鄧樹密

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 概述

福堂水電站位于四川省阿壩藏羌自治州汶川縣綿篪鎮(zhèn)的岷江主流上，首部樞紐距汶川縣城14 km，廠址距成都市111 km，有都-汶公路通過電站，對外交通方便。

電站采用低閘引水式開發(fā)，主要任務(wù)為發(fā)電。水庫正常蓄水位高程1 268 m時庫容為297萬m3，調(diào)節(jié)庫容為220萬m3，具有日調(diào)節(jié)特性。電站裝機(jī)4臺，總裝機(jī)容量360 MW，設(shè)計發(fā)電引用流量251 m3/s。電站于2000年5月動工興建，2004年7月基本建成。電站工程等別為Ⅱ等大(2)型工程，永久性水工建筑物級別為2級，地震設(shè)計烈度為Ⅷ度。

廠區(qū)位于岷江左岸，緊鄰福堂壩溝口右側(cè)布置，由調(diào)壓室、壓力管道、地面廠房及開關(guān)站構(gòu)成。尾水與已建太平驛水電站閘首銜接。

調(diào)壓井位于福堂壩溝與1#小溝呈NE向展布的長條形單簿山脊中的黑云母花崗巖體內(nèi)，為開敞式，斷面為圓形，內(nèi)徑27 m，井筒高108 m。

廠址區(qū)位于福堂壩溝上游側(cè)，地形上呈NE向展布的長條形山脊前緣，巖體主要為強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷的荷晉江-澄江期中粗粒黑云母花崗巖(γ2④)，巖質(zhì)堅硬，其間穿插有少量輝綠巖脈，巖脈多構(gòu)成擠壓破碎帶。施工開挖揭示:邊坡在高程1 180 m以上巖體呈松動、松散、強(qiáng)卸荷、強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，極不完整，節(jié)理、裂隙十分發(fā)育，巖體被大裂隙和無數(shù)的小節(jié)理切割成小塊石，多呈碎裂狀散體結(jié)構(gòu)，對廠房后緣邊坡穩(wěn)定極為不利。

汶川“5.12”地震后，電站廠區(qū)工程邊坡局部松動變形和開裂，廠區(qū)自然邊坡淺表風(fēng)化、卸荷巖體普遍發(fā)生崩塌，出露坡面仍殘留較多的松動巖體及解體巖塊，危及廠房及進(jìn)廠公路安全。同時，由于調(diào)壓井中上部置于強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷山體內(nèi)，此次地震造成山體外側(cè)中上部巖體多呈松弛變形、崩塌破壞。為保證廠房、調(diào)壓井等建筑物及人員安全，需對廠區(qū)邊坡進(jìn)行治理和加固。

2 預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計

為了保證該工程上部調(diào)壓井、下部發(fā)電廠房等建筑物及人員的運(yùn)行與安全，需對廠區(qū)邊坡進(jìn)行治理和加固。針對該工程特點(diǎn)，設(shè)計采用錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、排水孔及護(hù)坡混凝土等手段進(jìn)行綜合支護(hù)。

根據(jù)設(shè)計圖紙，該工程在調(diào)壓井下部1 230 m高程以上邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，支護(hù)高度約為85 m，共布設(shè)122束錨索，合534 000 t·m。錨孔間排距為6 m×6 m，深度為30 m和50 m兩種，張拉噸位1 000 kN，結(jié)構(gòu)形式為壓力分散型錨索，每束錨索由7根φ15.24鋼絞線組成，錨固段長8 m，鉆孔直徑130 mm，采用OVM錨具。1 000 kN級壓力分散型錨索的結(jié)構(gòu)見圖1。

3 施工工藝

3.1 工藝流程

錨索施工工藝流程見圖2。

3.2 施工準(zhǔn)備

(1)施工用風(fēng)、水、電的布置。

①施工用電:優(yōu)先利用已經(jīng)形成的至調(diào)壓井的供電系統(tǒng)，就近接用，不足時增加變壓器，以滿足高峰期用電負(fù)荷的要求。

②施工用水:采用多級泵從業(yè)主消防水池內(nèi)抽取至調(diào)壓井高程水池。高峰期用水量約10 m3/h。

③施工用風(fēng):由于地質(zhì)條件差，錨索孔較深且孔徑較大，沖擊器耗氣量大及風(fēng)壓均較大，故錨索施工用風(fēng)采用2臺高風(fēng)壓和3～4臺中風(fēng)壓空壓機(jī)聯(lián)合供風(fēng)，高峰期用風(fēng)量為150 m3/min。

圖1 壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)示意圖

(2)鉆孔平臺。

錨索施工腳手架利用錨噴支護(hù)施工腳手架進(jìn)行加密、加固形成，錨索施工部位腳手架鋼管間排距為1.5 m，立管排數(shù)根據(jù)現(xiàn)場地形條件和施工設(shè)備操作空間一般需要3～4排，局部范圍(編制錨索平臺)還可增加。為抵抗?jié)摽讻_擊器造孔時對腳手架的反向沖擊作用，錨索部位每排應(yīng)間隔布置一部分砂漿錨桿，長度L=2 m。腳手架的立管套在砂漿錨桿內(nèi)并焊接牢固，橫向采用已完成的系統(tǒng)錨桿進(jìn)行鎖定，確保錨索施工腳手架在縱、橫兩個方向均得到可靠的連接。在每層錨索施工平臺上連續(xù)鋪設(shè)5 cm×10 cm板方材或竹膠板，鋪設(shè)寬度不小于3 m，外側(cè)臨空面掛安全網(wǎng)封閉。

3.3 錨索鉆孔

(1)鉆孔定位。

按設(shè)計圖紙要求或監(jiān)理人指定的位置進(jìn)行鉆孔，確保開孔偏差不大于10 cm。錨索孔鉆孔的孔位采用全站儀測量定位，鉆機(jī)傾角采用水平尺和角尺控制，方位角采用地質(zhì)羅盤測量。

(2)鉆孔機(jī)具。

由于錨索施工強(qiáng)度極大，根據(jù)工期及工程量大小并結(jié)合該工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用無錫市雙帆鉆鑿設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YG－80A和成都哈邁鉆掘設(shè)備制造廠生產(chǎn)的YXZ－50A型錨固工程鉆機(jī)進(jìn)行氣動潛孔鉆進(jìn)，鉆孔孔徑、孔深滿足設(shè)計要求。這兩種鉆機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、動力頭輸出扭矩大、給進(jìn)行程長、重量輕、可拆性好、鉆孔精度和效率高等特點(diǎn)，適于高邊坡排架施工。

(3)鉆進(jìn)地層的特點(diǎn)與難點(diǎn)。

①邊坡表層、尤其在1 230 m高程以上多為松散、破碎巖塊，夾雜部分砂土，沖擊器開孔困難，鉆進(jìn)過程中若供風(fēng)量控制不好極易造成孔口段孔壁坍塌。

②巖層普遍裂隙發(fā)育、裂縫貫通，易造成鉆進(jìn)時漏風(fēng)或基本不返風(fēng)、不排渣，鉆進(jìn)過程中發(fā)生因掉塊和孔壁坍塌而導(dǎo)致的夾鉆、卡鉆等鉆孔事故頻繁，鉆進(jìn)效率低。

③在采用固壁灌漿的方法處理破碎地層時，注漿頻繁，且注入量非常大。

④巖體破碎，孔壁穩(wěn)定性差，下錨索困難，重復(fù)掃孔現(xiàn)象時有發(fā)生。

圖2 錨索施工工藝流程圖

(4)采取的主要技術(shù)措施。

由于該工程特殊的地質(zhì)條件，實(shí)際施工中針對實(shí)際地層特點(diǎn)采用了投水泥球堵漏法、灌注水泥砂漿法、水泥速凝膏漿法和快硬硫鋁酸鹽水泥外摻專用早強(qiáng)劑等多種方法進(jìn)行堵漏試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)情況，總結(jié)出采用常規(guī)的水泥砂漿灌注和快硬硫鋁酸鹽水泥外摻專用早強(qiáng)劑灌注兩種方法適用性較強(qiáng)。一般情況下，對于巖體裂縫(隙)張開度不大時，采用硫鋁酸鹽水泥摻加專用外加劑進(jìn)行灌注，用其灌注可大大縮短掃孔待凝時間，一般灌后3～5 h即可掃孔。對于巖體裂縫(隙)張開度較大時，考慮到硫鋁酸鹽水泥價格相對較高，采用先灌注普通水泥漿液或水泥砂漿，根據(jù)情況可外摻速凝劑(如水玻璃或氯化鈣)，待孔(段)吸漿量明顯減小時，再改用快硬硫鋁酸鹽水泥(摻專用外加劑)漿液進(jìn)行灌注，同樣可以達(dá)到灌注3～5 h后即掃孔的效果。

3.4 錨孔清洗及驗(yàn)收

當(dāng)鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計圖紙所示深度、錨固段仍處于破碎或斷層等軟弱地層時，應(yīng)立即向監(jiān)理工程師反映，根據(jù)監(jiān)理工程師指示做出延長孔深或采取其它措施的決定。鉆孔完成后，使用高壓空氣(風(fēng)壓0.2～0.4 MPa)將孔內(nèi)巖粉及水體全部清除出孔外，以免降低水泥砂漿與孔壁巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度。

錨孔鉆造結(jié)束后，須經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理人員檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行下道工序?？讖?、孔深檢查一般采用鉆頭和標(biāo)準(zhǔn)鉆桿進(jìn)行驗(yàn)孔，要求驗(yàn)孔過程中鉆頭平順推進(jìn)，不產(chǎn)生沖擊或抖動，鉆具驗(yàn)送長度滿足設(shè)計錨孔深度，退鉆要求順暢，用高壓風(fēng)吹驗(yàn)不存在明顯飛濺塵渣及水體現(xiàn)象。同時，要求復(fù)查錨孔孔位、傾角和方位，待全部錨孔施工分項(xiàng)工作合格后，即可認(rèn)為錨孔鉆造檢驗(yàn)合格。

3.5 錨索的制作與安裝

(1)錨索材料。

該工程錨索設(shè)計為壓力分散型錨索，錨索采用1 860 MPa級低松弛高強(qiáng)度無粘結(jié)鋼絞線制作錨束，其內(nèi)錨固段由專門制作的錨板和鋼鉸線構(gòu)成多錨頭承載體錨固結(jié)構(gòu)。

(2)切割下料。

鋼絞線使用砂輪切割機(jī)下料。各級錨頭鋼絞線下料長度L為:

L=錨固段長度Li距第一組錨頭之距離Ld+自由段長度Lo+錨墩長度La+張拉長度Lz。

(3)清洗錨固段鋼絞線并擠壓P錨。

剝離錨固段約20 cm長度范圍內(nèi)鋼絞線的聚乙烯塑料套并進(jìn)行脫脂、除污，在剝除段端頭約20 cm擠壓上P錨，并對剝除段和錨固端擠壓好的P錨進(jìn)行防護(hù)。按照由內(nèi)向外的順序?qū)⑾鄳?yīng)長度的鋼絞線穿進(jìn)各自的承載體內(nèi)，放好支撐架，用扎絲綁扎牢固。

(4)編 索。

將鋼絞線順直排列在加工平臺上，保持長度一致;按照圖紙裝配擠壓頭、P錨承載體并進(jìn)行錨頭部分的制作;按照隔離架上的對應(yīng)位置安放并順直注漿管，同時注意使注漿管在錨索體中的相對位置滿足圖紙要求;自由段在兩對中架中間使用黑鐵絲捆扎，錨固段在兩隔離架中間使用黑鐵絲將其捆扎成紡錘型;在錨索體外側(cè)安置塑料或鋼制對中架，使預(yù)應(yīng)力錨索體在鉆孔內(nèi)居中放置;錨固段頂部安裝導(dǎo)向帽。

錨索成束后，要認(rèn)真檢查其長度、鋼絞線有無交叉和迭合等，驗(yàn)收合格后方可使用。對合格的錨索要登記掛牌，標(biāo)明錨索編號、錨索長度，以防組裝錯位。對不同承載體位置的鋼絞線外露端做好標(biāo)記，保證預(yù)緊時能分清楚每束鋼絞線所對應(yīng)的各組承載體，以免補(bǔ)償錯誤。

(5)錨索安裝。

只有經(jīng)檢驗(yàn)合格的錨索方可下入孔內(nèi)。高邊坡錨索運(yùn)輸在腳手架上采用人工抬運(yùn)，轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)大于3 m，不能使錨索結(jié)構(gòu)受到損傷，在運(yùn)輸過程中要保護(hù)好PE套管。下索前檢查鋼絞線是否順直，對有扭曲的鋼絞線須進(jìn)行調(diào)整，對有破損的PE管必須進(jìn)行修復(fù)、處理合格后方能安裝。錨索一次安裝到位，避免在安裝過程中反復(fù)拖動索體。錨索入孔后，鋼絞線必須平順、伸直。對外露鋼絞線進(jìn)行臨時防護(hù)。錨索安裝后，及時進(jìn)行注漿施工。

3.6 錨索注漿

(1)注漿材料。

灌漿采用P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，需符合規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

(2)灌漿水灰比。

壓力分散性錨索注漿水灰比為0.3～0.45，采用純水泥漿液進(jìn)行灌注。為保證錨固段注漿體強(qiáng)度及時達(dá)到設(shè)計要求，在漿液中摻加了專用錨索注漿外加劑(錨固劑)，要求將漿液3 h后的泌水率控制在2%以內(nèi)，7 d的結(jié)石強(qiáng)度不低于30 MPa。

(3)注漿方式。

錨索安裝后，通過與錨索捆綁在一起的φ20 PVC灌漿管，采用自制的特殊錨索注漿器全孔一次注漿。注漿壓力為0.3～0.5 MPa。當(dāng)出漿管排漿比重與進(jìn)漿比重相同時進(jìn)行屏漿，屏漿壓力為0.5 MPa，屏漿時間為20～30 min。注漿結(jié)束后，及時清理外露鋼絞線上的水泥漿液，如發(fā)現(xiàn)孔道漿體不飽滿時，采取措施進(jìn)行補(bǔ)充灌漿。

(4)特殊情況處理。

由于邊坡錨固區(qū)所處地質(zhì)條件較差，錨索孔道灌漿極可能出現(xiàn)漿液漏失的情況。根據(jù)實(shí)際施工情況，對部分錨索在鉆孔完成后先進(jìn)行了一次全孔段預(yù)固結(jié)灌漿，以減少下索后錨固段注漿出現(xiàn)漿液漏失的情況，確保錨索段的注漿質(zhì)量。

3.7 錨墩澆筑

首先在孔口安裝錨墊板、鋼套管、結(jié)構(gòu)鋼筋等預(yù)埋件，1 000 kN錨索的錨墊墩設(shè)計尺寸為底邊1.2 m、頂邊0.5 m、高0.35 m;1 000 kN 錨索的鋼墊板尺寸為400 mm×400 mm×35 mm。錨墊板安裝時必須保證墊板平面與孔道軸線垂直，套管與孔道軸線對中，并將套管與孔道間的空隙密封。

鋼筋加工好后，綁扎成鋼筋架，將鋼墊板牢固焊接在鋼筋架上。安裝時，調(diào)整鋼筋架使鋼墊板預(yù)留孔的中心位置置于錨孔軸線上，平面與錨孔軸線正交，其誤差不得大于0.5 cm，錨墩模板采用自制四片定型鋼模板現(xiàn)場組裝，鋼模和巖面之間的空隙用木條嵌補(bǔ)。上模板預(yù)留進(jìn)料口和觀察排氣孔。孔位附近設(shè)插筋固定模板。C30混凝土在調(diào)壓井平臺上用強(qiáng)制拌合機(jī)拌制，根據(jù)實(shí)際地形坡度，現(xiàn)場采用溜管(槽)下料入倉，有條件時也可采用混凝土泵進(jìn)行澆筑，插入式振動棒振搗。

為保證錨墩混凝土早期強(qiáng)度能滿足錨索張拉的需要，在混凝土配比中摻入了適量的早強(qiáng)減水劑。錨墩施工前應(yīng)先清理巖面浮渣，以保證混凝土與外露巖面的有效結(jié)合。為保證錨墩混凝土澆筑密實(shí)，混凝土采用二次振搗法施工。

3.8 張拉及鎖定

(1)張拉的準(zhǔn)備。

張拉前，必須把張拉機(jī)具、測力裝置及所需附屬機(jī)具準(zhǔn)備齊全。張拉所用的設(shè)備額定值必須大于最大使用張拉值并有富余度，以確保重復(fù)使用后的精確度仍能滿足要求。張拉設(shè)備在張拉前必須配套標(biāo)定，標(biāo)定間隔期不宜超過六個月，經(jīng)拆卸檢修的張拉設(shè)備或經(jīng)常遭強(qiáng)烈撞擊的壓力表都必須重新標(biāo)定。對于率定和校驗(yàn)過的機(jī)具要妥善保管，以免影響精度。機(jī)具率定或校驗(yàn)證書必須經(jīng)驗(yàn)收合格后方可使用。

錨具必須具有廠家產(chǎn)品合格證書，并經(jīng)規(guī)定的試驗(yàn)驗(yàn)收程序方可使用。錨具表面一定要清洗干凈，不得有油污、鐵屑、泥沙等雜物。錨具各組件按次序安裝好，錨墊板和錨板應(yīng)對中并相吻合。

(2)張拉機(jī)具。

壓力分散型錨索使用ZB4-500S電動油泵和YDC240Q單根千斤頂進(jìn)行單根鋼絞線對稱預(yù)緊張拉后，再使用ZB4-500S電動油泵和YCW－150B型千斤頂分別對1 000 kN級錨索進(jìn)行整束張拉。

(3)張 拉。

①錨索張拉待錨固灌漿達(dá)到30 MPa和錨墩混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定值時才能對預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行張拉和鎖定，張拉按照以下程序進(jìn)行:

機(jī)具率定→分級理論值計算→錨墩混凝土強(qiáng)度檢查→張拉機(jī)具安裝→預(yù)緊→分級張拉→鎖定→簽證驗(yàn)收。

②單根絞線預(yù)緊應(yīng)力為設(shè)計張拉力的20%，每根絞線至少進(jìn)行兩個循環(huán)預(yù)緊，要求兩次預(yù)緊伸長值小于3 mm，且每根鋼絞線的伸長值不得小于理論值的10%。否則，進(jìn)入下一循環(huán)繼續(xù)預(yù)緊，直至滿足要求才能進(jìn)入整體張拉。

③同一承載體上的鋼絞線分級加載和整索張拉均分5級按設(shè)計荷載即1 000 kN的25%、50%、75%、100%和110%施拉，每次持荷時間為2～5 min，最后一級持荷穩(wěn)定觀測10 min以后按設(shè)計要求鎖定。鎖定后48 h內(nèi)若沒有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象即可進(jìn)行封錨。上述五個量級的張拉均應(yīng)在同一工作時段完成，否則應(yīng)卸荷重新依次張拉。

④加荷、卸荷速率應(yīng)平穩(wěn)。張拉時，升荷速率每分鐘不宜超過設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的0.1;卸荷速率每分鐘不宜超過設(shè)計預(yù)應(yīng)力值的0.2。

⑤特殊情況的處理:張拉過程中，在每級拉力下持荷穩(wěn)定時量測鋼鉸線的伸長值，以用于校核張拉力。實(shí)際量測的鋼鉸線的伸長值須與理論計算的伸長值基本相符。當(dāng)實(shí)際量測的伸長值大于理論計算值的10%或小于理論計算值的5%時，應(yīng)暫停張拉，待查明原因并采取相應(yīng)措施予以調(diào)整后方可恢復(fù)張拉，直至張拉正常為止。

⑥補(bǔ)償張拉:錨索張拉完畢并經(jīng)鎖定后應(yīng)注意檢查，如產(chǎn)生應(yīng)力損失應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償張拉，其間隔時間不得少于72 h，松弛損失一般為鎖定荷載的3%～4%。對于張拉力下降至設(shè)計值以下的錨索再進(jìn)行一次補(bǔ)償張拉。

3.9 錨頭保護(hù)

錨索張拉鎖定應(yīng)力穩(wěn)定后，使用手持切割機(jī)將工作錨具外的超長部分鋼鉸線切除，切除后的鋼鉸線在工作錨具外的留存長度為15 cm，然后澆筑混凝土對外錨具及鋼絞線做永久防護(hù)，混凝土保護(hù)層的厚度不小于10 cm。

4 結(jié)語

(1)福堂水電站震后高邊坡地質(zhì)條件極為復(fù)雜，廠房1 230 m高程以上邊坡斷層、擠壓破碎帶和構(gòu)造裂縫(隙)發(fā)育，加之特大地震帶來的影響，該部位巖體卸荷松弛。采用壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索加固后，取得了較好的效果，錨索張拉力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:錨固力損失小，普遍穩(wěn)定在1 000 kN左右，邊坡穩(wěn)定。

(2)壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索因其受力結(jié)構(gòu)合理、防腐性良好、注漿工序簡單等特點(diǎn)，在復(fù)雜地層邊坡，特別是一些軟巖地層加固中將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。