豐豐老壩加固預(yù)應(yīng)力錨索服役性能研究

豐豐老壩加固預(yù)應(yīng)力錨索服役性能研究

1預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕豐港老壩作為一種積極的加固措施，大型體積的預(yù)測(cè)壓力通常用于提高重力壩和壩的穩(wěn)定性，如表1所示。任愛武等考慮到混凝土壩通常是堿性環(huán)境，用于大壩加固的預(yù)應(yīng)力錨索在抗腐蝕表現(xiàn)上應(yīng)該好于邊坡和地下洞室等環(huán)境下的預(yù)應(yīng)力錨索。然而，根據(jù)國(guó)際后張拉預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)(FIP)對(duì)35例錨固失效案例調(diào)查結(jié)果，其中6例與混凝土壩相關(guān)，其失效的直接原因都是預(yù)應(yīng)力錨索產(chǎn)生了不同程度的腐蝕豐滿水電站老壩位于吉林省吉林市松花江豐滿峽谷谷口，始建于1937年。豐滿水電站老壩施工經(jīng)歷了特殊的歷史時(shí)期，施工質(zhì)量較差，因此，在1986～1997年采用預(yù)應(yīng)力錨索等手段對(duì)大壩進(jìn)行了加固修復(fù)2現(xiàn)場(chǎng)挖掘表明，豐原水庫應(yīng)立即絞死2.1預(yù)應(yīng)力錨索開挖和錨護(hù)方式豐滿老壩壩體中的預(yù)應(yīng)力錨索包含有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，其中，有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索有豎向和向下游傾斜(簡(jiǎn)稱斜向)2種布置方式(見圖1(a))，長(zhǎng)度33～47m，設(shè)計(jì)錨固力為1750～2300kN/束；無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索主要為溢流壩段的水平對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨索(見圖1(b))，長(zhǎng)度12.5～17.5m，設(shè)計(jì)錨固力為294～981kN/束。對(duì)于豎向和斜向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，由于內(nèi)錨頭位于壩體內(nèi)，開挖難度較大，且工期緊張，無法進(jìn)行內(nèi)錨頭的單獨(dú)卸載和開挖，現(xiàn)場(chǎng)開挖隨老壩拆除爆破工作同時(shí)進(jìn)行，爆破后，對(duì)擬取樣的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行切割取樣并進(jìn)行保護(hù)(見圖2)。對(duì)于溢流壩段的水平對(duì)穿無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，下游壩面錨墩外露約35cm，上游壩面錨頭全部位于混凝土保護(hù)層內(nèi)。為了保護(hù)預(yù)應(yīng)力錨索的完整性，采用的拆除方法為：先用液壓破碎錘拆除下游壩面外露錨墩(見圖3)，卸除錨固力；然后對(duì)壩體混凝土進(jìn)行松動(dòng)爆破，爆破后拆除預(yù)應(yīng)力錨索；最后對(duì)其進(jìn)行切割取樣。2.2預(yù)應(yīng)力錨索fm-b的鋼絞線取樣根據(jù)豐滿老壩拆除方案，老壩缺口拆除壩段高程為240.20m，拆除范圍6本次現(xiàn)場(chǎng)開挖共取預(yù)應(yīng)力錨索試樣4束，包括1束水平對(duì)穿無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(編號(hào)FM-H1),1束豎向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(編號(hào)FM-V1),2束斜向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(編號(hào)FM-I1和FM-I2)。其中，水平對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨索(FM-H1)包含8根鋼絞線，皆比較完整，因此對(duì)其所有鋼絞線進(jìn)行了取樣，鋼絞線編號(hào)如圖4(a)所示；豎向預(yù)應(yīng)力錨索(FM-V1)中，對(duì)8根相對(duì)較為完整的鋼絞線進(jìn)行了取樣，鋼絞線編號(hào)如圖4(b)所示；斜向預(yù)應(yīng)力錨索(FM-I1)和(FM-I2)中，對(duì)9根相對(duì)較為完整的鋼絞線進(jìn)行了取樣，鋼絞線編號(hào)如圖4(c),(d)所示。3這是混凝土支架的腐蝕特性和力學(xué)特性的變化3.1錨頭腐蝕形態(tài)(1)外錨頭腐蝕形態(tài)豐滿老壩所用的無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(FM-H1對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨索)外錨頭由2塊墊板、錨具以及保護(hù)帽組成，肉眼可見外錨頭表面有輕微腐蝕痕跡，但墊板、錨具和保護(hù)帽上防銹涂層保存較好，特別是錨具上的防銹漆剝落處，依然可見明亮的金屬光澤(見圖5(a))。在錨具部分，即使經(jīng)歷了爆破的擾動(dòng)，也未見出現(xiàn)夾片松動(dòng)的情況。由此可見，該錨頭防銹涂層和混凝土對(duì)外錨頭的保護(hù)效果明顯，在服役近30a后，仍然保持著較為完好的狀態(tài)。FM-I1斜向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索外錨頭由一塊墊板和錨具組成(見圖5(b))。相比無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索錨頭，其表面腐蝕要更嚴(yán)重一些。雖然該錨索的墊板和錨具表面仍能發(fā)現(xiàn)防銹涂層，但墊板局部腐蝕痕跡明顯，形成的銹塊可以用手剝落，其他的有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索錨頭也是類似情形。錨頭的整體腐蝕形態(tài)分析表明，有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索錨頭相對(duì)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索錨頭而言，其耐蝕性能表現(xiàn)更差。需要強(qiáng)調(diào)的是，無論哪種形式的錨頭，均出現(xiàn)了腐蝕的痕跡。(2)索體腐蝕形態(tài)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索索體表面涂有油脂，并包著塑料套管，其耐腐蝕性能理論上相對(duì)較好，這一認(rèn)識(shí)被現(xiàn)場(chǎng)開挖的錨索證實(shí)。挖取的FM-H1無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索表面套管受大壩爆破拆除影響較大，基本沒有完整的，破損比較嚴(yán)重，但索體夾縫依然含有油脂，索體表面呈金屬光澤，沒有觀察到腐蝕的痕跡(見圖6)。與無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索相比，開挖的有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索索體表面普遍出現(xiàn)了與FM-I1預(yù)應(yīng)力錨索一樣的明顯銹蝕痕跡(見圖7)。對(duì)其索體進(jìn)行除銹處理，并觀察其表面，發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)蝕、坑蝕的現(xiàn)象(見圖8(a),(b))，部分腐蝕嚴(yán)重，呈現(xiàn)出較大的片狀坑蝕特征(見圖8(c))。3.2腐蝕率與測(cè)量方法的關(guān)系腐蝕率是最能直觀反映索體腐蝕程度的指標(biāo)，無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索無銹蝕痕跡，因此僅對(duì)有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索試樣進(jìn)行取樣并測(cè)量其腐蝕率。索體腐蝕率測(cè)試采用失重法，即將試樣除銹后稱重，并與原始重量比較，計(jì)算其腐蝕率。原始重量采用鋼絞線材料單位長(zhǎng)度重量標(biāo)準(zhǔn)值(11.097g/cm)計(jì)算，F(xiàn)M-V1豎向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索和FM-I1,FM-I2斜向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕率測(cè)量結(jié)果顯示，豎向預(yù)應(yīng)力錨索(FM-V1)最小腐蝕率為1.57%，最大腐蝕率為2.66%，平均腐蝕率為2.01%；斜向預(yù)應(yīng)力錨索(FM-I1和FM-I2)最小腐蝕率為1.81%，最大腐蝕率為3.05%，平均腐蝕率為2.48%。測(cè)試結(jié)果表明，斜向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索的平均腐蝕率略大于豎向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索的，但整體接近。3.3化學(xué)成分的分析為分析服役多年的索體化學(xué)成分是否發(fā)生變化，分別選取了不同預(yù)應(yīng)力錨索不同深度的3組樣品進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。由檢測(cè)結(jié)果(見表2)可知，所送檢的鋼絞線試樣化學(xué)成分均滿足當(dāng)時(shí)規(guī)范3.4預(yù)應(yīng)力錨索組成結(jié)構(gòu)為了解預(yù)應(yīng)力錨索力學(xué)性能變化規(guī)律，共選取不同錨索的39根試樣進(jìn)行了力學(xué)性能檢測(cè)，其中，F(xiàn)M-H1預(yù)應(yīng)力錨索6根、FM-V1預(yù)應(yīng)力錨索10根、FM-I1預(yù)應(yīng)力錨索15根以及FM-I2預(yù)應(yīng)力錨索8根。測(cè)試結(jié)果顯示，大部分試樣的破斷負(fù)荷、抗拉強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率均滿足當(dāng)時(shí)規(guī)范由表3可知，所有的送檢試樣均滿足規(guī)范屈服荷載和彈性模量是評(píng)價(jià)鋼絞線力學(xué)性能的2個(gè)重要指標(biāo)，按照規(guī)范4討論4.1腐蝕情況主要表現(xiàn)在錨頭腐蝕率和收從宏觀的腐蝕形態(tài)來看，豐滿老壩中的無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索服役表現(xiàn)較好，索體表面未見腐蝕，并可見金屬光澤，僅在錨頭處出現(xiàn)了肉眼可見的腐蝕痕跡；而有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索的服役表現(xiàn)較差，索體表面出現(xiàn)了點(diǎn)蝕和坑蝕的痕跡，而且錨頭的腐蝕程度也要比無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索的錨頭更嚴(yán)重。從腐蝕率的數(shù)值來看，服役近30a后的有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕率為2%～3%，整體腐蝕程度不算嚴(yán)重。另外，在有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索的錨頭處均發(fā)現(xiàn)了腐蝕，表明僅依靠混凝土保護(hù)層對(duì)錨頭銹蝕的防護(hù)能力有限，對(duì)于錨頭的防腐需要進(jìn)一步重視。從化學(xué)成分分析結(jié)果看，在壩體中服役多年的無黏結(jié)與有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索索體化學(xué)成分沒有明顯改變，仍能滿足規(guī)范從力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果來看，無論是有黏結(jié)還是無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，開挖預(yù)應(yīng)力錨索試樣的破斷負(fù)荷和抗拉強(qiáng)度均能滿足規(guī)范4.2預(yù)應(yīng)力錨索抗腐固結(jié)問題吸氧腐蝕是預(yù)應(yīng)力錨索服役過程中最常見的腐蝕類型，這一腐蝕過程，是錨索索體受到侵蝕性離子和氧的影響而產(chǎn)生的。對(duì)于豐滿老壩使用的2種類型的預(yù)應(yīng)力錨索，僅在有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索表面發(fā)現(xiàn)了腐蝕的情況。該類型預(yù)應(yīng)力錨索沒有特殊的防腐考慮，主要依靠孔內(nèi)砂漿包裹體對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。砂漿形成的高堿性環(huán)境將有利于預(yù)應(yīng)力錨索抵抗環(huán)境中的侵蝕性離子的影響。對(duì)于豐滿老壩壩體中的預(yù)應(yīng)力錨索而言，即使周邊的砂漿出現(xiàn)了裂縫情況，壩體的混凝土?xí)^續(xù)為預(yù)應(yīng)力錨索提供一個(gè)堿性的環(huán)境。從無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(FM-H1-4)和有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索(FM-I1-5)的不同pH值和不同氯離子濃度下的電位–pH值5預(yù)應(yīng)力錨索腐蝕規(guī)律為研究混凝土壩堿性環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力錨索服役性能，針對(duì)豐滿老壩壩體中服役近30a的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)開挖，并結(jié)合室內(nèi)檢測(cè)，從錨頭和索體銹蝕外貌、銹蝕程度、基體材料的化學(xué)性質(zhì)以及力學(xué)性能變化，對(duì)豐滿老壩預(yù)應(yīng)力錨索的服役性能開展了研究。同時(shí)，應(yīng)用電化學(xué)測(cè)試技術(shù)評(píng)價(jià)了索體材料的耐蝕性，對(duì)壩體內(nèi)部預(yù)應(yīng)力錨索銹蝕的成因進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下：(1)服役近30a的豎向和斜向有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索，索體平均腐蝕率分別達(dá)到2.01%和2.48%，說明混凝土壩體堿性環(huán)境中，預(yù)應(yīng)力錨索在長(zhǎng)期服役過程中依然會(huì)發(fā)生腐蝕。電化學(xué)結(jié)果表明，豐滿老壩的預(yù)應(yīng)力錨索試樣在堿性環(huán)境中處于鈍化狀態(tài)，可以推斷其主要腐蝕類型不是吸氧腐蝕，存在其他類型腐蝕的可能性。(2)豐滿老壩中的無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索索體在服役了近30a后，表面仍然裹有塑料套管和防腐油脂，未見腐蝕現(xiàn)象，表明在防腐效果上，無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索要優(yōu)于有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索。(3)豐滿老壩中的有黏結(jié)和無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索服役近30a后部分力學(xué)性能發(fā)生了變化，與