三峽船閘高邊坡錨固及新型無(wú)粘結(jié)錨索

1、三峽船閘高邊坡錨固及新型無(wú)粘結(jié)錨索開發(fā)高大水（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢430010）關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力錨固；無(wú)粘結(jié)錨索；船閘；高邊坡；三峽水電站摘要：三峽雙線連續(xù)五級(jí)永久船閘，充分利用三峽花崗巖高強(qiáng)度的條件， 閘室采用錨固于巖石直立邊坡上的混凝土薄襯砌墻結(jié)構(gòu)，使邊坡巖體成為結(jié)構(gòu)的 組成部分。為提高邊坡巖體的穩(wěn)定性，共使用了 229束1 000 kN和3 975束3 000 kN的預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)邊坡巖體進(jìn)行加固，并安裝了 113臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)對(duì)錨索的受 力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在使用錨索的數(shù)量及安裝測(cè)力計(jì)臺(tái)數(shù)上均屬世界少有。三峽船 閘高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工工藝控制、加固效果分析及新型無(wú)粘結(jié)錨

2、 索試驗(yàn)研究與開發(fā)等錨固技術(shù)的應(yīng)用成果具有推廣價(jià)值。1工程簡(jiǎn)介長(zhǎng)江三峽水利樞紐雙線連續(xù)五級(jí)永久船閘位于長(zhǎng)江左岸，主體段長(zhǎng)1 617 m， 總水頭113 m。船閘修建于花崗巖山體中，兩側(cè)形成人工開挖巖質(zhì)高邊坡，邊坡 開挖坡高一般為100160 m，最大為170 m，閘室邊墻部位為5070 m的直立 坡，兩線船閘間保留了高5070 m、寬5557 m的巖體中間隔墩。船閘充分利 用三峽花崗巖高強(qiáng)度的條件，閘室錨固于巖石直立邊坡上，為混凝土薄襯砌墻結(jié) 構(gòu)。由于船閘邊坡巖體開挖后引起約510 MPa的地應(yīng)力釋放，使船閘邊坡表層， 特別是中隔墩及直立坡中上部形成一定范圍的塑性區(qū)。塑性區(qū)巖體隨著卸荷巖體 中

3、的原生裂隙出現(xiàn)張開和延伸變形，使巖體的整體力學(xué)性狀下降。同時(shí)，在船閘 閘槽開挖過程中，由于巖體中斷層和裂隙的切割，在4個(gè)直立坡面共形成790 個(gè)潛在不穩(wěn)定塊體，其中大于100 m3的317個(gè)，大于1 000 m3的52個(gè)。為增加船閘高邊坡的整體穩(wěn)定性，改善邊坡巖體的受力條件，布置了 229 束1 000 kN級(jí)、1937束3 000 kN級(jí)系統(tǒng)錨索對(duì)邊坡的塑性區(qū)進(jìn)行加固；布 置了 1621束3 000 kN級(jí)隨機(jī)錨索對(duì)邊坡塊體進(jìn)行加固；布置了 121束3 000 kN 級(jí)結(jié)構(gòu)錨索對(duì)閘首支持體進(jìn)行加固。并給選出的103束錨索安裝了 113臺(tái)測(cè)力計(jì)， 以監(jiān)測(cè)船閘區(qū)錨索預(yù)應(yīng)力狀態(tài)及船閘邊坡的穩(wěn)定性口

4、。船閘邊坡錨索加固典型 斷面見圖12。三峽船閘高邊坡錨固工程浩大，錨索結(jié)構(gòu)形式及施工工藝直接關(guān)系到工程進(jìn) 度和造價(jià)。為此，設(shè)計(jì)單位在船閘邊坡施工初期開展了大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)巖錨 試驗(yàn)，對(duì)錨索結(jié)構(gòu)、防腐措施及施工工藝等進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的研究。最后，根 據(jù)船閘邊坡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定不同部位采用不同結(jié)構(gòu)形式的錨索。圖I船間邊坡加固典型斷面2錨索布置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1錨索布置船閘南、北坡170 m高程以上為緩坡，部分馬道部位存在少量塑性區(qū)，布置 12排系統(tǒng)錨索，其中1 000 kN端頭錨索225束、3 000 kN端頭錨索203束。 170 m高程以下南、北直立坡和中隔墩塑性區(qū)相對(duì)較大，布置2排3 000

5、 kN系 統(tǒng)對(duì)穿錨索，其中南、北坡與巖體深部的排水洞對(duì)穿，中隔墩兩側(cè)對(duì)穿。南、北 直立坡和中隔墩的潛在不穩(wěn)定塊體多采用3 000 kN端頭錨索，少量為對(duì)穿錨索， 這些部位錨索均為全長(zhǎng)粘結(jié)結(jié)構(gòu)，但監(jiān)測(cè)錨索為無(wú)粘結(jié)結(jié)構(gòu)(帶自由變形段)。在閘首混凝土與支持體巖體之間采用帶自由變形段的3 000 kN無(wú)粘結(jié)錨索 加固。1 000 kN級(jí)全長(zhǎng)粘結(jié)端頭錨索結(jié)構(gòu)1 000 kN級(jí)端頭錨索設(shè)計(jì)噸位為1 000 kN，超張拉噸位1 150 kN，采用7015.4 mm的1 860 MPa級(jí)鋼絞線，設(shè)計(jì)強(qiáng)度利用系數(shù)為0.55，孔深3040 m，孔徑115 mm，內(nèi)錨段長(zhǎng)5 m。內(nèi)錨段采用棗核狀結(jié)構(gòu)，第1m設(shè)一隔離

6、支架，張拉段每2m 設(shè)一隔離支架。內(nèi)錨段與張拉段間用氣囊止?jié){環(huán)隔開，分兩期灌注水泥漿。錨索 內(nèi)錨段水泥漿為C35(7 d)，張拉段水泥漿為C25(28 d)；錨墩為方錐臺(tái)形，采用 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底座尺寸90 cmX90 cm，高70 cm，配5層614鋼筋，混 凝土為二級(jí)配，C35(7d)，錨墩外的錨具保護(hù)混凝土為C25(28 d)。錨具采用OVM7 孔錨具。錨索結(jié)構(gòu)見圖2。3 000 kN級(jí)全長(zhǎng)粘結(jié)端頭錨索結(jié)構(gòu)3 000 kN級(jí)端頭錨索，是三峽船閘邊坡使用量最多的錨索，既有系統(tǒng)錨索， 又有塊體隨機(jī)支護(hù)錨索，錨索孔深3060 m，內(nèi)錨段長(zhǎng)8 m，孔徑165 mm。錨 索設(shè)計(jì)噸位分3 000

7、kN和2 750 kN兩種，超張拉噸位分別為3 450 kN和3 000 kN，采用19015.24 mm的1 860 MPa級(jí)鋼絞線，設(shè)計(jì)強(qiáng)度利用系數(shù)分別為0.61 和0.55。錨墩也為方錐臺(tái)形，其鋼筋混凝土底座尺寸為100 cmX100 cm、高70 cm，配6層6.16鋼筋。錨索內(nèi)錨段、張拉段水泥漿及錨墩混凝土配合比和設(shè)計(jì) 強(qiáng)度與1 000 kN全長(zhǎng)粘結(jié)錨索相同。錨具采用OVM19孔錨具。結(jié)構(gòu)見圖2。3 000 kN級(jí)全長(zhǎng)粘結(jié)對(duì)穿錨索結(jié)構(gòu)3 000 kN對(duì)穿錨索兩端均設(shè)錨墩，只有張拉段，無(wú)內(nèi)錨段。錨索孔深40 60 m，孔徑165 mm，每2 m設(shè)一隔離支架。墩頭結(jié)構(gòu)及張拉段水泥漿設(shè)計(jì)要

8、求 與3 000 kN級(jí)端頭錨相同。2.5無(wú)粘結(jié)監(jiān)測(cè)錨索結(jié)構(gòu)三峽船閘高邊坡的1 000 kN端頭監(jiān)測(cè)錨索、3 000 kN端頭和對(duì)穿監(jiān)測(cè)錨索， 除鋼絞線改用同級(jí)別的無(wú)粘結(jié)鋼絞線及在錨墩處加裝測(cè)力計(jì)外，其他均與同級(jí)別 全長(zhǎng)粘結(jié)錨索相同。無(wú)粘結(jié)鋼絞線在原有鋼絞線外涂有一層防腐油脂并外套一層 PVC塑料套管，因此監(jiān)測(cè)錨索編索時(shí)，內(nèi)錨段部位先進(jìn)行剝皮并將油脂清洗干凈， 即內(nèi)錨段結(jié)構(gòu)與全粘結(jié)錨索完全一樣。但這類錨索，張拉段鋼絞線可在套管內(nèi)自 由變形，因此監(jiān)測(cè)錨索可測(cè)量出張拉段范圍內(nèi)巖體變形對(duì)錨索受力狀態(tài)的影響， 從而達(dá)到對(duì)錨固巖體穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)目的。2.6閘首無(wú)粘結(jié)錨索結(jié)構(gòu)為了提高閘首支持體的穩(wěn)定安全度，

9、在閘首混凝土與巖體之間專門設(shè)計(jì)了能 適應(yīng)混凝土與巖體間變形的無(wú)粘結(jié)錨索；并考慮到閘首閘門交變荷載的作用，外 錨頭仍采用8 m的粘結(jié)段，即該8m進(jìn)行剝皮洗油。錨索張拉、注漿后，外端有 錨具和8 m粘結(jié)段的雙重保險(xiǎn)作用，其結(jié)構(gòu)見圖3。3錨索施工工藝要求三峽船閘錨索施工采用圖4所示的工藝流程，但對(duì)穿錨索無(wú)內(nèi)錨段灌漿工 序，無(wú)粘結(jié)錨索在編索中增加剝皮洗油工序。對(duì)其中幾個(gè)重要工序的要求如下所 述。3.1造孔三峽船閘邊坡錨索孔深一般為3060 m, 1 000 kN孔徑為115 mm, 3 000 kN 孔徑為165 mm,要求開孔偏差 10 cm,孔斜誤差2%。鉆孔完畢后，用高壓水 將鉆孔沖洗干凈。對(duì)有

10、地質(zhì)缺陷的部位，還要進(jìn)行固結(jié)灌漿和掃孔。3.2內(nèi)錨段及張拉段灌漿內(nèi)錨段和張拉段均采用有壓循環(huán)灌漿法施工。內(nèi)錨段水泥灌漿采用0.32的 水灰比，摻0.7%高效減水劑，8%膨脹劑，灌漿壓力0.20.3 MPa，進(jìn)漿管由孔 口伸至孔底進(jìn)漿，回漿管穿過止?jié){環(huán)，管口位于環(huán)里側(cè)，以便能將內(nèi)錨段的水和 氣排出。張拉段水泥灌漿采用0 35的水灰比，摻8%膨脹劑，灌漿壓力為0.2 0.7 MPa。張拉段進(jìn)漿管伸至止?jié){環(huán)外側(cè)，回漿管位于孔口，以排出張拉段的水 和氣。對(duì)穿錨索由一端進(jìn)漿，另一端回漿。進(jìn)、回漿管均采用25 mm聚乙烯塑 料管。灌漿時(shí)，要求灌漿量大于理論吃漿量，進(jìn)、回漿量相等后，屏漿30 min 方可結(jié)

11、束灌漿。3.3張拉錨索張拉過程分預(yù)緊和分級(jí)張拉兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。其中預(yù)緊采用單絞線小千斤 頂循環(huán)法，單根絞線預(yù)緊噸位為30 kN。每根絞線至少進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)預(yù)緊，要求 兩次預(yù)緊伸長(zhǎng)值差小于3 mm，且每根鋼絞線的伸長(zhǎng)值不得小于理論伸長(zhǎng)值的10%。 否則，進(jìn)入下一循環(huán)繼續(xù)預(yù)緊，直到滿足要求才能進(jìn)入整體張拉。整體張拉時(shí)， 1 000 kN錨索分4級(jí)，3 000 kN錨索分5級(jí)。每級(jí)穩(wěn)壓7 min后進(jìn)入下一級(jí)張 拉，最后一級(jí)穩(wěn)壓15 min。要求錨索張拉過程中，錨索伸長(zhǎng)量不得小于理論伸 長(zhǎng)量的95%，不得大于理論伸長(zhǎng)量的110%。張拉分級(jí)如下：1 000 炒描索：頂緊500 kN -750r000 kN】

12、50 kN鎖定，3 000 kX 錨索 徹緊750 kN* 1 500 kX *2 250 kN -3 000 kNF kN鎖定4預(yù)應(yīng)力錨索監(jiān)測(cè)資料分析永久船閘一期工程開挖于1994年4月動(dòng)工，1995年10月結(jié)束，1998年4 月完成一期邊坡(直立墻以上)錨索施工，1996年初進(jìn)入二期工程施工，到2001 年12月，完成二期邊坡錨索施工。船閘高邊坡安裝的錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)資料顯示 以下結(jié)果。錨索張拉鎖定時(shí)鋼絞線回縮約4 mm，張拉力鎖定損失一般在-2%-5%之 間。預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定后整體上會(huì)產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力損失，但損失量值不 大。預(yù)應(yīng)力損失過程呈3個(gè)階段：急劇損失期，時(shí)間一般為615d，損失值

13、 -2%-5%；一般損失期，時(shí)間在26個(gè)月，損失值-3%-5%:緩慢損失期， 一般損失期以后進(jìn)入緩慢損失期，該期錨索應(yīng)力趨于穩(wěn)定，但整體呈下降趨勢(shì)， 下降量為-1%-3%。錨索安裝1年后，平均預(yù)應(yīng)力損失值為-10.48%；預(yù)應(yīng)力損 失在-3%-15%之間的占93.1%，在-15%-23%之間的占8.5%，鎖定后應(yīng)力增大 0%5%的占3.4%。錨索預(yù)應(yīng)力損失過程典型曲線見圖5。整體上，三峽船閘錨索預(yù)應(yīng)力損失較小，滿足工程設(shè)計(jì)要求。5雙層防護(hù)無(wú)粘結(jié)錨索的試驗(yàn)與開發(fā)5.1 1 000 kN級(jí)雙層防護(hù)無(wú)粘結(jié)試驗(yàn)錨索近年來(lái)，雙層防護(hù)無(wú)粘結(jié)錨索已成為國(guó)際上最常用的錨索結(jié)構(gòu)之一，由于其具 有適應(yīng)巖體變形的優(yōu)

14、點(diǎn)而倍受工程師們的歡迎。但我國(guó)在三峽工程建設(shè)之前，只 有二灘和小浪底兩個(gè)國(guó)際招標(biāo)工程的國(guó)外承包商直接購(gòu)買德國(guó)產(chǎn)品應(yīng)用過，其他 工程還沒有應(yīng)用過帶波紋管的雙層防護(hù)無(wú)粘結(jié)錨索。為此，三峽現(xiàn)場(chǎng)巖錨試驗(yàn)中 專門立項(xiàng)進(jìn)行了雙層防護(hù)無(wú)粘結(jié)端頭錨索的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，共布置9束試驗(yàn)錨索。試驗(yàn)的無(wú)粘結(jié)端頭錨索主要由導(dǎo)向帽、波紋管、無(wú)粘結(jié)鋼絞線、對(duì)中隔離架、 注漿管、錨具、錨墩、防腐油脂、保護(hù)帽及水泥漿組成。錨索設(shè)計(jì)噸位1 000 kN， 超張拉力1 150 kN,孔深30 m孔徑125 mm。錨索采用7根國(guó)產(chǎn)1 860 MPa級(jí)帶 油脂和塑料套管的無(wú)粘結(jié)鋼絞線。內(nèi)錨段剝皮5 m，并綁扎成棗核狀。整根錨索 套塑料波紋管

15、，波紋管內(nèi)、外均灌注水泥漿，錨索一次注漿至孔口，水泥漿配合 比與全長(zhǎng)粘結(jié)錨索內(nèi)錨段相同。塑料波紋管由國(guó)內(nèi)開發(fā)制造，壁厚1.5 mm，波 高5 mm,內(nèi)徑91 mm,外徑101 mm,可承外壓1.0 MPa。錨索的對(duì)中隔離架為聚 乙烯塑料制品，也由專門工廠生產(chǎn)。錨索張拉過程與全長(zhǎng)粘結(jié)錨索相同。錨索張 拉鎖定后，孔口附近的空隙及防護(hù)罩內(nèi)均灌注防腐油脂永久防護(hù)。整個(gè)錨索體均 達(dá)到了雙防護(hù)，如：內(nèi)錨段有水泥漿體和波紋管兩層防護(hù)；張拉段有水泥漿、油 脂、套管和波紋管防護(hù)；外錨頭有油脂和鋼罩兩層防護(hù)。該錨索運(yùn)行一段時(shí)間后， 打開防護(hù)罩，清除油脂后可重新補(bǔ)償張拉。1 000 kN雙層防護(hù)無(wú)粘結(jié)錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)

16、證顯示，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的錨索結(jié)構(gòu) 和施工工藝合理，可適用于三峽船閘的永久支護(hù)，但由于國(guó)產(chǎn)波紋管和無(wú)粘結(jié)鋼 絞線價(jià)格偏高，實(shí)際施工中未采用。5.23 000 kN級(jí)雙層防護(hù)無(wú)粘結(jié)錨索開發(fā)隨著我國(guó)無(wú)粘結(jié)鋼絞線生產(chǎn)線的增多，無(wú)粘結(jié)鋼絞線的價(jià)格已大大降低，同 時(shí)波紋管的制造技術(shù)也日趨完善，成本也降低。為此，設(shè)計(jì)于1999年8月又開 發(fā)了與國(guó)外先進(jìn)的雙層防護(hù)無(wú)粘結(jié)錨索結(jié)構(gòu)相似的，錨索全長(zhǎng)達(dá)到雙保護(hù)的，且 適用船閘直立墻部位支護(hù)的3 000 kN級(jí)無(wú)粘結(jié)端頭錨和對(duì)穿錨索。新開發(fā)的無(wú)粘結(jié)端頭錨索體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及防護(hù)措施如下：保持三峽船閘3 000 kN級(jí)全長(zhǎng)粘結(jié)錨索165 mm孔徑、錨墩結(jié)構(gòu)及錨具不變；采用孔口收

17、縮環(huán)， 使165 mm孔徑錨索孔口段水泥漿厚度達(dá)到20 mm，滿足SL21298水工預(yù)應(yīng)力 錨固設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；對(duì)中隔離支架采用新開發(fā)的塑料制品，使編索和穿索 更為方便;采用環(huán)氧砂漿封堵技術(shù)，以解決端頭錨內(nèi)錨段波紋管端頭封堵問題； 在孔口管外側(cè)涂包環(huán)氧玻璃絲布，錨具外側(cè)金屬表面涂刷環(huán)氧樹脂，以提高孔 口段的防腐性能；開發(fā)的蜂窩狀孔口阻塞器，可解決端頭錨水平孔有壓灌漿的 問題。新開發(fā)的3 000 kN無(wú)粘結(jié)錨索體系有如下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)鋼絞線具有雙重保護(hù) 措施(張拉段有油脂塑料套管和水泥漿保護(hù)，內(nèi)錨段有波紋管和水泥漿保護(hù))，耐 久性得到提高;采用帶油脂和套管的無(wú)粘結(jié)鋼絞線，錨索張拉段適應(yīng)圍巖變形, 使錨

18、索體的抗變形能力提高。結(jié)構(gòu)見圖6。6結(jié)語(yǔ)tSfl.el663 11悠可瑯辟防於無(wú)帖站矣錨索魅構(gòu)(1)三峽船閘邊坡為高強(qiáng)度的花崗巖，錨索張拉鎖定后，錨固體變形基本完 成，采用水泥漿防腐的全長(zhǎng)粘結(jié)式錨索結(jié)構(gòu)；而閘首支持體加固錨索，由于混凝 土與巖體之間可能產(chǎn)生變形，故采用帶自由變形段的無(wú)粘結(jié)結(jié)構(gòu)，并考慮到閘首 閘門交變荷載的作用，外錨頭仍采用8m的粘結(jié)段起雙重保險(xiǎn)作用；而監(jiān)測(cè)錨索 采用帶自由變形段的無(wú)粘結(jié)結(jié)構(gòu)，并在錨頭部位安裝測(cè)力計(jì)，既可測(cè)量錨索產(chǎn)生 的預(yù)應(yīng)力損失，又可監(jiān)測(cè)錨固范圍內(nèi)巖體不利變形，并起到監(jiān)測(cè)錨固巖體穩(wěn)定性 的作用。三峽船閘加固錨索，針對(duì)不同的加固對(duì)象，采用不同的錨索結(jié)構(gòu)錨固的 設(shè)計(jì)方法值得借鑒。特別是閘首結(jié)構(gòu)錨索，兩端為粘結(jié)段，中間為自由段，特點(diǎn) 非常突出。三峽船閘加固錨索，多為水平孔，錨索內(nèi)錨段和張拉段均采用孔底進(jìn)漿、 孔口出漿的孔內(nèi)有壓循環(huán)灌漿，內(nèi)錨段與張拉段之間的止?jié){環(huán)止?jié){；錨索止?jié){環(huán) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，止?jié){作用可靠，成功地解決