白鶴灘水電站預應力錨索荷載損失機理研究

羅 剛 黃紀村

(中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

預應力錨索加固技術是比較高效和經濟的加固技術，在各個領域中均得到了高度重視和迅速發展，特別是在一些重要工程中得到廣泛使用。受預應力錨索施工工藝限制，施工過程中預應力錨索實際荷載與設計荷載不可避免存在一定偏差，當前主要利用超張拉來彌補施工過程中的荷載損失，但是由于施工過程荷載損失的影響因素較多，不同工程、不同部位荷載損失量離散型較大，因此合理確定超張拉量對指導預應力錨索施工具有重要意義。

我國學者對預應力錨索技術進行了大量的理論研究和測試研究。徐前衛等[1]提出預應力錨索的三維數值模擬方法，研究了預應力錨索與巖體受力變形特征之間的關系；周永江等[2]研究了預應力損失的計算方法，分析了長期荷載下預應力損失機理；阮波等[3]運用關聯度分析方法對預應力錨索的鎖定損失影響因素(鎖定荷載、自由段長度及錨固段長度)進行了分析；張發明等[4]在分析影響預應力錨索長期荷載變化因素的基礎上，提出了錨索長期荷載的變化規律及預測模式；夏元友等[5]運用極限分析上限法和強度折減法研究了預應力錨索加固邊坡的安全系數計算方法，分析了滑坡內部變形摩擦耗能的邊坡安全系數變化規律。

本文結合白鶴灘水電工程預應力錨索施工及監測成果，對預應力錨索施工過程荷載損失原因進行系統梳理和量化分析，選取9束代表性預應力錨索監測數據，從張拉過程、荷載鎖定和48 h內荷載損失等方面進行研究，提出減小荷載損失、保證施工質量的具體措施，總結出超張拉確定原則，為其他類似工程的預應力錨固提供借鑒。

白鶴灘水電站左、右岸地下廠房、主變洞和尾水管檢修閘門室等部位系統布置了約6 000束預應力錨索，長度為25 m，設計荷載P′=2 000 kN，設計鎖定荷載P=1 600 kN，超張拉按1.05P控制，即1 680 kN(P′為設計荷載，P為設計鎖定荷載，以下同)。

1 張拉過程荷載損失

在預應力錨索張拉施工過程中，由于張拉荷載較小時測量誤差較大，為準確分析荷載損失，本文選取分級張拉中的第四級(即張拉至設計荷載1 600 kN)時的數據進行分析，9束代表性監測預應力錨索張拉荷載與理論荷載損失最大103.6 kN，平均33.79 kN，一般小于80 kN。詳細統計數據如表1所示。

1.1 損失原因分析

由于荷載損失影響因素眾多，應有針對性的查找原因，各因素的影響機理和控制閥值如表2所示。

表1 預應力錨索張拉第四級荷載損失統計表

表2 預應力錨索張拉過程荷載偏差影響因素匯總表

由于張拉設備與測力計屬于兩個相對獨立的測量系統，其相對測量誤差可稱為基準誤差，根據現場測力計與千斤頂聯合標定結果，一般誤差為25 kN～40 kN，該誤差可用來校核錨索張拉設備在現場使用時的匹配性和穩定性。因此建議以2%P為控制閥值，一旦超出即表明張拉設備需進行重現率定或更換。

鋼絞線與張拉系統偏心是造成張拉過程中荷載損失的主要因素，該偏心可能是由于在錨具和千斤頂安裝過程中造成的，也可能是錨索承載板本身與錨索孔道安裝不垂直，甚至個別工程中出現錨具與千斤頂不匹配而造成的大偏心，張拉過程中一旦產生偏心即會造成鋼絞線與限位板孔道和工作錨具孔道產生一定角度，產生的摩阻會造成較大荷載損失，甚至會導致鋼絞線斷裂等，因此應保持鋼絞線與千斤頂同心、與限位板孔道垂直。由于錨索張拉設備安裝過程中偏心不可完全消除，建議以荷載損失不超過設計張拉荷載的2%作為可接受的小偏心，超出的應重新安裝。

系統摩阻是指預應力錨索施工張拉過程中不可避免的，因錨索鋼絞線與夾片之間存在摩擦引起的荷載損失，該荷載損失一般較小且難以消除，一般不超過1%P。

針對監測錨索，一般情況下測力計與錨具由承包人和監測單位分別采購，如果測力計內徑小于錨具孔道外徑，會造成鋼絞線與測力計之間產生摩擦，甚至破壞測力計，該情況一般荷載損失較大，在施工過程中應避免發生。

1.2 控制措施

1)在預應力錨索施工前，應首先采用聯合標定確定千斤頂與測力計的基準誤差，施工過程中建議每月進行一次中間聯合標定，確保施工質量。

2)應通過多次生產性試驗復核安裝偏心導致的荷載損失，重點關注導向鋼管與錨墊板的垂直情況，鉆孔、墊板、錨具和測力計的同心性。

3)由于錨具和測力計沒有統一尺寸標準，一般多為定制，因此錨索測力計采購前應根據錨具型號確定測力計外徑尺寸等參數。

2 鎖定損失

白鶴灘水電站地下廠房9束典型監測預應力錨索張拉鎖定損失如表3所示，鎖定損失最大171.7 kN，最小25.6 kN，平均損失103.7 kN，平均損失率6.1%。由于錨索張拉受施工條件、機械性能和工人操作影響較大，為分析鎖定損失的規律，本文同時整理了烏東德地下廠房6束代表性預應力錨索(長度L=30 m，設計鎖定荷載P=2 000 kN)張拉鎖定損失成果，如表4所示，最大損失200 kN，最小損失15 kN，平均損失113 kN，平均損失率5.2%。可見荷載損失規律性基本一致。

第二天，他又接到兩起申訴，一起來自一個男的，用溫和的語氣提出意見。“法官，我們對這件事實在不能不過問了。我是最不愿意打擾愛米麗小姐的人，可是我們總得想個辦法。”那天晚上全體參議員—-三位老人和一位年紀較輕的新一代成員在一起開了個會。

表3 白鶴灘預應力錨索施工鎖定損失成果表

表4 烏東德水電站地下廠房錨索張拉鎖定損失成果表

2.1 原因分析

各鎖定損失產生機理和影響程度匯總如表5所示。

表5 預應力錨索鎖定損失原因匯總表

預應力錨索張拉鎖定損失主要由鋼絞線回縮造成的，回縮量大小決定了預應力損失的大小。其回縮量是由鋼絞線帶動限位板內工作錨夾片向錨具內回縮引起的，因此限位板內限位深度直接影響著鎖定損失的大小，根據施工經驗，限位板限位深度一般采用6 mm～8 mm較為適宜。同時，荷載鎖定速率會間接影響回縮量，卸載速率過快產生的動載不僅會造成回縮量增加，嚴重的會導致鋼絞線損傷。

為了量化分析，對于不同設計參數的預應力錨索，可以根據鋼絞線型號、彈性模量和每束預應力錨索鋼絞線股數計算鋼絞線回縮引起的荷載損失理論值，可采用式(1)進行簡化計算：

ΔP=ΔL/L·(A·E)

(1)

其中，L為預應力錨索孔道長度，mm；ΔL為理論回縮量，一般可取6 mm；E為預應力鋼絞線彈性模量，MPa；A為預應力鋼絞線截面積，mm2。

除鋼絞線回縮外，因錨索索體在孔道內彎曲或扭曲均會造成荷載損失，張發明等人在《預應力錨索錨固荷載的變化規律及預測模型》一文中提出，摩阻損失最大可達錨索張拉荷載的11.5%。

2.2 控制措施

1)施工前應進行限位板和錨具匹配性試驗，在不損傷鋼絞線的前提下盡量減小限位板深度。

2)嚴格控制錨索鉆孔孔斜，錨索下索過程中可采用提高索體剛度的措施確保錨索在孔道內平順，編索和下索過程中嚴禁出現索體扭曲。

3)雖然相同回縮量引起的荷載損失相同，但對不同噸位、不同長度的預應力錨索荷載損失率差別較大，為了客觀反映鎖定損失的合理性，建議將荷載損失值作為施工質量評價的標準之一。

3 48 h荷載損失

預應力錨索48 h荷載損失情況，可基本反映在之后長期使用中的可靠性，同時也可對荷載損失較大的預應力錨索進行補償張拉，確保預應力錨索的使用功能。

根據9束監測錨索的監測數據進行分析(如表6所示)。

48 h應力損失普遍小于40 kN，僅個別錨索損失較大，最大130 kN。

表6 監測錨索48 h應力損失統計表

3.1 原因分析

預應力錨索鎖定后48 h應力損失原因較多，包括錨墩混凝土、錨索材料、臨近錨索張拉、注漿體質量、巖體質量、噴混凝土質量、臨近爆破影響等因素，本文對上述影響因素和產生機理進行歸納匯總，如表7所示。

錨墩下巖體質量是影響48 h荷載損失的主要因素，對于基巖預應力錨索，Ⅲ類以下破碎巖體在荷載作用下裂隙產生閉合，巖體壓密而產生荷載損失。同時在實際施工中，一般先對破碎巖體噴混凝土進行封閉，再進行錨索施工，受噴混凝土厚度和可能存在的空腔影響，可能會產生荷載突降。對于Ⅱ類以上巖體錨索荷載損失一般較小，與監測成果基本一致。其他各因素影響程度離散型較大，需根據現場實際情況進行分析、評價。

表7 預應力錨索48 h荷載損失主要原因匯總

3.2 改進措施

1)錨墩建基面應詳細進行清理、平整，對破碎巖體可通過擴大錨墩尺寸的方式減小應力集中而產生變形。

2)由于實際施工中僅個別斷面布置有監測錨索，為確保每束預應力錨索均能充分發揮長期有效的錨固功能，非監測預應力錨索在張拉48 h后應全部進行驗收試驗。

3)對地質條件復雜部位預應力錨索，在具備條件的情況下應保留外露鋼絞線一定時間，可根據錨索荷載變化情況進行二次補償張拉或卸荷，更好的發揮預應力錨索使用功能。

4)預應力錨索張拉過程及48 h荷載損失影響因素較多，施工過程中應認真分析其根本原因，采取有針對性的改進措施。

4 結語

1)由于預應力錨索張拉過程荷載損失的客觀存在，應在定量分析張拉過程荷載損失和鎖定損失的基礎上選擇適宜的超張拉值。

2)假設不允許錨固巖土體產生臨空面位移稱為“錨索主動防護”，允許錨固巖土體產生臨空面位移稱為“錨索被動防護”，應根據設計意圖對“錨索主動防護”適當增大超張拉值，對“錨索被動防護”適當減小超張拉值，做經濟合理、靈活可控。

參考文獻：

[1] 徐前衛，尤春安，朱合華.預應力錨索的三維數值模擬及其錨固機理分析[J].地下空間與工程學報，2005，1(2)：214-218.

[2] 周永江，何思明，楊雪蓮.預應力錨索的預應力損失機理研究[J].巖土力學，2006，27(8)：1353-1356.

[3] 阮 波，肖武松.預應力錨索鎖定損失影響因素的灰色關聯度分析 [J].鐵道科學與工程學報，2011，8(3)：38-41.

[4] 張發明，趙維炳，劉 寧.預應力錨索錨固荷載的變化規律及預測模型[J].巖石力學與工程學報，2004，23(1)：39-43.

[5] 夏元友，陳春舒.考慮內部摩擦變形耗能的預應力錨索邊坡極限分析[J].巖土工程學報，2017，39(2)：210-217.