大壩閘墩環氧涂層鋼絞線錨索張拉工藝研究

孟 剛，王海東

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410002）

前 言

大型水利水電樞紐工程泄水建筑物往往需采用大尺寸弧形閘門，大型弧形閘門承受的水推力很大，為改善其支承結構的應力狀態，確保建筑物安全運行，一般將其設計成預應力混凝土結構。某大型水利樞紐工程泄水閘預應力閘墩錨索布置采用輻射式平行布置方式，預應力錨索上游錨固端位于水位變動區，為保證鋼絞線運行期的安全工作狀態，設計對預應力錨索的耐久性提出了更高的要求，創新采用了單絲涂覆環氧涂層鋼絞線。由于本工程是類似大型閘壩預應力閘墩中首次采用環氧涂層鋼絞線，錨索施工無成功經驗可借鑒，正式施工前進行了一系列工藝試驗探索，最終取得了適用于本工程閘墩預應力錨索施工工藝，并在后續其他壩段預應力錨索施工中成功推廣應用。

1 工程概況

某大型水利樞紐工程是一座以防洪、航運、發電、灌溉等綜合利用的流域關鍵性工程，工程規模為Ⅰ等大（Ⅰ）型工程。左岸泄水閘壩段共布置1 個泄水高孔壩段和10 個泄水低孔壩段。泄水閘低孔采用寬頂堰，低孔分縫采用“兩孔一聯”的墩中分縫型式。泄水閘弧門推力標準值為68 100 kN。弧門推力巨大，弧門支撐體系采用預應力錨索+鋼梁聯合受力結構，將泄水閘閘墩與弧門支鉸支座鋼梁用錨索連接，形成預應力閘墩結構。主錨索在閘墩立面上呈輻射狀布置，采取“上二下三”的布置方式共布設5 層，長短相間，主錨索長度27.5～32.5 m，上游錨固端設在弧門下游側閘墩內的預留平孔內，預留平孔沿閘墩高程方向布置5 層，直徑為1.5 m。泄洪閘底孔主錨索布置形式見圖1 所示。

圖1 泄洪閘底孔主錨索布置圖

2 鋼絞線材料選型研究

工程泄水閘預應力錨索上游錨固端及主體部分位于上游水位變動區，為保證閘墩運行期安全，對錨索的防腐性能提出了很高的要求。原設計采用普通光面預應力鋼絞線，因考慮以上因素影響，施工前對光面預應力鋼絞線、鍍鋅鋼絞線和環氧涂層鋼絞線三種不同防腐涂層的鋼絞線進行了比選。

通過各項性能指標的對比發現，環氧涂層鋼絞線預應力錨索更適合本工程泄水閘下游水位變動的運行工況，因此，本工程低孔閘墩預應力錨索采用單絲環氧涂層有粘結鋼絞線，監測錨索采用單絲環氧涂層無粘結鋼絞線，其主要技術性能指標見表1。

表1 主要技術性能指標

3 預應力錨索工藝試驗研究

為了驗證閘墩預應力錨索設計參數，完善錨索施工工藝，施工前期在低孔泄水閘進行錨索施工生產性試驗。該泄水閘有2 個邊墩和1 個中墩，每個邊墩布置20 束錨索，中墩布置30 束錨索，共計70 束錨索，其中19 束為監測錨索。單束錨索設計噸位5 600 kN，永存噸位大于4 600 kN，超張拉力6 100 kN。單束錨索由36根Φ15.2 mm 1 860 MPa 級環氧涂層鋼絞線組成，錨索長度30～35.4 m。

3.1 工藝流程及操作要點

3.1.1 錨夾具、錨墊板材料要求

錨夾具由生產廠家按照錨索噸位要求配套提供。錨具滿足《水電水利工程預應力錨索施工規范》DL/T 5083-2010 附錄B 的要求，其錨固性能需滿足：錨具效率系數不小于0.95，實測極限拉力時的總應變不小于2.0%，且夾片未出現肉眼可見的裂紋或破碎。

張拉端錨墊板及保護罩采用熱鍍鋅防腐，噴鋅防腐層最小局部厚度不小于160 μm；面層采用環氧清漆+丙烯酸聚氨酯涂層防護，封閉底漆為環氧清漆，干膜厚度為20 μm，中間層為環氧云鐵兩道，干膜厚度為100 μm，面漆為自清潔丙烯酸聚氨脂一道，干膜厚度為100 μm。防腐油脂的技術指標滿足《無粘結預應力筋用防腐潤滑油脂》的要求。

3.1.2 施工工藝流程

閘墩錨索安裝及張拉施工工藝流程：搭設編束平臺—→鋼鉸線下料—→鋼絞線編束—→安裝張拉端及固定端錨墊板—→安裝測力計—→在錨束端部安裝工作錨夾具—→塔機吊裝錨索穿入閘墩預埋管道內—→安裝錨固端錨具—→單根鋼絞線預緊張拉—→安裝限位板—→安裝整體張拉千斤頂—→安裝工具錨板—→分級整體張拉—→注漿防護—→切除超長部分鋼鉸線—→安裝防松夾板及防護罩。

3.1.3 錨索的組裝與安裝

錨索組裝前對鋼絞線進行檢查、下料，外觀存在死彎、明顯刻痕、松絲散絲、涂層不連續等缺陷的鋼絞線截去不用，對目視可見的涂層損傷按照修補材料生產廠家的指導書進行修補，不得使用局部銹蝕嚴重的鋼絞線。

鋼絞線下料使用切割機切割，下料長度按照“兩錨固點間凈距+鋼墊板厚度+工作錨板厚度+限位板厚度+千斤頂工作長度+工具錨板高度+測力計長度（如有）+1 m”的長度進行截斷。各根鋼絞線按照錨索結構設計采用隔離架集束，同時將一根耐油橡膠注漿軟管編入索體并保持通暢。組裝時要注意保護鋼絞線環氧涂層不被破壞，鋼絞線轉運采用人工抬運，不得在地上拖運。施工現場待安裝的錨索，按序號順直存放在距離地面20 cm 以上的承索架（臺）上，并采取必要的防雨、防污染措施。

錨索孔道鋼管預埋完成后，及時采用通孔器進行孔道檢查、疏通，穿索前再次進行檢查清理。經檢驗合格的錨索，利用安裝在壩后的大型門機，在人工輔助下，使用鋼絲繩和特制錨索夾具整體提吊錨索。錨索入孔前在先入管道一端捆栓1 根安全拉繩，供閘墩預留孔內的人員拉拽錨索至管道口，緩慢下入管道內，待錨索夾具抵達下端錨墊板時，調整兩端長度，使之滿足工作要求。然后拆除錨索夾具，并調整工作錨具，使之居中于錨墊板內孔。

3.1.4 錨索張拉施工

錨索張拉在閘墩混凝土達到設計強度后進行，錨索測力計和千斤頂油泵壓力表按規定進行校驗和率定，繪制張拉應力-壓力表（測力計）的關系曲線，用于通過油壓表控制張拉力，指導張拉施工。

在同一閘墩上（或鋼梁一端）錨索張拉次序采用對稱、跳束、分級同步張拉的方法，先中間、后兩側，逐步擴散，對稱均衡進行。張拉采用以張拉力控制為主、伸長值校核的雙控操作方法。當錨索張拉實測伸長值超出理論計算伸長值±6%時，應停機檢查，待查明原因并采取相應措施后，方可恢復張拉。

錨索張拉完畢后48 h 內，發現預應力損失超過設計張拉力的10%時，必須進行補償張拉。錨索張拉鎖定后夾片錯牙不應大于2 mm，否則退錨重新進行張拉。

3.2 試驗過程中出現的問題及原因分析

3.2.1 試驗過程中出現的問題

試驗索張拉過程中監測和測量結果反映出多個問題，主要如下：

1）伸長值超標，存在偏大和偏小兩種情況。

2）鎖定后回縮值超標。

3）應力損失偏大。

4）夾片錯牙超過2 mm 占比達5%。

5）多束錨索出現滑絲現象，其中2 束夾片滑脫。

3.2.2 問題產生的原因

聯合材料供應商對問題產生的原因進行了研究分析，主要如下：

1）本工程采用的單絲涂覆環氧涂層鋼絞線，是將常規普通無粘結鋼絞線拆絲后，對每根鋼絲噴涂環氧涂層，環氧粉末經靜電或其他方法均勻涂覆在鋼絞線的各鋼絲表面，并熔融結合固化后形成的膜狀物，厚度不小于0.13 mm，然后再繞絲制成，在水利水電工程中應用較少，缺乏類似工程施工經驗。

2）在張拉工藝上，本工程前期設計要求和施工準備均是按無涂層鋼絞線進行的，鋼絞線進場前改為環氧涂層鋼絞線后，技術要求及錨夾具未作相應的配套調整。

3）檢測報告顯示，由于環氧涂層的影響，與普通鋼絞線相比，環氧涂層鋼絞線直徑更大，采用常規無涂層鋼絞線的工作錨、工具錨及限位板孔，由于鋼絞線與孔之間的環狀間歇相對較小，夾片后退空間受限，張拉時錨孔或夾片刮擦鋼絞線表面涂層，極易造成刮傷鋼絞線涂層，脫落的涂層填充了夾片絲牙。由于涂層不均勻填塞在夾片絲牙和周邊縫隙中（見圖2），錨固回縮時夾片與鋼絞線及錨孔壁摩擦受力不均衡，容易引起夾片與鋼絞線咬合不緊，進而引發一系列問題，如夾片錯牙、伸長值及回縮值超標、鋼絞線滑絲等。

圖2 刮傷涂層的鋼絞線

3.3 改進措施

由于環氧涂層鋼絞線在水利水電工程閘墩大噸位預應力錨固系統及張拉缺乏成熟可靠的施工工藝。針對生產性試驗中出現的問題，組織了多家預應力錨夾具生產廠家，對包括錨夾具的改進、張拉工藝的改進、錨固系統長期運行的安全可靠性研究等，并開展現場張拉工藝對比試驗。

1）調整工作錨板與夾片的尺寸，設計了新型的適合鋼絞線的錨夾具系統。原方案采用的工作夾片不能滿足錨固要求，需要將工作夾片長度進行調整，工作錨板錐孔相應改變；并加厚了工作錨板；在錨索兩端工作錨板與錨墊板之間增設密封板，在錨索孔道回填灌漿前向密封板凹槽灌注聚氨酯密封膠進行密封。

2）對原張拉工藝進行了調整并進行了工藝試驗，采用懸浮預緊張拉工藝，即在千斤頂以上采用兩套工具錨板、夾片及限位板，兩套工具錨板之間增設懸浮支撐裝置。采用兩套工具錨板及增設懸浮支撐裝置是為了在回油倒頂時，工作夾片不會咬住鋼絞線，始終處于懸浮狀態，減少預緊張拉過程中工作夾片對鋼絞線涂層的損傷，保證張拉過程中環氧涂層的完好無損，避免夾片絲牙刮掉過多的涂層，防止工作夾片多次夾持受力受損。

3）增加頂壓裝置，即在工作錨板與千斤頂之間增設頂壓器，在錨索整體張拉達到設計張拉力之后、并在卸壓前，先對夾片施加頂壓力，使夾片預先和鋼絞線咬合，減少卸壓時鋼絞線預應力的損失、控制回縮值及防止夾片錯牙。

4）試驗在錨固端使用P 型錨具的方法，解決錨固端鋼絞線鎖定滑絲等問題。但由于P 型錨具需在預留平洞中加工，空間受限，作業條件差，后來錨固端仍采取錨具及夾片進行鎖定，同時對施工工藝進行了優化調整，即在錨固端增加夾片防松裝置，張拉過程中調節控制防松壓板的螺栓，使張并拉端的夾片持續跟進鋼絞線的回縮，可防止錨固段夾片回縮不均勻，避免了錨固鋼絞線的滑絲，同時對錨固洞內操作人員的安全起到保護作用。

5）嚴格控制錨固材料、張拉設備的同心度。由于在普通張拉方法的基礎上增加了懸浮張拉和頂壓裝置，張拉設備的組合長度較大，因此，各設備之間保證同心十分重要，否則，容易導致各設備偏心受力而產生不良后果。

4 后續施工效果

通過以上措施的處理，同時加強現場管理，對試驗壩段存在問題的錨索全部進行了處理，后期700 余束錨索張拉施工均未出現回縮值超標、夾片錯牙、鋼絞線滑絲等施工異常情況，錨索張拉的各項控制參數及張拉噸位均滿足設計要求，施工質量良好。

5 結 語

1）根據水利水電工程閘墩預應力錨索的運行工況及施工特點，經試驗及工程實踐研究表明，環氧涂層鋼絞線不能簡單采用常規光面鋼絞線錨夾具，應使用與之相匹配的錨夾具系統，張拉前應對張拉工藝進行試驗驗證；結合施工工期、現場施工條件、錨夾具防腐等因素，在錨固端采用單根防松頂壓裝置、張拉端采用懸浮預緊、整體張拉，配合頂壓裝置的施工工藝，適合環氧涂層鋼絞線錨索張拉要求。

2）環氧涂層鋼絞線以其優異的防腐性能，目前已廣泛應用于橋梁工程中，但還未在水利水電工程中推廣應用，許多水利水電工程預應力閘墩具有與橋梁工程相似的運行工況，因此在水利水電預應力閘墩工程中引進環氧涂層鋼絞線材料，對于提高結構使用壽命、降低維護成本具有積極作用。