王洪超（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州　311100）

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壓力分散型錨索張拉預應力偏差原因分析

王洪超
（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州311100）

【摘 要】錨索預應力損失的原因和影響因素是多方面的，本文通過對壓力分散型錨索張拉預應力偏差的分析，總結了問題造成錨索張拉偏差的原因及影響因素，通過采取有效的改進措施，達到了減少應力損失的目的。

【關鍵詞】壓力分散型錨索；張拉；偏差原因；分析

1 工程概況

長河壩水電站是大渡河梯級開發(fā)中的第10級電站，位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，以發(fā)電為主，無航運、防洪及灌溉要求，采用水庫大壩、首部式地下引水發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)。電站樞紐主要由礫石土心墻壩、右岸泄洪放空系統(tǒng)、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)組成；大壩為黏土心墻堆石壩，壩高240m，正常蓄水位以下庫容10.15億m3，總庫容10.75億m3，單機容量650MW，總裝機容量2600MW，年發(fā)電量107.9 億kW·h。

水電站位于大渡河干流深山峽谷河段，地質條件復雜，地應力較高；工區(qū)相對于工程規(guī)模而言較為狹窄，施工布置困難，且有較多的高陡邊坡，開挖高差大，支護強度高，施工難度較大。從工程總體地質條件看，工程邊坡無區(qū)域性斷裂通過，地質構造以次級小斷層、節(jié)理裂隙及多組結構面為特征，小斷層及層間擠壓帶較發(fā)育，不存在控制邊坡穩(wěn)定的軟弱結構面，邊坡整體穩(wěn)定。

2 應力偏差

長河壩水電站工程高邊坡較多，支護采用深層錨索和淺層錨桿相結合的方式。據(jù)統(tǒng)計，整個工程邊坡布置錨索多達7000束，監(jiān)測錨索數(shù)量約為10%。錨索采用壓力分散型自由式單孔多錨頭防腐型預應力錨索（簡稱壓力分散型錨索，見圖1），且具有克服錨固段應力集中、有效防腐、有效減小孔徑、全孔一次注漿、可進行二次補償張拉等特點。錨索施工嚴格按照設計要求采用逐束、循環(huán)、分級張拉，但根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測錨索施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每級一循環(huán)張拉后測力計測讀數(shù)據(jù)與實際張拉數(shù)據(jù)（壓力表千斤頂）存在較大的偏差。為查明錨索應力出現(xiàn)偏差的原因，選擇3束監(jiān)測錨索作為試驗錨索，進行生產(chǎn)性試驗，具體試驗成果見表1～表3。

圖1　壓力分散型錨索結構示意圖

儀器名稱：錨索測力計；儀器型號；NZMS-2000；設計編號；PR8；儀器編號；WCYD0846；埋設位置：泄洪洞出口邊坡；埋設高程：1662m；設計噸位：2000kN；安裝日期：2013年11月22日；率定系數(shù)：7.353；0℃電阻：78.25Ω；零下溫度系數(shù)：5.19；零上溫度系數(shù)：4.77。

表1　錨索測力計原始記錄及計算

儀器名稱；錨索測力計；儀器型號：NZMS-2500；設計編號：PR9；儀器編號：XHYD0602；埋設位置：泄洪洞進口邊坡；埋設高程：1740m；設計噸位：2500kN；安裝日期：2013年9月21日；率定系數(shù)：9.843；0℃電阻：75.07Ω；零下溫度系數(shù)：5.36；零上溫度系數(shù)：4.91。

表2　錨索測力計原始記錄及計算

儀器名稱：錨索測力計；儀器型號：NZMS-2500；設計編號：PR14；儀器編號：WGYD0607；埋設位置：泄洪洞進口邊坡；埋設高程：1735 m；設計噸位：2500kN；安裝日期：2013年10月29日；率定系數(shù)：8.961；0℃電阻：76.77Ω；零下溫度系數(shù)：5.30；零上溫度系數(shù)：4.86。

表3　錨索測力計原始記錄及計算

通過試驗錨索張拉數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)錨索在張拉完成一個分級循環(huán)后，測力計測讀數(shù)據(jù)與張拉壓力表數(shù)據(jù)存在明顯的應力偏差，且偏差值隨著錨索張拉噸位的增加呈減小趨勢。由于錨索采用單根分級張拉，若每根錨索張拉噸位與壓力表顯示數(shù)據(jù)存在一定的偏差，則張拉后錨索理論總應力與實際應力就會存在較大偏差。

3 影響因素分析

3.1 錨索的結構特點壓力分散型錨索主要由導向帽、單錨頭、錨板、注漿管、高強低松弛無黏結鋼絞線等組成，適用于巖石裂隙較為發(fā)育和破碎的巖體，在地質條件較差、巖體較為破碎或發(fā)育較強的工程項目上有著較廣泛的使用經(jīng)驗；其主要特點是通過多組錨頭將錨固點由原來的一點，整體均勻地分布到一段，通過將預應力分散到多個承載體上，避免了預應力集中的問題。在總預應力不變的前提下，減少每段巖土體的預應力值，充分發(fā)揮和利用巖土體整體力學性能，減少錨索張拉后因巖石破碎蠕動變形而導致的預應力大幅損失。

3.2 錨索張拉工藝分析

錨索張拉采用以應力控制為準、伸長值校驗的雙控操作方法。在錨索施工過程中，先進行單根預緊張拉，使錨索各束鋼絞線充分受力均勻后，再逐束進行分級張拉，分級張拉系數(shù)為σcon（設計張拉控制應力）的0.2、0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍，加載、卸載速率緩慢平穩(wěn)，速率分別控制在每分鐘不超過0.1σcon和0.2σcon，穩(wěn)壓持荷時間按照5min進行控制。

錨索預應力損失主要分為張拉鎖定過程中的應力損失和鎖定后的應力損失，前者主要受張拉過程操作的規(guī)范性、工器具的配套適用性及施工工藝影響，而后者主要受巖層地質條件、施工影響以及應力自然衰減影響。為充分掌握錨索張拉壓力表與測力表的數(shù)據(jù)偏差量，在錨索張拉施工前對錨索張拉千斤頂、壓力表及測力計分別進行率定、檢驗，并將錨索千斤頂、壓力表與測力計進行配套率定，以驗證二者數(shù)據(jù)的一致程度和準確性，進而指導現(xiàn)場的錨索張拉施工。通過配套率定試驗驗證，錨索張拉壓力表與測力計數(shù)據(jù)偏差不是很大，一般在3%～5%左右。

3.3 主要影響因素

3.3.1 地質條件

工程邊坡地質條件復雜，巖體較為破碎、節(jié)理發(fā)育，且存在較多的裂隙或裂縫；通過錨索鉆孔資料驗證，山體卸荷、裂隙發(fā)育，屬強卸荷區(qū)，局部存在孔內(nèi)掉塊、空洞及裂隙等現(xiàn)象，判斷為水平和垂直坡面裂隙的可能性較大。

實際施工過程中，錨索鉆孔經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、掉塊等現(xiàn)象，致使成孔困難，施工效率較低。為加快錨索成孔速度，提高施工效率，并降低工程投資，以保證成孔為目的，僅對錨索孔進行固壁灌漿。灌漿采用自流無壓力漿液，并在孔口采取加砂、推水泥球等措施，然后待凝、掃孔、鉆進，直至最終成孔，而未真正對巖體裂縫、孔洞進行有效的封填，以致在錨索張拉后，出現(xiàn)巖體蠕動變形，壓縮了巖層、裂隙間的空間距離，從而造成錨索預應力損失。

3.3.2 爆破的影響

根據(jù)《水利水電工程爆破施工技術規(guī)范》（DL/T 5135—2013）要求，錨索封孔灌漿3d內(nèi)的質點振動速度不得大于2.0m/s，3～7d內(nèi)爆破產(chǎn)生的質點振動速度不得大于5.0cm/s。而對于高邊坡施工，為確保高邊坡的穩(wěn)定及施工安全，嚴格要求支護的及時性，特別是深層錨索支護，受工期進度的影響，開挖爆破在一定范圍內(nèi)是允許，以控制安全距離50m為宜。

開挖爆破對周圍破碎巖體的影響可能更大，特別是大的爆破后，應力出現(xiàn)時大時小變化，反復出現(xiàn)對其受影響范圍產(chǎn)生影響，首先是內(nèi)錨段（黏結力、機械嵌固力、表面摩擦力），其次是外錨固（錨具與鋼絞線之間的相對位移、錨板與夾片之間相對位移等）。

3.3.3 邊坡錨固力的影響

從鄰近監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)（多點位移計）成果分析，沒有影響邊坡安全的變形，但存在表觀的緩慢蠕動變形，呈逐步收斂趨勢。而整個邊坡采用深層錨索系統(tǒng)支護，錨索錨墩之間采用框格梁連接，錨索張拉完成后，錨墩受力全部作用于框格梁上，進而使整個邊坡處于一個整體狀態(tài)，故而可能對單個錨索的受力造成削弱，以致錨索應力變小，形成預應力損失的假象。

3.3.4 儀器及設備本身的原因

為確保錨索夾具與夾片的適用性、匹配性，采用同一正規(guī)廠家生產(chǎn)的錨具及夾片，并經(jīng)外委質量檢測，錨具及夾片檢測質量合格，且能夠滿足使用要求。而通過對儀器率定情況分析，儀器本身初始空載讀數(shù)變化存在較大差異，基本與配套率定成果保持一致，況且配套率定也不可能完全模擬孔內(nèi)的情況，不能測定鋼絞線之間應力不均勻性影響。另外，高原地區(qū)環(huán)境溫度變化（溫差變化較大）及氣壓亦有可能產(chǎn)生一定的影響。

3.3.5 施工工藝

壓力分散型錨索因內(nèi)錨點位置不同，鋼絞線長度也不同，因此同一張拉應力下鋼絞線伸長值也不相同，故而需進行單束分級循環(huán)張拉。張拉機具采用穿心式前卡千斤頂，千斤頂前端配置專用頂頭，該千斤頂操作程序簡單方便，節(jié)省操作時間，使用安全可靠；但在實際施工過程中，也發(fā)現(xiàn)該方式張拉存在一定弊端，主要是錨索張拉千斤頂頂頭鍵槽深度問題（見圖2），若槽深過大，則易造成錨索鎖定時夾片回縮距離增大，應力損失加大；反之，由于夾片活動空間太小，造成夾片行程過小，致張拉時夾片不能完全松開鋼絞線，張拉應力被消耗到夾片與鋼絞線的摩擦力上，從而造成鋼絞線表層受損嚴重（見圖3）。

圖2　張拉專用錨頭鍵槽深度

圖3　錨索張拉中鋼絞線損壞嚴重

通過對生產(chǎn)性試驗中鋼絞線張拉受損情況的觀察，可以充分說明鍵槽深度偏小是造成問題的主要原因。從試驗錨索的張拉過程進行錨索的受力分析。設P為壓力表張拉應力值，P1為錨索測力計顯示值，P2為錨具夾片與鋼絞線的反向摩擦力，則有：

理論情況下：P = P1+ P2，其中P2無限小，按零計，即P = P1；而實際情況下：P = P1+ P2，其中P2受工藝（夾片活動空間）、孔道摩擦力影響，不能為零，大約為P的10%左右，通過綜合分析，錨索張拉后的應力偏差即為P2。

4 主要原因及采取的措施

錨索應力出現(xiàn)偏差的原因確有很多種，不盡相同，且影響力有大有小、有主有次，但結合各個工程的特點及地質條件，通過分析基本可以縮小至某一個特定的范圍，確定主、次影響因素。根據(jù)該工程的特點，并通過對以上幾種影響錨索應力偏差因素的分析，可以認為該工程施工范圍內(nèi)的錨索應力偏差與錨索張拉工藝有關，特別是錨索千斤頂頂頭槽深，是引起偏差的主要原因。在錨索的實際張拉過程中，由于錨索張拉工藝的缺陷，使錨索張拉鎖定時夾片回縮較大，造成鋼絞線應力損失過多，最終致使錨索鎖定噸位與張拉顯示噸位出現(xiàn)較大的應力偏差。

通過綜合分析，并根據(jù)現(xiàn)場張拉過程及結果驗證，確定錨索張拉工藝是造成預應力偏差的主要原因，為此采取措施進行試驗改進。錨索張拉時，為減少夾片回縮量，利用退錨器進行張拉（見圖4），在達到設計壓力時進行穩(wěn)壓，然后利用專用工具對退錨器內(nèi)夾片進行施壓，使退錨器內(nèi)夾片進入錨具孔內(nèi)，并夾緊鋼絞線，以使千斤頂減壓時減少夾片回縮至孔內(nèi)的距離，從而減少錨索的預應力損失。此種方法雖笨拙原始，但能充分說明問題，證明錨索應力損失確實是夾片回縮距離太長所致。根據(jù)直線型錨索伸長計算公式

式中ΔL——錨索伸長值，mm；

P——預應力鋼絞線的平均張拉力，N；

L——預應力鋼絞線從張拉端至計算截面的孔道長度，mm；

A——預應力鋼絞線的截面積，mm2；

E——預應力鋼絞線的彈性模量，MPa。

每束鋼絞線回縮1～2mm，造成應力損失約15kN，以噸位為2000kN（10束鋼絞線）、深度45m的預應力錨索為例，整束錨索應力損失約150kN，充分說明錨索預應力損失的主要原因。

圖4　退錨器張拉

5 結 語

通過對錨索預應力偏差的原因分析，查明造成預應力損失的主要原因，采取針對性的措施能夠有效減少預應力偏差，但改進措施不太適用于現(xiàn)場施工，不能較廣范圍推廣應用，而且不利于提高工作效率。為此，建議改進預應力錨索單根張拉的千斤頂頂頭，采用液壓裝置，在錨索張拉時，通過鋼絞線的拉伸，夾片隨之移動出錨具孔；在錨索穩(wěn)壓結束時，通過液壓

裝置對錨索夾片施加壓力，迫使其進入錨具孔內(nèi)，回到預定的位置，并夾緊鋼絞線，以減少千斤頂卸壓后的夾片回縮量，進而從根本上解決錨索張拉過程中的預應力損失。

參考文獻

［1］劉玉堂，翟金明.常用預應力錨索的結構和特點［J］.預應力技術，2005（5）.

［2］DL/T 5083—2010水電水利工程預應力錨索張拉施工規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2010.

Analysis on the stretch-draw prestress deviation cause of pressure dispersed anchor cable

WANG Hongchao
（Zhejiang Huadong Engineering Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou 311100，China）

Abstract：There are various reasons and influence factors for anchor cable prestress loss.In the paper，the reasons and influence factors possiblly causing anchor cable strech-draw deviation are summarized through analyzing the strech-draw prestress deviation of pressure dispersed anchor cable.Effective improvement measures are adopted for reaching the purpose of reducing stress loss.

Key words：pressure dispersed anchor；stretch-draw；deviation causes；analysis

DOI：10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.03.015

中圖分類號：P642

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8241（2016）03-0061-05