水電站引水發(fā)電洞進水口邊坡錨索預(yù)應(yīng)力損失分析

裴雙雙

（綏陽縣風(fēng)華鎮(zhèn)水務(wù)管理工作站，貴州 遵義 563099）

1 工程概況

項目朱老村水電站位于綏陽縣黃楊鎮(zhèn)清溪村，壩址位于清溪河上游清溪村河段，于1980年建成投產(chǎn)，2019年完成擴容改造，開發(fā)任務(wù)是水力發(fā)電，為引水式電站，裝機規(guī)模由820 kW（1×320 kW+1×500 kW）擴至1 000 kW（2×500 kW）。工程主要由攔河壩、取水口、引水渠、前池、壓力鋼管、廠房等水工建（構(gòu)）筑物組成。

2 錨索測力計設(shè)置

采用BGK-4900型振弦式錨索測力計和GK-403讀數(shù)儀進行該水電站引水發(fā)電洞進水口邊坡錨索預(yù)應(yīng)力損失檢測。使用的錨索測力計承載力為25～500 t，可超載125%，靈敏度0.03%，線性度0.50%，耐水壓15 kPa，工作溫度-40℃～65℃，測力計為高強合金鋼圓筒，圓筒中設(shè)置3～6支由不銹鋼護管保護的高精度振弦式傳感器。發(fā)生邊坡巖體變形后荷載便會通過測力計作用于鋼圓筒內(nèi)的傳感器鋼弦，引發(fā)鋼弦振動；將通過讀數(shù)儀所測得的振頻與空載讀數(shù)比較后便可根據(jù)公式測算出邊坡錨索受力程度，公式如下：

式中：P—邊坡錨索預(yù)應(yīng)力（kN）；G—錨索測力計率定系數(shù)；R0—錨索測力計空載讀數(shù)；R1—錨索測力計初始讀數(shù)；K—錨索測力計溫度系數(shù)；T1—初始溫度（℃）；T0—測試溫度（℃）。

結(jié)合該水電站引水發(fā)電洞進水口邊坡地質(zhì)特征，在進口處邊坡布置307 束預(yù)應(yīng)力錨索，其中3 000 kN 級、2 000 kN 級、1 500 kN級錨索分別為44束、119束和144束。由于施工時間較早的原因，高程830～858 m段邊坡處并未設(shè)置測力計。在不同高程處選取13 束錨索布置測力計并實施觀測，錨索依次編號為MS1～13，錨索測力計布置情況表略，全部錨索均安裝于2020年。錨索測力計安裝過程必須與錨索施工張拉過程保持一致，即鉆孔→穿索→注漿→錨墩澆筑→測力計安裝→錨索張拉→封頭保護→觀測站設(shè)置。為防止錨索穿過軟弱破碎帶期間出現(xiàn)卡鉆、錨索無法下拉到位等情況，應(yīng)通過潛孔錘跟管鉆進、裸孔鉆進反吹清孔、二次高壓注漿、擴孔錨固等技術(shù)，提高錨固力。

考慮到鋼絞線松動、圍巖壓縮徐變、錨具滑移等對進水口邊坡錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響，必須分級進行錨索張拉加載，并待拉力達到設(shè)計值后鎖定，封裹錨頭。該水利工程進水口邊坡預(yù)應(yīng)力錨索張拉按照設(shè)計張拉應(yīng)力的10%、50%、80%、100%、110%分五級進行。

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 錨固力全過程分析

在分析編號MS1～13測點錨固力的基礎(chǔ)上，得到四種錨索預(yù)應(yīng)力-時間曲線，具體見圖1。其中穩(wěn)定型錨索從鎖定開始錨固力的變動趨勢均較為平緩，且無明顯波動，對應(yīng)著錨索MS7 和MS12［圖1（a）］；突變型錨索從鎖定開始錨固力起初較為穩(wěn)定，但在2020年10-11月期間因錨索測力計四周澆筑混凝土施工的影響，測定值發(fā)生劇烈波動，澆筑施工結(jié)束后重又恢復(fù)平穩(wěn)，對應(yīng)MS1、MS3、MS4、MS5、MS6、MS8、MS9 錨索［圖1（b）］；補償型錨索包括一次補償和兩次補償兩種，首次張拉時可能會因鋼絞線應(yīng)變較大而暫停張拉并鎖定，對損失較大的錨固力進行一次補償張拉后鎖定，測定值便趨于穩(wěn)定，如MS2和MS10，見圖1（c）；若對錨固力一次補償張拉鎖定后仍劇烈變動，則必須二次補償張拉，鎖定后測定值趨于穩(wěn)定，如MS11和MS13，見圖1（d）。

圖1 錨索全過程預(yù)應(yīng)力-時間曲線圖

3.2 補償張拉

該水電站引水發(fā)電洞進水口邊坡錨索分批分級張拉，對于預(yù)應(yīng)力損失較大的錨索，為減少混凝土收縮徐變損失和鋼絲松弛損失，初張拉后必須暫停3-5 d再進行二次補償張拉。這種做法既能有效消除相鄰錨桿的不利影響，又能有效防止錨桿預(yù)應(yīng)力快速衰減，準確鎖定至設(shè)計預(yù)應(yīng)力水平，二次補償張拉后預(yù)應(yīng)力變化也會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。2020 年4 月5 日進行了該水電站工程MS13#錨索的張拉，張拉至1 410.21 kN 時因鋼絞線應(yīng)變突然變大而暫停張拉、鎖定，鎖定后的預(yù)應(yīng)力讀數(shù)為1 296.76 kN；4月10日二次張拉，張拉至1 469.85 kN時停止并鎖定；4月26日再次張拉至1 505.95 kN停止張拉、鎖定。通過分析MS13#錨索補償張拉預(yù)應(yīng)力～時間曲線發(fā)現(xiàn)，曲線臺階狀特征十分明顯。

4 錨索預(yù)應(yīng)力損失分析

4.1 預(yù)應(yīng)力損失率

通過分析錨索測力計所測得的編號MS1～13 測點錨固預(yù)應(yīng)力進行預(yù)應(yīng)力損失率計算，并根據(jù)計算結(jié)果評價邊坡加固效果。錨索預(yù)應(yīng)力總損失由鎖定前損失和鎖定后損失構(gòu)成，其中，鎖定前損失率為超張拉值和鎖定值之差與超張拉值的比；鎖定后損失率為鎖定值和鎖定后測定值之差與鎖定值之比。各測點錨索預(yù)應(yīng)力損失率詳見表1，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，2 000 kN級錨索測力計所得到的MS1～7 測點的錨索預(yù)應(yīng)力損失率最大、最小值分別為9.99%和0.38%；當(dāng)前損失率最大、最小值分別為10.49%、3.55%，總損失率最大最小分別為10.89%和3.90%。而1 500 kN級錨索測力計所得到的MS8～13測點的錨索預(yù)應(yīng)力損失率最大、最小值為9.84%、-0.02%，當(dāng)前損失率最大、最小值分別為9.45%、4.39%，總損失率最大最小分別為19.23%和9.96%。

表1 錨索預(yù)應(yīng)力損失率統(tǒng)計表

4.2 預(yù)應(yīng)力損失原因

4.2.1 錨索鎖定前預(yù)應(yīng)力損失

預(yù)應(yīng)力錨索張拉期間預(yù)應(yīng)力損失程度與錨索和孔壁摩擦、千斤頂張拉摩阻力等有關(guān)，對于平直鉆孔，錨索安裝后基本不接觸孔壁，也基本不產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失；千斤頂張拉摩阻力引起的預(yù)應(yīng)力損失一般較小，并可通過超張拉消除。

根據(jù)對該水電站引水發(fā)電洞進水口邊坡錨索預(yù)應(yīng)力損失率的統(tǒng)計，錨索鎖定時預(yù)應(yīng)力損失較大。因為受錨具質(zhì)量、工藝等的影響，錨索在鎖定過程中鋼絞線表現(xiàn)出一定程度的回縮，且回縮量越大，對應(yīng)的錨索預(yù)應(yīng)力損失也越大。此外，構(gòu)成錨頭的墊板、墊墩強度及安裝質(zhì)量對錨索預(yù)應(yīng)力損失也有一定影響，可通過超張拉、補償張拉予以補償。

4.2.2 錨索鎖定后預(yù)應(yīng)力損失

鋼絞線受力后應(yīng)變會隨時間延長而降低，出現(xiàn)松弛，引發(fā)錨索預(yù)應(yīng)力損失，可以通過使用低松弛預(yù)應(yīng)力材料或二次補償張拉等予以應(yīng)對。此外，臨近錨根和錨固端等部位的應(yīng)力集中區(qū)巖體徐變也會引發(fā)錨索預(yù)應(yīng)力損失，可采用錨索多級循環(huán)加載方式應(yīng)對。施工擾動和環(huán)境溫度等對錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響均較小，待施工結(jié)束或校正后便能得到高精確度的數(shù)值。

5 結(jié)論

綜上所述，該水電站引水發(fā)電洞進水口邊坡錨索加固效果直接關(guān)系到水利工程運行的安全性和穩(wěn)定性，邊坡錨索預(yù)應(yīng)力損失程度主要與錨索材質(zhì)、錨具質(zhì)量、邊坡巖土體力學(xué)特性、錨固工藝、環(huán)境等因素有關(guān)。通過對邊坡錨索預(yù)應(yīng)力損失引起原因及變化規(guī)律的分析，把握錨固時機適時進行錨索超張拉或補償張拉，應(yīng)用低松弛材料，加強張拉施工過程控制，以使預(yù)應(yīng)力損失得到有效補償。