預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在水利工程邊坡處理中的應(yīng)用

杜曉虎

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著施工技術(shù)的發(fā)展，水利工程也得到了持續(xù)大量的建設(shè)，對(duì)于水利邊坡工程而言，除了需要滿足各種設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、堅(jiān)固和耐久性外，還需要實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的適應(yīng)協(xié)調(diào)，尤其是在工作面開(kāi)挖過(guò)程，避免放坡和減少拆遷的工作量，只有這樣才能較好的滿足工程項(xiàng)目的需求。對(duì)于水利工程邊坡的處理，當(dāng)前主要采用擋土墻、邊坡錨固和土釘支護(hù)的方法，對(duì)于上述幾種方法均有各自的針對(duì)性、使用范圍和使用效果，然而對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索板墻結(jié)合了上述預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和板墻防滲的優(yōu)點(diǎn)，得到了較為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于應(yīng)力錨索而言，作為一種可承受拉力的結(jié)構(gòu)，一段固定在地層結(jié)構(gòu)中，另一端與被加固物體連接，形成一種新的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，對(duì)于邊坡工程的穩(wěn)定性，抑制、減少和消除天然力場(chǎng)對(duì)于水利邊坡工程的危害，對(duì)于提供邊坡工程的穩(wěn)定性起到較大的促進(jìn)作用，因此在邊坡加固、深基坑和地下洞室工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的研究，多集中在施工工藝方面，對(duì)于其選擇匹配性和后期加固處理效果缺乏深入的研究，因此本文通過(guò)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索板墻在某水利工程邊坡加固處理中的應(yīng)用，首先從結(jié)構(gòu)和適用性方面介紹了預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的組成和特點(diǎn)，然后針對(duì)實(shí)際工程，從材料選擇、施工工藝和關(guān)鍵控制技術(shù)方面介紹了預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，最后通過(guò)實(shí)際傳感器的監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)表明，預(yù)應(yīng)力損失主要存在于張拉階段和錨固階段，在正常服役階段，預(yù)應(yīng)力損失較小，證明預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在水利工程邊坡處理中的有效性，對(duì)于未來(lái)類似工程的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收和加固維修提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程實(shí)例

某工程為水利樞紐工程，能夠滿足防洪、發(fā)電和供水的綜合作用。在定期檢測(cè)過(guò)程中，水利大壩山體邊坡存在山體滑坡的重大安全隱患。根據(jù)勘查資料可知，左岸邊坡巖性為泥盆系中厚層-厚層砂巖，巖層分布為傾向下游，同時(shí)向左岸偏移。通過(guò)對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)邊坡荷載裂縫發(fā)育成熟，張開(kāi)度較大，同時(shí)存在規(guī)模較大的洞隙若干，相對(duì)于初始情況，邊坡穩(wěn)定情況出現(xiàn)了較大的變化，在降雨、邊坡底部施工等情況下容易發(fā)生裂縫和滑塌破壞。

圖1 某邊坡處理工程截面圖

鑒于上述病害情況，養(yǎng)護(hù)處采取了削破壓腳、噴錨支護(hù)的加固方式，然而病害并沒(méi)有得到有效控制，存在繼續(xù)發(fā)展的可能性。根據(jù)對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的了解和實(shí)際工程情況，各方一致決定采取預(yù)應(yīng)力錨索板墻結(jié)構(gòu)對(duì)于邊坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。如圖1所示。本文就預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、施工工藝和預(yù)應(yīng)力損失的檢測(cè)對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在水利邊坡工程的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。

2 預(yù)應(yīng)力錨索加固原理及分析

2.1 預(yù)應(yīng)力錨索加固原理

關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨索板墻對(duì)于工程邊坡的加固防護(hù)，主要是通過(guò)錨固作用將破碎松散巖土錨固在巖體上，通過(guò)預(yù)應(yīng)力的作用，使得錨固范圍內(nèi)的軟弱巖體得到擠密，使得不同巖層之間的正壓力和摩阻力大大提高，對(duì)于松散巖體之間的相對(duì)位移作用起到較好的阻止作用。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索板墻結(jié)構(gòu)示意圖

預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖3可知，水泥漿包裹預(yù)應(yīng)力鋼絞線，保存在波紋管內(nèi)。關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨索受力原理，則認(rèn)為預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)主動(dòng)對(duì)于松散巖層施加正應(yīng)力，對(duì)于滑移面的壓力大大增強(qiáng)，使得坡體趨于穩(wěn)定。同時(shí)注漿作用不僅能夠包裹鋼絞線，對(duì)于坡體內(nèi)裂縫和空隙也有一定的填充作用，提高了坡體內(nèi)破碎巖體的完整性，同時(shí)由于水泥漿具有一定程度凝固作用，這對(duì)于坡體的完整性也有一定程度的提高。

2.2 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)

對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索板墻的加固作用計(jì)算思路：首先根據(jù)地質(zhì)條件和重要性，初步擬定板墻的截面尺寸和錨固段的長(zhǎng)度、錨索位置和初始預(yù)應(yīng)力；然后根據(jù)具體形式判斷計(jì)算模式，對(duì)于滑動(dòng)面彎矩、剪力、轉(zhuǎn)角和撓度進(jìn)行計(jì)算；利用位移變形協(xié)調(diào)原理對(duì)于錨索拉力值進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)于樁頂位移進(jìn)行計(jì)算，判斷是夠滿足樁頂位移控制標(biāo)準(zhǔn)。

以下就預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在水利工程邊坡工程應(yīng)用中的典型計(jì)算模式進(jìn)行詳細(xì)分析。

(1)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際工程勘察情況分別選擇土層厚度和產(chǎn)狀通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行分析，具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 勘察土層室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

注:括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為內(nèi)滑坡推力模式計(jì)算時(shí)滑面力學(xué)參數(shù)取值。

(2)土壓力結(jié)構(gòu)計(jì)算

對(duì)于土壓力的計(jì)算，工程上常采用庫(kù)倫土壓力進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于滑坡推力則采用傳遞系數(shù)法進(jìn)行分析。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨索變形協(xié)調(diào)示意圖

根據(jù)上述變形協(xié)調(diào)示意圖，對(duì)于內(nèi)力和配筋的計(jì)算多采用分項(xiàng)系數(shù)法得到承載力極限狀態(tài)。對(duì)于其他結(jié)構(gòu)按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

(3)錨桿計(jì)算分析

對(duì)于錨桿的鋼絞線的截面面積、強(qiáng)度以及砂漿與鋼絞線之間的粘聚力，選擇上述計(jì)算的最小值進(jìn)行分析計(jì)算，受到鋼絞線較大的影響，其余錨桿設(shè)計(jì)軸向拉力的比值，則為抗拔安全系數(shù)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)分析計(jì)算如圖5所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)計(jì)算示意圖

3 預(yù)應(yīng)力錨索施工

對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在水利邊坡加固工程中的應(yīng)用，存在兩個(gè)施工難點(diǎn)：

(1)施工困難。水利邊坡工程過(guò)高、過(guò)陡，錨索孔位于半坡上，腳手架的搭設(shè)和高空作業(yè)時(shí)施工的最大問(wèn)題。

(2)技術(shù)難度大。對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在本項(xiàng)目中的應(yīng)用，存在錨索鉆孔深、存在地下水的問(wèn)題，尤其是錨索穿越裂隙面和斷裂破碎帶，存在著漏風(fēng)、塌孔和卡鉆的施工難題。

為了保證預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在水利邊坡工程中的應(yīng)用，以下就施工工藝和主要施工方法進(jìn)行介紹。

3.1 施工工藝

對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在水利邊坡加固項(xiàng)目中的應(yīng)用，主要施工工藝如圖6所示。

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索施工流程圖

根據(jù)圖6可知，預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)施工工藝主要為：搭設(shè)腳手架→測(cè)量定位→覆蓋層清理修整→鉆孔、清孔與錨索制作→錨索安裝→壓漿→錨墩混凝土澆筑→錨索張拉與鎖定→最后封錨。

3.2 主要施工方法

3.2.1 施工準(zhǔn)備

對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索板墻在水利邊坡中的應(yīng)用，施工前需做以下準(zhǔn)備工作：

(1)對(duì)坡面按照設(shè)計(jì)進(jìn)行削坡，將坡面浮土、雜物清理干凈。

(2)測(cè)量放樣。利用測(cè)量?jī)x器對(duì)于錨孔孔位進(jìn)行定位，并做好孔位標(biāo)記。鑒于施工環(huán)境的復(fù)雜，如果需要孔位調(diào)整時(shí)，需要得到設(shè)計(jì)方許可才能進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 鉆孔與清孔

(1)施工準(zhǔn)備完畢后，按照設(shè)計(jì)孔位、傾角和方位進(jìn)行確定，對(duì)于鉆機(jī)導(dǎo)軌誤差不得超過(guò)±1°，方位角的誤差則限制在±2°。為了保證預(yù)應(yīng)力錨索的加固效果，需要采用干鉆造孔，嚴(yán)禁用水沖鉆或者沖孔洗壁；鉆孔過(guò)程中需要控制鉆進(jìn)速度，保證鉆孔效果。

(2)鉆孔結(jié)束后，對(duì)于鉆孔質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，孔徑和孔深不得小于設(shè)計(jì)值，需要超鉆50cm最為沉渣層，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后采用0.2～0.4MPa的高壓風(fēng)將孔內(nèi)巖石粉末吹洗干凈。

3.2.3 安裝錨索

在清孔完成后，安裝錨索前需要對(duì)于鉆孔質(zhì)量進(jìn)行二次檢查，對(duì)于塌孔和掉塊病害進(jìn)行清理；同時(shí)對(duì)于錨索結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行檢查，修復(fù)損壞的防護(hù)層。如果采用預(yù)制的錨固段，應(yīng)避免錨索安裝時(shí)自由端和錨固段產(chǎn)生彎曲線形，防止注漿液體的開(kāi)裂和脫離。

在推送錨索時(shí)，不得使錨索產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，保證推送受力一致，防止損傷錨索保護(hù)層；當(dāng)推送困難時(shí)，應(yīng)對(duì)錨索進(jìn)行拔出和檢驗(yàn)。錨孔經(jīng)檢驗(yàn)合格后應(yīng)進(jìn)行錨索安裝，安裝前對(duì)于注漿管進(jìn)行檢驗(yàn)，確保完全無(wú)誤后進(jìn)行穿索和注漿。

3.2.4 張拉與鎖定

安裝錨索后需要進(jìn)行錨固端的施工，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以后，則需要進(jìn)行預(yù)張拉。張拉作業(yè)開(kāi)始前需對(duì)張拉設(shè)備進(jìn)行校核，保證千斤頂、油泵和壓力表匹配，錨枕的安裝需要與錨墊板和千斤頂?shù)陌惭b緊密接觸，以保證承載力的均勻。

張拉前，對(duì)于預(yù)應(yīng)力束按照10%～20%的設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)張拉，使得各部位能夠緊密接觸和索體完全平直。張拉荷載主要分為五級(jí)進(jìn)行，前四級(jí)分別為25%、50%、75%和100%，在一級(jí)張拉穩(wěn)定后5min內(nèi)應(yīng)力不發(fā)生大的變化，則進(jìn)行下一級(jí)張拉，最后一級(jí)則為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的110%，在穩(wěn)定30min后則恢復(fù)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%。對(duì)于張拉預(yù)應(yīng)力的控制，以油泵油表讀數(shù)為準(zhǔn)，并用伸長(zhǎng)量進(jìn)行校核，設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量與理論值相差小于6%后，則認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)結(jié)果。

3.2.5 封錨

在預(yù)應(yīng)力束張拉完畢后，需要對(duì)于錨頭部分進(jìn)行及時(shí)封錨處理，外露部分以不小于20cm為標(biāo)準(zhǔn)，封錨混凝土強(qiáng)度不低于錨墩混凝土強(qiáng)度。為了減少預(yù)應(yīng)力損失對(duì)于加固效果的影響，本項(xiàng)目采用可調(diào)式錨索，即對(duì)于錨頭未采用混凝土進(jìn)行封錨處理，而是采用黃油封錨處理，外加鐵皮進(jìn)行防護(hù)處理，應(yīng)力可調(diào)式錨索外錨頭處理方式具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 應(yīng)力可調(diào)式錨索外錨頭處理方式示意圖

4 預(yù)應(yīng)力損失質(zhì)量檢驗(yàn)

鑒于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)對(duì)于水利邊坡工程加固處理工程的隱蔽性，一旦發(fā)生病害則會(huì)對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成較大的損失和較大的社會(huì)影響；同時(shí)預(yù)應(yīng)力束的材料特性使得預(yù)應(yīng)力損失難以避免，因此為了保證預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的加固處理作用，需要對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)于施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力束質(zhì)量檢測(cè)相應(yīng)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，選擇不少于5%的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行張拉試驗(yàn)，荷載為設(shè)計(jì)荷載的1.5倍，對(duì)于張拉過(guò)程和參數(shù)取值滿足設(shè)計(jì)和相關(guān)要求。根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索索力監(jiān)測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)，錨索應(yīng)力損失與時(shí)間關(guān)系如圖8所示。

圖8 錨索預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)圖8可知，預(yù)應(yīng)力損失主要分為兩個(gè)階段：

(1)張拉鎖定階段。錨索預(yù)應(yīng)力的損失在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，且損失量較大，占到總預(yù)應(yīng)力的15%～20%。

(2)錨索服役階段。預(yù)應(yīng)力損失隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而累積增加，但損失量相對(duì)不大，每年損失量為總預(yù)應(yīng)力值的3%～5%。

由圖8可知，預(yù)應(yīng)力錨索傳感器的錨固力在每年存在較大的波動(dòng)，每年10月份至次年6月份，錨固力有較大波動(dòng)，說(shuō)明錨索力受到氣候、環(huán)境和溫度較大的變化。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力損失量雖在持續(xù)增加，但相對(duì)增長(zhǎng)量卻在下降，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力在逐漸保持穩(wěn)定，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索在水利邊坡加固處理中的效果較為明顯。

5 結(jié)論

鑒于預(yù)應(yīng)力錨索板墻的設(shè)計(jì)理論和工程實(shí)踐日益成熟，因此在水利工程邊坡處理中得到了越來(lái)越為廣泛的應(yīng)用。本文通過(guò)在某水利工程中的應(yīng)用，系統(tǒng)介紹了預(yù)應(yīng)力錨索的構(gòu)成和特點(diǎn)，對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)的施工方法，分別從材料選擇、施工工藝流程和主要施工方法進(jìn)行了介紹，最后為了保證加固處理效果，對(duì)于預(yù)應(yīng)力損失的質(zhì)量檢測(cè)進(jìn)行了分析，文章對(duì)于類似工程提供一定的借鑒。