王榮魯，孟麗娟，張 輝，劉致彬

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3.水利部水工程建設(shè)與安全重點實驗室，北京 100038；4.中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021）

預應力格網(wǎng)錨固技術(shù)-一種新的邊坡治理加固技術(shù)

王榮魯1，2，3，孟麗娟1，2，3，張 輝4，劉致彬1，2，3

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3.水利部水工程建設(shè)與安全重點實驗室，北京 100038；4.中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院，四川 成都 610021）

預應力格網(wǎng)錨固方法是用于邊坡加固工程中的一種新型、可靠的工法。該技術(shù)采用壓力分散型錨索，錨孔外伸絞線與上下左右相對應錨孔過來的絞線在中間部位對接張拉，省去了外錨墩，可重復張拉。它由無黏結(jié)鋼絞線縱、橫交叉布置成格網(wǎng)，節(jié)點處為錨索孔或張拉端，二者均呈梅花型布置。這種復合式邊坡錨固結(jié)構(gòu)，施工簡便，它克服了以往鋼筋混凝土框架梁錨固結(jié)構(gòu)的易裂縫、易變形和施工困難等缺點，充分利用高強、低松弛無黏結(jié)鋼絞線的強度，將輕質(zhì)、柔性的受拉格網(wǎng)和壓力分散型錨索結(jié)合成一個整體，能夠得到更有效、更安全的錨固效果。以上優(yōu)點將會使本項技術(shù)在邊坡穩(wěn)定治理中得到更為廣泛的應用。

邊坡穩(wěn)定治理；預應力格網(wǎng)；壓力分散型錨索

1 概述

隨著我國大規(guī)?；窘ㄔO(shè)的進行，公路、鐵路、水庫大壩等的建設(shè)以及運行管理中，邊坡穩(wěn)定治理工程占有相當大的比例。近年來，各類邊坡滑塌事故接連發(fā)生，因此，對邊坡治理工程的技術(shù)要求越來越高。所以，如何采用經(jīng)濟、安全的措施對這些邊坡進行加固，保證邊坡穩(wěn)定是一個極其重要的課題。

預應力錨索框格梁體系作為一種新型的邊坡加固結(jié)構(gòu)，近年來被廣泛的應用于破碎巖質(zhì)邊坡甚至土質(zhì)邊坡的加固工程中［1-2］。作為一種主動式的加固方法，預應力錨索框格梁體系通過錨索的預應力將滑動的坡體與穩(wěn)定的基巖連接為一體，增加了巖體各層面的抗滑力，同時又通過坡面上的框格梁將各個錨索有效地連成一個整體，形成一個由表及里的被覆式加固體系，從而達到防止邊坡整體失穩(wěn)的目的［3-4］。在邊坡預應力錨索框格梁加固結(jié)構(gòu)體系方面，近年來已開展了大量的研究工作，已有的研究主要集中在錨固機制研究以及錨索框格梁受力分析研究等幾方面［5～10］。但是，隨著工程應用的增多，邊坡治理失敗的工程也是有發(fā)生。其缺點也顯現(xiàn)出來：（1）錨索框格梁受力體系復雜，外錨墩易產(chǎn)生應力集中，設(shè)計大多依靠設(shè)計人員經(jīng)驗，缺乏理論和規(guī)范的指導，具有一定的盲目性；（2）當坡面變形較大時，混凝土受拉，容易產(chǎn)生裂縫，造成開裂，引起變形和破壞，影響其耐久性；（3）施工要求坡面比較平整，且一般不適合坡度大于45度以上的邊坡；（4）施工困難，工期較長，造價高。

針對容易出現(xiàn)裂縫、工期長和造價高等缺點，日本學者提出了預應力混凝土框架錨固施工法（PCFA），縮短了工期，其預制混凝土梁質(zhì)量較現(xiàn)澆混凝土梁質(zhì)量更容易控制和管理［11］。作者于2009年提出了預應力格網(wǎng)錨固方法，該方法以目前受力更為科學、合理的壓力分散型錨索為基礎(chǔ)，錨孔外伸鋼絞線則與上下左右相對應的錨索孔中伸過來的鋼絞線在中間部位對接張拉，這樣，在坡面上就形成了縱橫交叉的無黏結(jié)鋼絞線預應力格網(wǎng)錨固體系。本文將介紹該方法的概要、特點以及治理方案的優(yōu)越性。

2 預應力格網(wǎng)錨固方法

2.1 壓力分散型錨索 壓力分散型錨索，作為一種新型的巖土工程加固技術(shù)，已被廣泛運用于實際工程中［12-16］。預應力錨索的有效錨固段是錨索的關(guān)鍵受力部位，根據(jù)地質(zhì)條件選擇適宜的錨固方式是至關(guān)重要的。錨固方法中根據(jù)作用于錨索上荷載的傳遞方式不同可分為拉力型和壓力型，而壓力分散型又不同于一般壓力型，荷載不是集中在一處傳遞給水泥漿體，而是通過無黏結(jié)鋼絞線和分散在錨固段內(nèi)的幾個承載體，分散地傳遞給周圍水泥漿體，所以稱之為壓力分散型。將傳統(tǒng)錨固段所受的集中拉應力變?yōu)榉侄蔚膲簯?，大大改善了承載能力。上述技術(shù)在四川省銅頭拱壩壩肩加固、三峽右岸尾水出口邊坡錨固工程及新疆下坂地水庫邊坡治理工程中得到了應用［15-16］。

2.2 格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)布置 用于邊坡穩(wěn)定治理的預應力格網(wǎng)錨固工法，是以壓力分散型錨索為基礎(chǔ)，每孔錨索外伸的鋼絞線則與上下左右相鄰錨索過來的鋼絞線對接張拉。這樣在坡面上就形成了縱、橫交叉的無黏結(jié)鋼絞線錨固體系。從表面上看，格網(wǎng)的交叉節(jié)點處為壓力分散型錨索孔或張拉端，二者均呈梅花型布置，如圖1所示。根據(jù)邊坡穩(wěn)定所需要的錨固力，每個錨索孔內(nèi)的鋼絞線根數(shù)為4n（n為正整數(shù)1，2，3，…）。張拉端安裝有十字對稱的錨墊板，對稱施加預應力荷載。如果需要，可隨時增加或減少鋼墊板的方法來調(diào)整鋼絞線荷載的大小。

圖1 預應力格網(wǎng)布置

2.3 格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)的力學特性 整個預應力格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)可簡化為若干個錨固單元，見圖2。從圖2可知，兩組正交的倒U型無黏結(jié)鋼絞線，其根部錨固在深層、穩(wěn)定的巖層中。位于4孔錨索范圍內(nèi)的巖柱體則被4束鋼絞線牢牢地錨固在深層穩(wěn)定的巖層內(nèi)。不難看出，預應力格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)僅在錨固段、錨索出口轉(zhuǎn)角處、外露鋼絞線通過預制混凝土承壓板以及張拉端錨墊板處傳遞錨索張拉荷載給邊坡巖體。四束豎向錨索彎轉(zhuǎn)90°后，在地面穹頂部位對接水平方向進行張拉，既改變了錨索的受力方向，又大大增加了錨索與巖土體的接觸面積，從而使四孔錨索范圍內(nèi)的巖體受到約束。預應力格網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學特性與無黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)類似，在使用荷載條件下，可采用彈性方法設(shè)計；在極限狀態(tài)下，可按無黏結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)分析設(shè)計，從結(jié)構(gòu)受力效果看，錨索拉力平衡滑動力有著直接而明顯的作用；從巖體位移效應看，施加預應力后就會限制邊坡的變形，其效果是其它結(jié)構(gòu)難以代替的。

應該指出，通常巖質(zhì)邊坡治理的預應力格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)是用許多根錨索錨固的，只要錨索損壞的不多，又是隨機的，它們對邊坡穩(wěn)定的影響會很小。然而，在某個特殊的區(qū)域（如斷層區(qū)或軟弱夾層區(qū)），有幾根錨索失效，其后果會很嚴重。為此，在現(xiàn)場可以用一根錨索釋放荷載來模擬錨索失效，同時測量相鄰錨索因此引起的荷載增量，從而對預應力格網(wǎng)中的初始應力進行限制。

2.4 格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)的施工 預應力格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)的施工，同預應力錨索框架梁結(jié)構(gòu)的施工相比較，除了錨索的施工，如鉆孔、清空、編索穿索、注漿等工序相同外，前者省掉外錨墩，在坡面另設(shè)張拉端，采用單根對稱張拉工藝，這樣所需要張拉設(shè)備體積小，重量輕，在高陡邊坡上搬運、挪動容易，操作方便。更重要的是，由于省掉了現(xiàn)場澆筑鋼筋混凝土外錨墩及框架梁的施工，因而可大大縮短工期。

圖2 預應力格網(wǎng)的錨固單元

預應力格網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工采用先上后下的施工方法，施工安全有保證。其施工步驟如下：按設(shè)計要求整理坡面——放樣——在縱、橫交叉點上布置梅花型錨索孔或張拉端——鉆孔及安裝錨墊板——錨索入孔并注漿——由錨孔出來的絞線鋪放在上下左右方向（距底面10 cm，以預制混凝土板墊起）并穿入張拉端的錨具內(nèi)——預緊張拉——循環(huán)對稱張拉達設(shè)計噸位——補償張拉，根據(jù)邊坡穩(wěn)定預警系統(tǒng)的信息，隨時調(diào)整鋼絞線荷載的大小——最后，外露鋼絞線用聚合物砂漿或混凝土覆蓋，其目的主要是鋼絞線的防腐蝕和耐久性保護。

應該指出，錨索施工中鉆孔是影響工程費用和施工期的主要因素，尤其是輔助工作時間的不可控制因素較多，如腳手架、移機、鉆機定位以及拆卸鉆桿等，因其工地條件（包括工人）差異很大，所以鉆孔過程中輔助工作時間的多少是不可忽視的主要因素。一般邊坡巖體比較破碎，考慮到水對泥化巖體的不利影響，鉆孔宜選用潛孔錘空氣正循環(huán)雙管鉆進工藝，對鉆進過程中的裂隙、破碎巖體，若無塌孔，在成孔后應進行預注漿處理；若塌孔、卡鉆現(xiàn)象嚴重，則應采用跟管鉆進工藝。鉆孔直徑選擇要求大于錨孔直徑10mm，鉆孔深度應穿過滑動面后的深度大于錨固段長度1m左右。考慮到巖屑積淤孔底，孔深還應大于設(shè)計要求孔深0.5m。

2.5 格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)的特點 由無黏結(jié)鋼絞線組成的預應力格網(wǎng)與壓力分散型錨索結(jié)合為一整體、輕質(zhì)、柔性、受拉的弦索結(jié)構(gòu)，從而使邊坡穩(wěn)定治理得到更有效、更安全的錨固效果。本方法主要適用于天然邊坡和人工開挖的巖質(zhì)邊坡加固，與以往鋼筋混凝土格構(gòu)框架梁施工法相比，具有以下特點：（1）整體——預應力格網(wǎng)與壓力分散型錨索構(gòu)成一整體。（2）輕質(zhì)——最低的額外自重荷載。（3）柔性——適應各種坡面地形地質(zhì)條件，即使很陡的坡度也可以施工。（4）受拉——充分發(fā)揮高強、低松弛鋼絞線的強度。無黏結(jié)鋼絞線的優(yōu)點是，任何局部的荷載都將均勻地分布在整個長度上，因而產(chǎn)生較小增量荷載，允許較大變形。（5）絞線斷面小——整體厚度薄，容易保護；雙層防護，耐久性好。（6）張拉端——設(shè)在4孔錨索的中間部位，省去外錨墩，可重復張拉。（7）施工簡便——省時省力省費用；預應力技術(shù)成熟，質(zhì)量有保證。（8）受力更合理，預應力格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的框架梁錨固法的工作原理存在差異，兩者在地基中的力學體系也是完全不同的?？蚣芰簩偈軓澖Y(jié)構(gòu)，要使其發(fā)揮全部承載能力則需要有較大的變形，因而裂縫是不可避免的。高強鋼絞線與普通鋼筋混凝土梁串聯(lián)，材料強度不匹配，必然造成材料浪費。（9）預應力格網(wǎng)與壓力分散型錨索結(jié)合為一整體能得到更有效、更安全的錨固效果。壓力分散型錨索與無黏結(jié)鋼絞線預應力格網(wǎng)結(jié)合，省去了外錨墩，在中間部位設(shè)張拉端，可進行重復張拉。

當然，其缺點是不適用于土質(zhì)邊坡的治理，因為其斷面小，土容易從格網(wǎng)中間流失。

文中提出的設(shè)計目前還存在以下幾個問題：（1）由于鋼絞線高強低松弛，其彈性模量較大，導致其可以彎成的有效的傳力弧度有限，因此在邊坡出口處，出口轉(zhuǎn)角鋼墊板的設(shè)計、制造以及安裝是一個需要重點解決的問題，如果設(shè)計不合理，則有可能在4個方向的拉力作用下，轉(zhuǎn)角鋼墊板發(fā)生拉裂破壞，導致錨索支護失效；（2）鋼絞線可彎成的有效傳力弧度較小，因此，在張拉過程中，錨索內(nèi)錨固段有效的預應力還能保證多少，需要設(shè)計中考慮；（3）在錨索出口段，由于錨索直角受彎，在此部位的鋼絞線受力復雜，極易發(fā)生應力腐蝕。因此，需要采用較大的混凝土墩進行防護，進行防護的混凝土墩體積不能忽視。另外，對伏地鋼絞線的腐蝕防護也需加強考慮；（4）在進行錨索張拉時，相當于一束錨索要分4個不同的部位張拉，需要采用特殊的措施來保證一束錨索上的各根鋼絞線受力均勻，這是在預應力錨索張拉中需要重點考慮的問題。

3 格網(wǎng)結(jié)構(gòu)應用的技術(shù)要點

3.1 錨索出口轉(zhuǎn)角鋼墊板曲線設(shè)計 預應力錨索的外伸鋼絞線在出口處，必須通過轉(zhuǎn)角鋼墊板轉(zhuǎn)換方向，從而形成鋼絞線曲線段。在轉(zhuǎn)角墊板與鋼絞線接觸區(qū)域，由于摩擦和橫向力擠壓作用，如果轉(zhuǎn)角墊板曲線設(shè)計不合理或構(gòu)造措施不當，預應力鋼絞線容易局部硬化和摩擦損失過大。

FIP標準鋼絞線轉(zhuǎn)折抗拉試驗結(jié)果［17］：如果鋼絞線的曲率半徑Rtend滿足： Rtend＞αφn·N/n，則其抗拉強度的降低值＜5%。其中:α為系數(shù)，對于光滑孔道α=20，波紋管孔道α=40；φn為鋼絞線公稱直徑（mm）；N為同一束錨索鋼絞線總根數(shù)；n為傳遞徑向分力的鋼絞線根數(shù)。

轉(zhuǎn)角鋼墊板的另一個作用是將預應力荷載在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生的集中荷載安全地傳遞給邊坡巖體，所以曲線鋼墊板與巖體之間需用水泥砂漿或混凝土黏結(jié)。

3.2 預制混凝土承壓板 預應力格網(wǎng)與邊坡表面穹頂巖體接觸部分需用預制混凝土墊板傳遞荷載，要求同方向絞線需在同一水平位置外，外露絞線需呈光滑的凸曲線，或相對平順的扁球狀，這樣既有利于荷載傳遞，又便于施工操作。按其外形承壓板分為正方形和長方形兩種，外形尺寸主要根據(jù)邊坡巖土層的承載力及人力較易搬運為準。同時還要考慮安全、經(jīng)濟以及景觀要求。

3.3 十字張拉錨墊板設(shè)計及張拉 在相鄰四孔錨索中間位置設(shè)置張拉錨墊板，其特點是上下左右兩個方向正交對稱張拉施加荷載，且采用單根對稱張拉工藝（即在一個方向與對面孔的鋼絞線對稱張拉）。這樣張拉設(shè)備體積小，重量輕，容易操作。根據(jù)預應力大小的變化和巖體位移情況，可隨時調(diào)整錨索荷載。在使用期間采用增加或減少鋼墊塊的方法調(diào)整荷載大小，可避免夾片對絞線刻痕的影響。

3.4 結(jié)構(gòu)的耐久性 20世紀末無黏結(jié)預應力和斜拉橋施工兩項技術(shù)為預應力格網(wǎng)錨固技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。這兩項技術(shù)的產(chǎn)生和應用，外露鋼絞線在耐久性方面積累了豐富的經(jīng)驗。首先，鋼絞線用防腐油脂充滿；然后用高密聚乙烯管（HDPE）包裹，已成為成熟商品供應市場；最后，在伏地鋼絞線施工時，宜先清理巖質(zhì)邊坡松散物質(zhì)，用聚合物水泥砂漿（混凝土）將其全部包裹，預應力鋼絞線具有3層防護（油脂、HDPE和水泥砂漿），因此，其防腐蝕性和耐久性是可靠的。

4 綜合治理措施

預應力錨固技術(shù)以其獨特的效應、施工簡便、結(jié)構(gòu)型式質(zhì)輕、靈活和多樣性的特點，廣泛應用于邊坡穩(wěn)定工程。首先，預應力錨索可根據(jù)設(shè)計要求提供足夠的主動抗滑力，阻止坡體的滑動；其次是高陡邊坡往往存在深層滑動問題，當然，預應力格網(wǎng)既有加固淺層巖土體，又有加固深層巖體的作用。此外，一般在坡腳還常采用預應力錨索抗滑樁抵抗坡體的滑動。第三，預應力格網(wǎng)中間暴露的巖土體層，根據(jù)工程具體情況，可采用鋼絲網(wǎng)噴混凝土封閉坡面，以防邊坡淺層土體滑落及雨水的沖刷、滲透，或者在格網(wǎng)內(nèi)鋪砌六方空心磚，磚內(nèi)培填熟土種植四季常綠的優(yōu)質(zhì)草木植物，實現(xiàn)綠色生態(tài)防護措施；第四，綜合治理方案中常常包含排水系統(tǒng)，因此在邊坡加固設(shè)計時，必須查明地表水的補給和地下水的變化情況，一般工程中多采用坡頂截水、坡面泄水和坡腳排水的綜合治水方法，效果良好。

5 結(jié)語

由于預應力錨索，特別是壓力分散型錨索具有其獨特的優(yōu)點，在邊坡治理工程中的應用前景十分廣闊。但僅靠錨索很難起到支擋滑坡體的良好作用。通常與其它結(jié)構(gòu)物相結(jié)合，構(gòu)成完整的預應力錨索抗滑結(jié)構(gòu)，如預應力錨索壓力板或壓力梁、預應力錨索框架梁、預應力錨索擋墻、預應力錨索抗滑樁等等，這些結(jié)構(gòu)形式可結(jié)合具體工程情況選用。關(guān)鍵問題在于設(shè)計者根據(jù)邊坡治理這一對象，圍繞設(shè)計的各主要環(huán)節(jié)，建立整體觀念，才能制定出安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的治理方案。預應力格網(wǎng)錨固方法，是一種新型復合式錨固結(jié)構(gòu)，它充分利用高強、低松弛無粘結(jié)鋼絞線的強度，主動地限制或減小高陡邊坡的變形。應該指出的是，應建立動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對預應力錨索的應力、應變及被加固邊坡的動態(tài)特征進行監(jiān)測，分析格網(wǎng)錨固結(jié)構(gòu)與滑坡的動態(tài)關(guān)系，評價結(jié)構(gòu)的錨固效果，以便為設(shè)計提供反饋信息，決策是否需要調(diào)整錨索荷載或采用其他加固措施。可以預料，該方法將在公路和鐵路沿線、隧洞（道）的進出口、水庫大壩的兩岸等被廣泛應用。

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Prestressed grid anchorage technology for slope and landslide treatment

WANG Ronglu1，2，3，MENG Lijuan1，2，3，ZHANG Hui4，LIU Zhibin1，2，3
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，Beijing 100038，China；3.Key Laboratory of Water Project Construction and Safety，Ministry of Water Resource，Beijing 100038，China；4.Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd，Chengdu 610021，China）

Prestressed grid anchorage is a new and reliable engineering technology applied in slope and landslide treatment.This technology utilizes pressure-dispersion tensile reinforcing bars，of which the wires extending from anchor holes are butted with the relative wires from all direction in the middle position and then tensioned together.Under this situation，outside anchor piers are not needed，and it can be tensioned repeatedly.Both of grid and node showed a plum-type layout.This composite slope anchorage structure is simple for construction，which overcomes such disadvantages of cast reinforced concrete frame beams as easy cracking， easy deformation and difficult construction， and ensure that anchoring effect can be achieved.Those advantages can get this technology to be applied in more slope treatment projects.

slope treatment；prestressed grid；pressure-dispersion type cable

TU43

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.03.008

1672-3031（2016）03-0205-05

（責任編輯：祁 偉）

2015-10-21

王榮魯（1979-），男，山東臨沂人，高級工程師，主要從事滑坡預報、治理及水工建筑物檢測評估工作。E-mail：wangrl@iwhr.com