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(kāi)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(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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(kāi)挖巖質(zhì)高邊坡，邊坡 開(kāi)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(xiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖過(guò)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(jiàn)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(kāi)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(xiàn)，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(kāi)，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(jiàn)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(xiàn)，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(jiàn)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(xiàn)改用同級(jí)別的無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)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(xiàn)在原有鋼絞線(xiàn)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(lèi)錨索，張拉段鋼絞線(xiàn)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(zhuān)門(mén)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(mén)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(jiàn)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(kāi)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(guò)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(guò)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(xiàn)小千斤 頂循環(huán)法，單根絞線(xiàn)預(yù)緊噸位為30 kN。每根絞線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(guò)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(kāi)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(xiàn)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(guò)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(guò)程典型曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。整體上，三峽船閘錨索預(yù)應(yīng)力損失較小，滿(mǎn)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(kāi)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(mǎi)德國(guó)產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)，其他 工程還沒(méi)有應(yīng)用過(guò)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(zhuān)門(mén)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(xiàn)、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(xiàn)。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(kāi)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(zhuān)門(mén)工廠(chǎng)生產(chǎn)。錨索張拉過(guò)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(kāi)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(xiàn)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(kāi)發(fā)隨著我國(guó)無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的增多，無(wú)粘結(jié)鋼絞線(xiàn)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(kāi) 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(kāi)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(mǎn)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(kāi)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(wèn)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(shù)脂，以提高孔 口段的防腐性能；開(kāi)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(wèn)題。新開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)，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(jiàn)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(mén)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