(huì)造成回縮量增加，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致鋼絞線損傷。

為了量化分析，對(duì)于不同設(shè)計(jì)參數(shù)的預(yù)應(yīng)力錨索，可以根據(jù)鋼絞線型號(hào)、彈性模量和每束預(yù)應(yīng)力錨索鋼絞線股數(shù)計(jì)算鋼絞線回縮引起的荷載損失理論值，可采用式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算：

ΔP=ΔL/L·(A·E)

(1)

其中，L為預(yù)應(yīng)力錨索孔道長(zhǎng)度，mm；ΔL為理論回縮量，一般可取6 mm；E為預(yù)應(yīng)力鋼絞線彈性模量，MPa；A為預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面積，mm2。

除鋼絞線回縮外，因錨索索體在孔道內(nèi)彎曲或扭曲均會(huì)造成荷載損失，張發(fā)明等人在《預(yù)應(yīng)力錨索錨固荷載的變化規(guī)律及預(yù)測(cè)模型》一文中提出，摩阻損失最大可達(dá)錨索張拉荷載的11.5%。

2.2 控制措施

1)施工前應(yīng)進(jìn)行限位板和錨具匹配性試驗(yàn)，在不損傷鋼絞線的前提下盡量減小限位板深度。

2)嚴(yán)格控制錨索鉆孔孔斜，錨索下索過程中可采用提高索體剛度的措施確保錨索在孔道內(nèi)平順，編索和下索過程中嚴(yán)禁出現(xiàn)索體扭曲。

3)雖然相同回縮量引起的荷載損失相同，但對(duì)不同噸位、不同長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力錨索荷載損失率差別較大，為了客觀反映鎖定損失的合理性，建議將荷載損失值作為施工質(zhì)量評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)之一。

3 48 h荷載損失

預(yù)應(yīng)力錨索48 h荷載損失情況，可基本反映在之后長(zhǎng)期使用中的可靠性，同時(shí)也可對(duì)荷載損失較大的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行補(bǔ)償張拉，確保預(yù)應(yīng)力錨索的使用功能。

根據(jù)9束監(jiān)測(cè)錨索的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(如表6所示)。

48 h應(yīng)力損失普遍小于40 kN，僅個(gè)別錨索損失較大，最大130 kN。

表6 監(jiān)測(cè)錨索48 h應(yīng)力損失統(tǒng)計(jì)表

3.1 原因分析

預(yù)應(yīng)力錨索鎖定后48 h應(yīng)力損失原因較多，包括錨墩混凝土、錨索材料、臨近錨索張拉、注漿體質(zhì)量、巖體質(zhì)量、噴混凝土質(zhì)量、臨近爆破影響等因素，本文對(duì)上述影響因素和產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行歸納匯總，如表7所示。

錨墩下巖體質(zhì)量是影響48 h荷載損失的主要因素，對(duì)于基巖預(yù)應(yīng)力錨索，Ⅲ類以下破碎巖體在荷載作用下裂隙產(chǎn)生閉合，巖體壓密而產(chǎn)生荷載損失。同時(shí)在實(shí)際施工中，一般先對(duì)破碎巖體噴混凝土進(jìn)行封閉，再進(jìn)行錨索施工，受噴混凝土厚度和可能存在的空腔影響，可能會(huì)產(chǎn)生荷載突降。對(duì)于Ⅱ類以上巖體錨索荷載損失一般較小，與監(jiān)測(cè)成果基本一致。其他各因素影響程度離散型較大，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)。

表7 預(yù)應(yīng)力錨索48 h荷載損失主要原因匯總

3.2 改進(jìn)措施

1)錨墩建基面應(yīng)詳細(xì)進(jìn)行清理、平整，對(duì)破碎巖體可通過擴(kuò)大錨墩尺寸的方式減小應(yīng)力集中而產(chǎn)生變形。

2)由于實(shí)際施工中僅個(gè)別斷面布置有監(jiān)測(cè)錨索，為確保每束預(yù)應(yīng)力錨索均能充分發(fā)揮長(zhǎng)期有效的錨固功能，非監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力錨索在張拉48 h后應(yīng)全部進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)。

3)對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜部位預(yù)應(yīng)力錨索，在具備條件的情況下應(yīng)保留外露鋼絞線一定時(shí)間，可根據(jù)錨索荷載變化情況進(jìn)行二次補(bǔ)償張拉或卸荷，更好的發(fā)揮預(yù)應(yīng)力錨索使用功能。

4)預(yù)應(yīng)力錨索張拉過程及48 h荷載損失影響因素較多，施工過程中應(yīng)認(rèn)真分析其根本原因，采取有針對(duì)性的改進(jìn)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

1)由于預(yù)應(yīng)力錨索張拉過程荷載損失的客觀存在，應(yīng)在定量分析張拉過程荷載損失和鎖定損失的基礎(chǔ)上選擇適宜的超張拉值。

2)假設(shè)不允許錨固巖土體產(chǎn)生臨空面位移稱為“錨索主動(dòng)防護(hù)”，允許錨固巖土體產(chǎn)生臨空面位移稱為“錨索被動(dòng)防護(hù)”，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)意圖對(duì)“錨索主動(dòng)防護(hù)”適當(dāng)增大超張拉值，對(duì)“錨索被動(dòng)防護(hù)”適當(dāng)減小超張拉值，做經(jīng)濟(jì)合理、靈活可控。

參考文獻(xiàn)：

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