預應力錨索結構在水利工程邊坡處理中的應用

杜曉虎

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著施工技術的發展，水利工程也得到了持續大量的建設，對于水利邊坡工程而言，除了需要滿足各種設計荷載狀態下的結構穩定、堅固和耐久性外，還需要實現與周圍環境的適應協調，尤其是在工作面開挖過程，避免放坡和減少拆遷的工作量，只有這樣才能較好的滿足工程項目的需求。對于水利工程邊坡的處理，當前主要采用擋土墻、邊坡錨固和土釘支護的方法，對于上述幾種方法均有各自的針對性、使用范圍和使用效果，然而對于預應力錨索板墻結合了上述預應力結構和板墻防滲的優點，得到了較為廣泛的應用。對于應力錨索而言，作為一種可承受拉力的結構，一段固定在地層結構中，另一端與被加固物體連接，形成一種新的復合體結構，對于邊坡工程的穩定性，抑制、減少和消除天然力場對于水利邊坡工程的危害，對于提供邊坡工程的穩定性起到較大的促進作用，因此在邊坡加固、深基坑和地下洞室工程中得到了較為廣泛的應用。

當前對于預應力錨索結構的研究，多集中在施工工藝方面，對于其選擇匹配性和后期加固處理效果缺乏深入的研究，因此本文通過對預應力錨索板墻在某水利工程邊坡加固處理中的應用，首先從結構和適用性方面介紹了預應力錨索結構的組成和特點，然后針對實際工程，從材料選擇、施工工藝和關鍵控制技術方面介紹了預應力錨索結構的應用，最后通過實際傳感器的監測，數據表明，預應力損失主要存在于張拉階段和錨固階段，在正常服役階段，預應力損失較小，證明預應力錨索結構在水利工程邊坡處理中的有效性，對于未來類似工程的設計、施工、驗收和加固維修提供一定的經驗。

1 工程實例

某工程為水利樞紐工程，能夠滿足防洪、發電和供水的綜合作用。在定期檢測過程中，水利大壩山體邊坡存在山體滑坡的重大安全隱患。根據勘查資料可知，左岸邊坡巖性為泥盆系中厚層-厚層砂巖，巖層分布為傾向下游，同時向左岸偏移。通過對邊坡進行開挖，發現邊坡荷載裂縫發育成熟，張開度較大，同時存在規模較大的洞隙若干，相對于初始情況，邊坡穩定情況出現了較大的變化，在降雨、邊坡底部施工等情況下容易發生裂縫和滑塌破壞。

圖1 某邊坡處理工程截面圖

鑒于上述病害情況，養護處采取了削破壓腳、噴錨支護的加固方式，然而病害并沒有得到有效控制，存在繼續發展的可能性。根據對于預應力錨索結構的了解和實際工程情況，各方一致決定采取預應力錨索板墻結構對于邊坡結構進行加固處理。如圖1所示。本文就預應力錨索結構的特點、施工工藝和預應力損失的檢測對于預應力錨索結構在水利邊坡工程的應用進行系統的介紹。

2 預應力錨索加固原理及分析

2.1 預應力錨索加固原理

關于預應力錨索板墻對于工程邊坡的加固防護，主要是通過錨固作用將破碎松散巖土錨固在巖體上，通過預應力的作用，使得錨固范圍內的軟弱巖體得到擠密，使得不同巖層之間的正壓力和摩阻力大大提高，對于松散巖體之間的相對位移作用起到較好的阻止作用。具體結構如圖2所示。

圖2 預應力錨索板墻結構示意圖

預應力錨索結構組成如圖3所示。

圖3 預應力錨索結構圖

根據圖3可知，水泥漿包裹預應力鋼絞線，保存在波紋管內。關于預應力錨索受力原理，則認為預應力錨索結構主動對于松散巖層施加正應力，對于滑移面的壓力大大增強，使得坡體趨于穩定。同時注漿作用不僅能夠包裹鋼絞線，對于坡體內裂縫和空隙也有一定的填充作用，提高了坡體內破碎巖體的完整性，同時由于水泥漿具有一定程度凝固作用，這對于坡體的完整性也有一定程度的提高。

2.2 預應力錨索設計

對于預應力錨索板墻的加固作用計算思路：首先根據地質條件和重要性，初步擬定板墻的截面尺寸和錨固段的長度、錨索位置和初始預應力；然后根據具體形式判斷計算模式，對于滑動面彎矩、剪力、轉角和撓度進行計算；利用位移變形協調原理對于錨索拉力值進行計算分析，對于樁頂位移進行計算，判斷是夠滿足樁頂位移控制標準。

以下就預應力錨索結構在水利工程邊坡工程應用中的典型計算模式進行詳細分析。

(1)物理力學參數

根據實際工程勘察情況分別選擇土層厚度和產狀通過室內試驗進行分析，具體指標見表1。

表1 勘察土層室內試驗數據表

注:括號內數據為內滑坡推力模式計算時滑面力學參數取值。

(2)土壓力結構計算

對于土壓力的計算，工程上常采用庫倫土壓力進行計算，對于滑坡推力則采用傳遞系數法進行分析。對于預應力錨索結構的變形協調如圖4所示。

圖4 預應力錨索變形協調示意圖

根據上述變形協調示意圖，對于內力和配筋的計算多采用分項系數法得到承載力極限狀態。對于其他結構按照混凝土結構設計規范進行計算。

(3)錨桿計算分析

對于錨桿的鋼絞線的截面面積、強度以及砂漿與鋼絞線之間的粘聚力，選擇上述計算的最小值進行分析計算，受到鋼絞線較大的影響，其余錨桿設計軸向拉力的比值，則為抗拔安全系數。對于預應力錨索結構分析計算如圖5所示。

圖5 預應力錨索結構計算示意圖

3 預應力錨索施工

對于預應力錨索結構在水利邊坡加固工程中的應用，存在兩個施工難點：

(1)施工困難。水利邊坡工程過高、過陡，錨索孔位于半坡上，腳手架的搭設和高空作業時施工的最大問題。

(2)技術難度大。對于預應力錨索結構在本項目中的應用，存在錨索鉆孔深、存在地下水的問題，尤其是錨索穿越裂隙面和斷裂破碎帶，存在著漏風、塌孔和卡鉆的施工難題。

為了保證預應力錨索結構在水利邊坡工程中的應用，以下就施工工藝和主要施工方法進行介紹。

3.1 施工工藝

對于預應力錨索結構在水利邊坡加固項目中的應用，主要施工工藝如圖6所示。

圖6 預應力錨索施工流程圖

根據圖6可知，預應力錨索結構施工工藝主要為：搭設腳手架→測量定位→覆蓋層清理修整→鉆孔、清孔與錨索制作→錨索安裝→壓漿→錨墩混凝土澆筑→錨索張拉與鎖定→最后封錨。

3.2 主要施工方法

3.2.1 施工準備

對于預應力錨索板墻在水利邊坡中的應用，施工前需做以下準備工作：

(1)對坡面按照設計進行削坡，將坡面浮土、雜物清理干凈。

(2)測量放樣。利用測量儀器對于錨孔孔位進行定位，并做好孔位標記。鑒于施工環境的復雜，如果需要孔位調整時，需要得到設計方許可才能進行調整。

3.2.2 鉆孔與清孔

(1)施工準備完畢后，按照設計孔位、傾角和方位進行確定，對于鉆機導軌誤差不得超過±1°，方位角的誤差則限制在±2°。為了保證預應力錨索的加固效果，需要采用干鉆造孔，嚴禁用水沖鉆或者沖孔洗壁；鉆孔過程中需要控制鉆進速度，保證鉆孔效果。

(2)鉆孔結束后，對于鉆孔質量進行檢驗，孔徑和孔深不得小于設計值，需要超鉆50cm最為沉渣層，達到設計深度后采用0.2～0.4MPa的高壓風將孔內巖石粉末吹洗干凈。

3.2.3 安裝錨索

在清孔完成后，安裝錨索前需要對于鉆孔質量進行二次檢查，對于塌孔和掉塊病害進行清理；同時對于錨索結構也需要進行檢查，修復損壞的防護層。如果采用預制的錨固段，應避免錨索安裝時自由端和錨固段產生彎曲線形，防止注漿液體的開裂和脫離。

在推送錨索時，不得使錨索產生轉動，保證推送受力一致，防止損傷錨索保護層；當推送困難時，應對錨索進行拔出和檢驗。錨孔經檢驗合格后應進行錨索安裝，安裝前對于注漿管進行檢驗，確保完全無誤后進行穿索和注漿。

3.2.4 張拉與鎖定

安裝錨索后需要進行錨固端的施工，在混凝土強度達到設計強度的80%以后，則需要進行預張拉。張拉作業開始前需對張拉設備進行校核，保證千斤頂、油泵和壓力表匹配，錨枕的安裝需要與錨墊板和千斤頂的安裝緊密接觸，以保證承載力的均勻。

張拉前，對于預應力束按照10%～20%的設計預應力進行預張拉，使得各部位能夠緊密接觸和索體完全平直。張拉荷載主要分為五級進行，前四級分別為25%、50%、75%和100%，在一級張拉穩定后5min內應力不發生大的變化，則進行下一級張拉，最后一級則為設計強度的110%，在穩定30min后則恢復到設計強度的100%。對于張拉預應力的控制，以油泵油表讀數為準，并用伸長量進行校核，設計伸長量與理論值相差小于6%后，則認為滿足設計結果。

3.2.5 封錨

在預應力束張拉完畢后，需要對于錨頭部分進行及時封錨處理，外露部分以不小于20cm為標準，封錨混凝土強度不低于錨墩混凝土強度。為了減少預應力損失對于加固效果的影響，本項目采用可調式錨索，即對于錨頭未采用混凝土進行封錨處理，而是采用黃油封錨處理，外加鐵皮進行防護處理，應力可調式錨索外錨頭處理方式具體結構如圖7所示。

圖7 應力可調式錨索外錨頭處理方式示意圖

4 預應力損失質量檢驗

鑒于預應力錨索結構對于水利邊坡工程加固處理工程的隱蔽性，一旦發生病害則會對于社會經濟造成較大的損失和較大的社會影響；同時預應力束的材料特性使得預應力損失難以避免，因此為了保證預應力錨索結構的加固處理作用，需要對于預應力錨索結構的預應力損失進行檢驗，對于施工質量進行評價。

根據預應力束質量檢測相應規范和設計要求，選擇不少于5%的預應力錨索進行張拉試驗，荷載為設計荷載的1.5倍，對于張拉過程和參數取值滿足設計和相關要求。根據預應力錨索索力監測傳感器的數據，錨索應力損失與時間關系如圖8所示。

圖8 錨索預應力損失隨時間變化曲線

根據圖8可知，預應力損失主要分為兩個階段：

(1)張拉鎖定階段。錨索預應力的損失在極短的時間內發生，且損失量較大，占到總預應力的15%～20%。

(2)錨索服役階段。預應力損失隨著時間的增長而累積增加，但損失量相對不大，每年損失量為總預應力值的3%～5%。

由圖8可知，預應力錨索傳感器的錨固力在每年存在較大的波動，每年10月份至次年6月份，錨固力有較大波動，說明錨索力受到氣候、環境和溫度較大的變化。同時可以發現，預應力損失量雖在持續增加，但相對增長量卻在下降，說明預應力在逐漸保持穩定，說明預應力錨索在水利邊坡加固處理中的效果較為明顯。

5 結論

鑒于預應力錨索板墻的設計理論和工程實踐日益成熟，因此在水利工程邊坡處理中得到了越來越為廣泛的應用。本文通過在某水利工程中的應用，系統介紹了預應力錨索的構成和特點，對于預應力錨索結構的施工方法，分別從材料選擇、施工工藝流程和主要施工方法進行了介紹，最后為了保證加固處理效果，對于預應力損失的質量檢測進行了分析，文章對于類似工程提供一定的借鑒。