廖 勇

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，陜西西安710032)

1 工程概述

丹江口水庫(kù)大壩加高工程是南水北調(diào)中線水源工程的渠首大壩改造工程。丹江口水庫(kù)位于湖北省丹江口市，其水利樞紐由兩岸土石壩、混凝土壩、升船機(jī)、電站廠房等建筑物組成，工程建成于1973年。大壩加高后，壩頂高程由162 m抬高至176.6 m，正常蓄水位由157 m抬高至170 m。在大壩加高施工過(guò)程中，檢查發(fā)現(xiàn)溢流壩段閘墩中部存在多條水平層間縫，這些水平層間縫削弱了閘墩剛度和整體性，對(duì)閘墩加高后的結(jié)構(gòu)受力性能有影響;另一方面在部分閘孔泄洪時(shí)，一側(cè)泄洪、另一側(cè)閘孔關(guān)閉，這種工況下閘墩非對(duì)稱受力，計(jì)算分析反映在閘墩上游端部分區(qū)域存在拉力區(qū)，使原先已存在的層間縫局部有張開(kāi)趨勢(shì)，在閘孔泄洪振動(dòng)荷載作用下將影響閘墩的耐久性。為此，考慮加高后工程的安全，對(duì)閘墩進(jìn)行預(yù)壓應(yīng)力加固處理措施，提高閘墩的整體性和耐久性。

2 預(yù)應(yīng)力加固方案

在14～24號(hào)壩段閘墩上增加預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿，每個(gè)閘墩采用5束200 t(2000 kN)級(jí)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)，內(nèi)錨段深入老混凝土4～12 m，加固方式為:“閘墩上游側(cè)3根有粘結(jié)錨桿+閘墩尾部2根無(wú)粘結(jié)錨索”，共20個(gè)閘墩，布置100個(gè)錨固孔，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨桿采用應(yīng)力分散型、自鎖式內(nèi)錨頭的形式。錨固孔位布置如圖1、圖2所示，預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 施工技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策

3．1 鉆孔

3．1．1 難點(diǎn)

圖1 錨固孔位布置平面圖

圖2 錨固孔位布置剖面圖

由于預(yù)應(yīng)力錨固是閘墩加高完成后增設(shè)的，混凝土澆筑過(guò)程中沒(méi)有埋管預(yù)留孔，需在閘墩頂向下鉆42～50 m深孔，孔徑171 mm。閘墩內(nèi)埋設(shè)有觀測(cè)儀器、電纜，泄流面下還有廊道，鉆孔孔斜偏差要求高，需控制在3‰以內(nèi)，每一個(gè)孔均要達(dá)到倒垂孔的鉆孔要求，高精度鉆孔是項(xiàng)目施工的難點(diǎn)之一。

3．1．2 控制鉆孔精度措施

(1)采用XY－2、XY－2B型或相同性能的地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，鉆機(jī)功率大、穩(wěn)定性好;

(2)提高鉆探管材絲扣加工精度，保證管材同心連接;

(4)孔深達(dá)到一定深度后，加長(zhǎng)粗徑鉆具，配鉆鋌孔底加壓鉆進(jìn);

(5)采用高精度的測(cè)斜儀，每2 m測(cè)孔一次，發(fā)現(xiàn)偏斜，即時(shí)采取糾斜措施。

3．1．3 糾斜措施

圖3 預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)圖

在鉆孔過(guò)程中，不可避免要發(fā)生孔斜，超出了控制標(biāo)準(zhǔn)，就要采取糾斜措施。就大口徑高精度鉆孔而言，有以下幾種糾斜措施。

(1)平移鉆機(jī)糾斜:利用粗徑鉆具(巖心管)與孔壁的環(huán)狀間隙，向孔斜的方向平移鉆機(jī)，使粗徑鉆具上部緊貼一側(cè)孔壁鉆進(jìn)，孔深在10 m以內(nèi)采用這種方式糾斜效果較好。

(2)變徑糾斜:在孔底偏斜的方向下一個(gè)楔型體，控制孔底變徑開(kāi)孔位置，使變徑鉆孔與孔口的同心度滿足偏斜要求。如變徑后的孔徑不能滿足要求，可采用在原鉆具上安裝下導(dǎo)向裝置對(duì)變徑孔段進(jìn)行擴(kuò)孔，達(dá)到孔徑不變糾斜的目的。

(3)內(nèi)導(dǎo)向糾斜:在偏斜的鉆孔內(nèi)埋設(shè)比鉆頭內(nèi)徑小的內(nèi)導(dǎo)向管，鉆具順內(nèi)導(dǎo)向管向下鉆進(jìn)，達(dá)到糾斜的效果。

(4)孔口移位糾斜:鉆孔偏斜后，分析各孔段偏斜情況和孔位允許偏差范圍，可考慮利用鉆孔的下部孔段，在孔口處進(jìn)行移位修正鉆進(jìn)與其對(duì)接，達(dá)到孔斜偏差要求。

該項(xiàng)目共完成鉆孔100個(gè)，其中錨桿孔60個(gè)，錨索40個(gè)，通過(guò)采取以上糾斜措施，鉆孔孔斜控制在1.3‰～2.8‰范圍內(nèi)，全部符合設(shè)計(jì)要求。

3．2 擴(kuò)孔器具研制

內(nèi)錨段擴(kuò)孔位置距孔底分別為0.5、3.5、6.5 m，擴(kuò)孔孔形為倒錐面(見(jiàn)圖4)，錐底直徑285 mm。目前國(guó)內(nèi)無(wú)配套的成品擴(kuò)孔器具滿足施工要求，擴(kuò)孔器具的開(kāi)發(fā)研制是項(xiàng)目施工的難點(diǎn)之二。

采用機(jī)械連桿傳動(dòng)原理，通過(guò)鉆桿垂直向下壓力打開(kāi)擴(kuò)孔器刀片切削混凝土，提升鉆桿刀片自動(dòng)退回。擴(kuò)孔器刀片最大張開(kāi)角度為26.56°，最大擴(kuò)孔直徑285 mm。經(jīng)過(guò)多次刀片磨損及擴(kuò)孔工效對(duì)比，最終確定刀片角點(diǎn)采用圓形金剛石復(fù)合片、直線段采用長(zhǎng)方形金剛石復(fù)合片組合的鑲嵌方式。擴(kuò)孔器具(見(jiàn)圖5、圖6)滿足施工需要，性能可靠，結(jié)構(gòu)合理，已申報(bào)發(fā)明專利(受理號(hào)201410689163.5)。

圖4 擴(kuò)孔示意圖

圖5 擴(kuò)孔器具

圖6 擴(kuò)孔器具結(jié)構(gòu)圖

3．3 自鎖式內(nèi)錨頭研制

為了充分利用混凝土的強(qiáng)度，使其應(yīng)力沿內(nèi)錨固段分布均勻，預(yù)應(yīng)力錨桿采用應(yīng)力分散型、自鎖式內(nèi)錨頭，錨固力通過(guò)自鎖式內(nèi)錨頭以壓力的形式分散作用于不同深度的混凝土上，實(shí)現(xiàn)較高錨固力。目前囯內(nèi)沒(méi)有這種自鎖式內(nèi)錨頭，研制工作是項(xiàng)目施工的難點(diǎn)之三。

采用重力偏心自動(dòng)張開(kāi)楔塊原理，經(jīng)過(guò)多次工藝試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，自鎖內(nèi)錨頭(見(jiàn)圖7)由楔塊和支座組成，材料為Q235B，楔塊分成6瓣，組裝合攏后的圓筒外徑155 mm，楔塊張開(kāi)后的張開(kāi)角為26.56°，楔塊長(zhǎng)161 mm。葉瓣楔塊伸縮靈活，自動(dòng)打開(kāi)后與底座完全閉合，并能與擴(kuò)孔段形狀準(zhǔn)確楔合，承載受力結(jié)構(gòu)合理。該裝置獲實(shí)用新型專利(專利號(hào)為ZL201420534644.4)。

圖7 自鎖式內(nèi)錨頭

4 施工工藝

4．1 工藝流程

4．2 錨桿制作、安裝

每根錨桿由3組6根鋼筋組成，2根對(duì)角為一組，每組與對(duì)應(yīng)的自鎖內(nèi)錨頭楔塊座用螺母連接，未用螺母連接的鋼筋與楔塊座之間可相對(duì)滑動(dòng)，鋼筋采用分組錯(cuò)位連接器連接，鋼筋之間設(shè)隔離支架，錨桿中心布置一根可抽動(dòng)的外徑25 mm PE塑料灌漿管。組裝完成的自鎖式內(nèi)錨頭如圖8所示。

錨桿安裝方式:孔外整體組裝，一次起吊入孔后，用手動(dòng)葫蘆分組提升錨桿，使其對(duì)應(yīng)的自鎖內(nèi)錨頭到擴(kuò)孔位置張開(kāi)鎖緊。

4．3 錨桿灌漿

內(nèi)錨固段灌漿采用高強(qiáng)無(wú)機(jī)灌漿料，該材料的優(yōu)點(diǎn)是:早期強(qiáng)度高，等強(qiáng)時(shí)間短，節(jié)省工期;現(xiàn)場(chǎng)只需加水拌制，施工效率高，質(zhì)量可控性好。張拉段灌漿采用P．O 42．5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.35～0.4。高強(qiáng)無(wú)機(jī)灌漿料檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖8 組裝完成的自鎖式內(nèi)錨頭

表1 高強(qiáng)無(wú)機(jī)灌漿料性能表

內(nèi)錨固段灌漿:下一組錨固單元灌漿、張拉完成后，再進(jìn)行上一組灌漿、張拉作業(yè)。每組錨固單元的灌漿量控制在其自鎖內(nèi)錨頭上方2 m處，為了準(zhǔn)確的把控灌漿范圍，采用理論定量容器人工灌注。每次灌注結(jié)束后，上拔注漿管距漿液面0.5～1 m，等待下次注漿再用。

張拉段灌漿:最上一組錨固單元張拉完成后，即可進(jìn)行張拉段灌漿。采用純水泥漿灌注，注漿過(guò)程中，孔內(nèi)漿液面上升速度按不大于2 m/min控制。當(dāng)壓力達(dá)到0.2～0.3 MPa，吸漿率＜0.4 L/min時(shí)，再屏漿30 min結(jié)束。

4．4 錨桿張拉

錨桿采用YCW250型液壓穿心千斤頂分組張拉。待內(nèi)錨段灌漿料抗壓強(qiáng)度達(dá)到35 MPa后，即可進(jìn)行與之相對(duì)應(yīng)的錨固單元張拉。張拉過(guò)程遵循單根預(yù)緊、分組張拉、分級(jí)加載、伸長(zhǎng)值校核的原則。

錨桿張拉時(shí)，先對(duì)單根鋼筋進(jìn)行30 kN張拉力預(yù)緊。每組兩根鋼筋一起張拉時(shí)按以下拉力分級(jí)進(jìn)行:單根預(yù)緊(30 kN)→333.33 kN→500 kN→666.66 kN→733.33 kN(超張拉鎖定)。

張拉過(guò)程中，升荷速率每分鐘不超過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)力的1/10，當(dāng)達(dá)到每一級(jí)控制力后穩(wěn)壓5 min即可進(jìn)行下一級(jí)張拉，最后一級(jí)張拉(超張拉)，穩(wěn)壓10 min鎖定。張拉時(shí)每一級(jí)荷載鋼筋伸長(zhǎng)值和穩(wěn)壓時(shí)的變形量，與理論伸長(zhǎng)值進(jìn)行對(duì)比校核，如果實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值大于理論值的10%或小于5%，要查明原因并作相應(yīng)處理。該項(xiàng)目預(yù)應(yīng)力錨桿共張拉180組，實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值與理論值對(duì)比偏差在+8.5%～－3.2%范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

4．5 外錨頭保護(hù)

張拉段灌漿完成后，在工作錨具外留60 mm鋼筋，多余外露鋼筋采用砂輪切割機(jī)截去，錨頭作永久防銹處理，將一、二期混凝土結(jié)合面鑿毛，涂刷一道環(huán)氧基液后，澆筑二期混凝土封閉外錨頭。

5 錨固效果觀測(cè)

完成預(yù)應(yīng)力錨桿60根，在3根錨桿上安裝了測(cè)力計(jì)，2200 kN超張拉鎖定后，通過(guò)2個(gè)月應(yīng)力計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，3根錨桿最終測(cè)值分別為2097.9、2099.0、2123.6 kN，已趨于平穩(wěn)，初期應(yīng)力損失3.47% ～4.64%，錨固效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

應(yīng)力分散型、自鎖式內(nèi)錨頭預(yù)應(yīng)力錨桿，在一個(gè)鉆孔中安裝若干個(gè)錨固單元，每個(gè)單元都有自己的桿體和內(nèi)錨頭，張拉時(shí)分別承受相同的工作荷載。錨桿總的錨固力主要通過(guò)在擴(kuò)孔段設(shè)置的自鎖式內(nèi)錨頭，以壓力的形式，分散直接作用于不同深度的承載體上，改善內(nèi)錨固段應(yīng)力集中的不良狀態(tài)，改變了普通錨桿預(yù)應(yīng)力通過(guò)內(nèi)錨固體與孔壁的粘結(jié)力傳遞到承載體上方式，錨固力不會(huì)因粘結(jié)力衰減而損失，起到長(zhǎng)期錨固的作用。該技術(shù)充分利用結(jié)構(gòu)物或地層強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)較高錨固力，為類似建筑物加固、邊坡支護(hù)等工程提供借鑒，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 劉寧，高大水，戴潤(rùn)泉，等．巖土預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)應(yīng)用及研究［M］．湖北武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2001．

［2］ 中國(guó)巖土錨固技術(shù)編寫組．巖土錨固新技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，1998．

［3］ 何世鳴．應(yīng)力分散型預(yù)應(yīng)力抗拔樁系列技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，(2):74 －78．

［4］ 王全成，楊棟，嚴(yán)君鳳．預(yù)應(yīng)力錨索錨固段鋼絞線應(yīng)力分布研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(7):16 －18．

［5］ 周明．裝載硐室大孔徑預(yù)應(yīng)力注漿錨索加固技術(shù)研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(8):67 －69．

［6］ 楊俊志，馮楊文．預(yù)應(yīng)力錨固工程技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2003，(Z1):87 －90．

［7］ 夏長(zhǎng)華，田學(xué)明．壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索在高邊坡加固中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006，33(4):35 －37．

［8］ 周國(guó)鋒，陳紅剛，劉才高．無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索在烏江索風(fēng)營(yíng)水電站Dr2危巖體加固中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(10):61 －63．

［9］ 袁波，吳國(guó)華，周富榮．邊坡工程中壓力分散型錨索施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(10):70 －73．

［10］ 曹琳．阿海水電站碾壓混凝土長(zhǎng)心樣取心技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(4):65 －67．

［11］ 王琪，楊曉紅．復(fù)雜條件下大壩倒垂孔施工技術(shù)措施［J］．西北水電，2014，(2):55 －58．

［12］ 任宗社，鄧德彬．三峽左廠房1—5#壩段基礎(chǔ)加固預(yù)應(yīng)力錨索施工［J］．中國(guó)三峽，1998，(9):7 －10．

［13］ 楊曉紅．深孔倒垂孔施工精度控制．水電施工技術(shù)［J］，2009，(1):48－50．

［14］ 高大水．國(guó)內(nèi)巖土預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)應(yīng)用及錨固技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2004，21(6):87 －90．

［15］ 徐偉．雙標(biāo)倒垂孔的施工與控制．西北水電［J］．2007，(1):55－57．