水利水电工程施工过程中使用预应力锚索技术
摘要：在本文章中，笔者重点通过对多个实际工程中预应力锚索应用一般和特殊情况的研究，能够总结出水利工程中通常采用的施工方法和值得施工人员注意的问题，提出一些建设性的意见，可以为今后其他预应力锚索施工作业提供参考。
关键词：预应力锚索；水利水电工程；边坡加固；施工方法
Abstract: in this article, the author focus on to many in practical engineering application of prestressed anchor of the general and special case of research, sums up the water conservancy project can often used construction method and worth attention of construction personnel, and puts forward some constructive Suggestions, can for the future of prestressed anchor other construction work to provide the reference.
Keywords: prestressed anchor cable; Water conservancy and hydropower projects; Slope reinforcement; Construction method
伴随着我国基础工程建设项目的迅猛发展，预应力锚索加固技术已广泛应用于建筑结构物的加固、边坡治理、大型地下洞室及深基坑支护等工程。尤其在水利水电工程建设中。比如坝体附近岩体产生节理切割和倒坡，稳定性下降，需做加固处理。通过锚索对岩层施加预应力后，预应力锚索可将若干岩层穿联在一起，增加岩层整体性。比如使用预应力锚索支护加固大坝坝基，其优点是：可在不放空水库情况下施工，并随时进行加固处理，而且不必增加坝体重量也能确保坝体稳定，同时对抗震稳定也有利。
一、预应力计算
锚索支护在20世纪初期矿山工程中它就有应用。预应力锚索第一次应用于实际工程是在1934年阿尔及利亚的舍尔法大坝加高工程中。目前最大的锚固吨位达到13000kN，应用在法国的朱克斯大坝中。到现在为止，在工程界关于锚索预应力的准确计算尚无定论。作为加固岩体边坡常用方法，目前常用计算方法是基于可能出现的岩体失稳形式，采用刚体极限平衡法对加固前的岩体分析，再计算保持稳定所需的预锚力，参照公式（1）如下：
Q1+Q2.tanφ＝KT（1）
其中Q1、Q2－分别是预应力锚索提供的切向抗滑力和法向正压力；
φ－滑动面的内摩擦角；
K－安全系数；
T－加固前岩体的下滑力。
二、锚索设计
1．计算预应力锚索设计材料利用强度
国内外岩土工程锚索设计强度一般考虑材料强度有一定的安全储备而采用材料保证强度的60%左右。例如三峡永久船闸工程采用的3000kN锚索，设计强度利用系数为0.556，超张拉系数为0.606。
2．确定钢绞线下料长度和锚索锚固端长度
锚索是由锚具、钢绞线、隔离架等组成。钢绞线的使用要符合《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224－2003规定。设计长度相同的锚索其钢绞线下料长度应该相同，钢绞线下料长度可由（2）式计算：
L=Lm+Lz+Ld+L1+Lmj（2）
其中，L－钢绞线下料长度；
Lm－锚固端长度；
Lz－自由端长度；
Ld－锚敦长度；
Ll－张拉端长度；
Lmj－锚具长度。
编索前先对钢绞线进行外观检查，检查合格后的钢绞线才能使用。若局部锈蚀，应作除锈处理，若锈蚀严重则应剔除。钢绞线用砂轮切割，下料长度须预留张拉所需长度。确定内锚固段长度时，主要考虑内锚固段能否满足锚索不从胶结材料中拔出及锚索胶结体不沿孔壁产生位移，同时考虑一定的安全储备。假定锚固段的锚索为等直径，锚索体不从胶结材料中拔出，则按（3）式计算锚固长度Le：
胶结体与锚索体一起沿孔壁滑移时按照（4）式计算：
其中：eL－锚固端长度；
k－锚固段长度的安全系数；
P－锚固超张拉力；
d、D分别为锚固材料和钻孔直径；
n－钢绞线根数；
1c－钢绞线与胶结材料的握裹力；
2c－胶结材料同孔壁的粘结强度。
根据经验，对于坚硬的岩体，内锚固段适合采用等直径截面。若将锚索的内锚固段制成连续的纺锤体状，当对锚索施加拉力时，钢绞线力求调直，除核心段外，其余段浆体受挤压，挤压力向内夹紧锚索，向外传至孔壁形成正压力，提供内锚固段的摩擦阻力，这样也达到了提高承载力的目的。
三、施工工序
锚索施工必须严格按规定的工序进行，每道工序完成后须经质检及监理人员验收合格后方可进行下道工序，施工工艺流程图如图1所示。
图1预应力锚索施工工艺流程
1．定位与造孔
根据实际的地质勘查情况，在需要锚索加固的地方定位打孔位置，锚孔的编号按照设计锚索布置图中锚索编号，在放样地点用醒目颜色标注孔号，放样误差为±10cm。工程上一般利用回旋冲击钻进行造孔。钻孔垂直钻进，要对孔斜误差严格控制。为了确保造孔精度，钻孔过程可以采用分段测孔斜，及时纠正偏差。在钻孔过程中有时候会遇到掉块或者塌孔失水的情况，如某工程围堰预应力锚索施工，由于施工地点下游有水，出现了严重塌孔现象，施工人员采用的措施是控制段长，采取固结灌浆处理方式，注入掺加了3%早强剂的灰浆，待凝24h
后扫孔续钻。最后基本保证了施工质量。
2．编束
先对钢绞线进行挤压锚头处理，处理后的钢绞线根据设计结构编制成束，锚固段采用隔离架集束，隔离架间距1.0~1.5m。岩锚内锚固段进浆管按照设计编入索体，外与张拉端平齐，整条锚束用铅丝每隔1~2m捆扎，为了保证钢绞线与锚固材料更好结合，锚根段比自由张拉段捆扎密一些。锚索编制完成并验收合格后进行编号。为防止沾染泥沙和灰尘，需要进行临时性防护，严禁锚束与地面直接接触。为了检测岩锚施工质量及锚固最终效果，有时需要在部分锚索上安装锚索测力计。测力计的安装是在锚索施工前期工作中进行的。
3．锚索安装
为了保证施工质量，穿索过程一般人工完成。下索前，应对洗净的锚孔进行复探工作，用高压风清孔一次，以保证锚索孔的畅通，并尽量避免锚索体与孔壁摩擦，以防损坏钢绞线。内锚段注浆是端头锚施工的关键工序。内锚头又称锚固段或锚根，是锚索锚固在岩体内提供预应力的根基，采用添加了早强剂的水泥浓浆灌注。灌浆结束标准主要以灌浆量大于理论吃浆量，回浆比重大于进浆比重且孔内不再吃浆为判别依据。
4．张拉
张拉分为单索预紧张拉、张拉、超张拉。预紧张拉的目的是是钢绞线受力均匀。锚墩及砂浆达到70%强度后，可进行预紧张拉。张拉前先进行试验锚索的张拉。预紧结束时，量测干斤顶初始伸长值，之后分级张拉，逐级增加至超张拉荷载，张拉至每一级别时经稳压后持荷5~10min，张拉吨位控制以千斤顶对应的油压表表压读数为主，伸长值为辅。张拉至设计工作荷载后，在此基础上继续施加荷载至超张拉荷载值，持荷5~10min。在张拉锁定后的48h内或锚索应力损失基本稳定后，若锚索锁定的张拉力小于规定的设计值的10%，应根据要求对锚索进行补偿张拉，以满足设计永久赋存力的要求。
5．锚索防护
锚索张拉结束后要对自由张拉段封孔灌浆。之前为张拉锚索需要而在工作锚板外预留的钢绞线，在锚索锚固张拉结束后应当切割去多余部分，切割后的钢绞线露出锚板10~20cm。对外锚具以及钢绞线端头用混凝土浇筑以达到封闭保护的作用，混凝土保护层的厚度不小于10cm。
6．锚索预应力损失的讨论分析
预应力产生损失的主要原因有：Ⅰ.锁定损失；Ⅱ.锚索松弛和外锚具位移产生损失；Ⅲ.表层岩体产生变形造成的损失。根据对多个工程实际观测数据的分析，作出预锚力随时间变化的关系曲线示意图（图2），从图中可以看到预应力损失明显的三个阶段：Ⅰ.预应力急剧损失阶段；Ⅱ.预应力波动变化阶段；Ⅲ.预应力缓慢损失（趋于稳定）阶段。
图2典型锚索预锚力变化历时曲线
四、结语
锚索的预应力计算虽然缺乏严密的理论基础，但预应力锚索已经在水电工程中被广泛应用，文章中很多数据就是借鉴成功或失败的工程经验；预应力锚索细致的施工工序也是无数实际工程的总结，形成了基本固定的模式。
参考文献
[1]电力行业水电施工标委会．中华人民共和国电力行业标准水电水利工程预应力锚索施工规范，DL/T5083-2004
[S]．北京：中国电力出版社，2004．
[2]徐湘涛，严丽娟，汪家林．紫坪铺水利枢纽引水发电洞进水口边坡锚索预应力损失分析[J]．地质灾害与环境保护，2005，16，（2）：207-211．
[3]涂传军．预应力锚索在三峡永久船闸工程中的应用[J]．东北水利水电，2007，（4）：14-15．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
