【摘要】在唐河水電站高陡邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固工程中，對(duì)錨索應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)力變化特征進(jìn)行了描述，并對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了模擬和反演，以期對(duì)同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】高陡邊坡；錨索應(yīng)力；強(qiáng)風(fēng)化巖體；邊坡巖體

1、工程概述

唐河水電站位于山西省大同市靈丘縣，地處唐河上游，屬海河流域，設(shè)計(jì)總庫(kù)容950×104m3，屬?。?）型水利水電工程。工程建設(shè)前，大壩樞紐右岸為高達(dá)150m的高陡邊坡，由于組成邊坡的太古界（Ar，五臺(tái)群）花崗片麻巖風(fēng)化強(qiáng)烈，巖石強(qiáng)度較低；節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，加之公路改線、工程削坡等人為因素破壞了自然邊坡的穩(wěn)定性，致使樞紐右岸成為一個(gè)潛在的不穩(wěn)定邊坡。為保障各項(xiàng)工程安全運(yùn)行，決定對(duì)該段邊坡進(jìn)行加固處理。

加固工程的設(shè)計(jì)方案是采用預(yù)應(yīng)力錨索加縱向地梁。該方案共設(shè)計(jì)了397根長(zhǎng)度12～50m的錨索，錨固端深入至弱風(fēng)化巖層內(nèi)至少8m，鎖固端置于縱向地梁之上。錨頭呈矩形陣列方式布置。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，本工程所用的是六索壓力分散型錨索，錨索材料為270級(jí)鋼絞線，六根錨索呈正六邊形分布；單根鋼絞線直徑φ=15.24mm，有效橫截面積A=140mm2，極限強(qiáng)度為1860MPa，出廠指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的彈性模量E均為195GPa。本工程的錨索預(yù)拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值為750kN，換算成單根強(qiáng)度值為890MPa。

2、觀測(cè)儀器

錨索測(cè)力計(jì)用于測(cè)量錨索的張拉應(yīng)力，在錨索張拉時(shí)鎖固在錨索頭上，測(cè)力計(jì)的測(cè)力盤壓在鎖固盤之下，用于觀測(cè)錨索整個(gè)生命周期的應(yīng)力變化。本工程按3%的抽樣量共布設(shè)12支錨索測(cè)力計(jì)，并盡可能均勻分布在整個(gè)加固坡面上。圖1為錨索及測(cè)力計(jì)安裝位置示意圖，其中地梁橫截面為0.5m×0.5m，材料為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，地梁列間距為3.5m或4.0m，錨索的排間距均為3.5m。

測(cè)斜儀用于觀測(cè)邊坡巖體的深部位移。其原理是假定邊坡深部的某個(gè)點(diǎn)是穩(wěn)定的，如果其上部點(diǎn)與該點(diǎn)之間的傾角發(fā)生變化，就說(shuō)明上部點(diǎn)產(chǎn)生了位移。由于測(cè)斜儀的長(zhǎng)度是已知的，只要測(cè)量出這個(gè)傾角就可以計(jì)算出位移量。本工程在邊坡的坡面上共設(shè)置了6個(gè)測(cè)斜孔，深度為15m～40m，測(cè)斜孔底部深入到弱風(fēng)化巖體內(nèi)8m，同時(shí)位于模擬計(jì)算出的可能滑動(dòng)面以下至少12m。

3、錨索應(yīng)力的變化特征

錨索測(cè)力計(jì)可直接測(cè)量出6索錨索的拉力總值，現(xiàn)以MS03和MS08兩個(gè)錨索測(cè)力計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明錨索應(yīng)力的變化特征。圖2和圖3分別為兩個(gè)錨索測(cè)力計(jì)的應(yīng)力過(guò)程線。

錨索張拉完成后，由于邊坡巖體受到壓縮，錨索應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生松弛性下降，也叫應(yīng)力損失；

在錨索和地梁的高壓作用下，巖土體受到壓縮而產(chǎn)生反彈力，又由于巖土體具有彈塑性特征，在經(jīng)歷一定時(shí)間后，錨索應(yīng)力與巖體的反彈力會(huì)達(dá)到相對(duì)平衡的穩(wěn)定狀態(tài)；

根據(jù)錨索應(yīng)力下降速率的快慢，可將錨索應(yīng)力下降和穩(wěn)定過(guò)程劃分為兩個(gè)階段，分別是驟降段和緩降段。驟降段時(shí)段較短，通常在9天到30天之間，從過(guò)程線上看，驟降段的曲線斜率較大，坡度較陡，平均日降量通常大于3kN；緩降段時(shí)段較長(zhǎng)，短至3個(gè)月，長(zhǎng)者可達(dá)18個(gè)月，該階段過(guò)程線平緩，最終趨于水平，有的甚至有回彈的可能。（在此將錨索應(yīng)力的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)定為連續(xù)7日的日降量小于0.1kN。）

通過(guò)對(duì)12支測(cè)力計(jì)的測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得，驟降段平均日降量為0.90～9.44kN，緩降段平均日降量為0.05～0.24kN，二者相差17.2～71.2倍。

邊坡淺部的巖土體受到錨索和地梁的壓縮作用，產(chǎn)生了向坡內(nèi)的壓縮位移，位移量與錨索的松弛量相等。

CX02、CX03兩個(gè)測(cè)斜孔分別位于MS02和MS03兩個(gè)錨索測(cè)力計(jì)附近。圖4、圖5分別為CX02、CX03兩個(gè)測(cè)斜孔的測(cè)斜曲線，三條曲線分別對(duì)應(yīng)初始期、應(yīng)力驟降完成期和穩(wěn)定期。測(cè)斜曲線的變化過(guò)程也證明了邊坡巖體受到壓縮而產(chǎn)生位移的情況，同時(shí)還顯示了受影響巖土層的厚度。

4、邊坡巖體變形模量的反演

由上述可知，邊坡巖土體受到錨索和地梁高壓下產(chǎn)生壓縮，其壓縮位移與錨索松弛量相等。由于錨索鋼絞線性能穩(wěn)定，其力學(xué)參數(shù)也相當(dāng)穩(wěn)定，所以可通過(guò)計(jì)算錨索的松弛量來(lái)取得邊坡巖土體的壓縮量。根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)規(guī)范》（GB50086-2001）錨索松弛量的計(jì)算公式為：。

式中：

Δe —— 錨索松弛量（mm）；

ΔF —— 平均單根錨索應(yīng)力的下降量（kN）；

L —— 錨索自由段長(zhǎng)度（m）；

A —— 單根錨索的有效橫截面面積（mm2）；

E —— 單根錨索的彈性模量（GPa）。

ΔF即為錨索測(cè)力計(jì)所觀測(cè)到的初始值和穩(wěn)定值之間的差值，錨索的自由段長(zhǎng)度可以通過(guò)設(shè)計(jì)報(bào)告和施工記錄取得，A=140mm2，E=195GPa。12支錨索測(cè)力計(jì)所在的錨索的松弛量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

可以將這種錨索加地梁的加固模型設(shè)想為巖土工程的載荷試驗(yàn)來(lái)反演邊坡巖體變形模量E0。因?yàn)檩d荷試驗(yàn)的原理與錨索、地梁加固模型十分相似，地梁相當(dāng)于載荷試驗(yàn)的承壓板，單孔有效面積為地梁寬度與錨頭間距的乘積，即0.5m×3.5m，所以可以借用巖土體變形模量的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算相應(yīng)位置巖體的變形模量。參照《工程地質(zhì)手冊(cè)》，變形模量的計(jì)算公式為：E0=10P/（s·d）。

式中：

E0—— 巖土體的變形模量（MPa）；

P—— 承壓板上的總荷載，在此為錨索應(yīng)力的穩(wěn)定值（kN）；

s—— 與荷載相應(yīng)的承壓板的沉降量，即巖土體的壓縮量（mm）；

d—— 承壓板的直徑，按地梁面積折算成等效直徑為150cm。

12支錨索測(cè)力計(jì)對(duì)應(yīng)部位巖土體的變形模量計(jì)算見表3。

從計(jì)算結(jié)果看，除個(gè)別數(shù)據(jù)離散性較大外，大多數(shù)據(jù)處于15～45MPa之間，平均值36.3MPa，說(shuō)明組成該邊坡的強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖的強(qiáng)度與松散～中密狀態(tài)的中砂性質(zhì)比較接近，反演結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)情況比較吻合。

參考文獻(xiàn)：

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