压力分散型锚索应用

压力分散型锚索在不良地质边坡中的应用
摘要本文通过1000KN无粘结压力分散型锚索，在昭通市关河牛栏沟水电站左岸崩塌堆积体高边坡加固工程中的成功应用，介绍其设计概况、施工工艺，以及边坡变形及锚索应力监测方面的应用，并对施工过程及工艺进行了总结分析，为类似工程提供参考经验。

关键词：崩塌堆积体边坡加固压力分散型锚索施工工艺安全监测压力分散型锚索的特征是：内锚固段的数个承载板从不同位置调动锚索锚固区的承载能力，逐级衰减至自由段，锚固力可调性范围大。

对承载力比较差的软弱破碎岩体和难以锚穿的较大堆积体，使用压力分散型锚索进行坡面支护具有良好的加固效果。

1、工程概况
1.1 工程规模及地点
牛栏沟水电站是横江岔河至盐津县城河段梯级规划中的第六级，闸坝式开发，位于云南省昭通市盐津县关河上，以发电为主的小（1）型水电枢纽工程。

电站正常蓄水位488.0m，死水位486.5m，正常蓄水位以下库容161万m3，调节库容29万m3，最大坝高为28m，水库基本无调节能力，额定水头12.3m，引用流量230m3/s,电站装机容量为2×12.4MW，保证出力5.3MW，年利用小时4597h，多年平均发电量1.14亿kW.h。

电站以发电为主要目标，无综合利用要求。

左坝肩紧邻G040国道外边，右坝肩距离G85水麻高速公路不到30米，施工区两岸公路高程均在522.00高程左右。

1.2 边坡地质情况
牛兰构枢纽建筑物布置地段的左岸山坡在040国道以上分布有三级平台，
台面保留完整，地貌形态与其上、下游地形地貌形态相一致。

右岸基岩出露，岸坡稳定；左岸开挖揭露后为崩、坡积而成的碎石、砾石及块石、粉质粘土、砂土夹孤石、大块石堆积体，坡面出露的地下水点多量大，边坡稳定性极差，按设计坡比开挖后即发生局部滑塌、矢稳现象。

经加密钻探补堪查明左岸山坡的堆积物主要可分为两层：1）490m高程以上山坡堆积体（人工堆积土散布在表层坡体上）主要为崩、坡积成因的碎石、砾石及块石、粉质粘土、砂土夹孤石、大块石，一般厚12m～44m，堆积土中孤石、块石、碎砾石母岩主要以灰岩为主，少量为粉砂岩、泥灰岩；2）、490m高程至464m高程边坡主要分布泥质粉砂岩岩块（③层）、碎石质土层（④层），厚约20～37m，该层成份单一，全部为泥质粉砂岩，未发现含有灰岩碎、块石，碎石质土层呈透镜状，分布不连续，堆积体结构紧密，透水性弱；古河床冲洪积漂石、卵砾石层厚约1.8~5.7m。

经钻孔揭露，第③层泥质粉砂岩岩块层直接堆积于古河床冲积层上（ZK1-2在冲积层上为粘土），冲洪积层与下伏基岩相接触。

从钻孔与开挖边坡观察，边坡堆积体内可见多次堆积迹象，不同成分的堆积物可见较明显的界线。

在钻孔ZK3-1后缘开挖面及导流渠进、出口段开挖后边坡等多处发现泥质粉砂岩岩块层（③层）堆积凌乱，未呈层状分布。

根据地勘资料查明，左岸边坡的开挖及支护是否稳定、安全，将直接关系到040国道的安全。

1.3锚索设计情况
牛兰构电站于2009年8月25日开工，由于左岸边坡地质情况复杂，地下水丰富，对边坡开挖稳定及040国道安全存在较大影响。

为确定边坡开挖支护方案，我局于2009年9月8日、9月24日组织工程局咨询专家和澜沧江水电公司地质咨询专家到工地进行咨询。

鉴于坝轴线部位岩石较差，出水大，开挖
边坡高的情况，为保证开口线503m高程以上边坡稳定及040国道安全，此部位先进行锚固后再开挖，先开挖导流明渠进口及出口段。

坝下0+010~坝下0+70桩号、503m高程以上边坡锚索施工过程中，先期采用ZKQ100-B轻型钻机、配低压空压机（8kg/cm2）进行钻孔，由于覆盖层较厚（45~80m），钻至4～5m后就无法钻进。

为保证成孔，采用ZSY-80、YSZ-70、MD-60A跟管钻机，配美国寿力、瑞典阿特拉斯、台湾兴盛高压风机进行钻孔。

锚索总共钻孔7个，其中3孔由于水太大无法下索废弃，实际只下了4束，长度60~66m。

针对这种情况，调整了锚索布置，将锚索布置在坝下0+034~坝下0+70、494~503m 高程，共布置3排27根100t级锚索，间排距4×4m，锚索实际施工长度为35~59m。

坝轴0+00~坝下0+030桩号、503m高程平台打锚筋桩12根（3φ25、L=12~13m），由于地质条件差、地下水出溢大，为保证注浆成功，将套管留在孔内。

导流明渠进口开挖至导0+50桩号、475m高程时，边坡局部发生坍塌；10月27日，坝上0+015~坝上0+054边坡开挖至487m时，由于堆积体应力释放，在截水沟上方509m、513m高程等多处出现裂缝，截水沟下边坡素喷砼后，边坡失稳，局部坍塌，开挖停止。

导流明渠出口段开挖支护至477m高程时，在513m高程平台出现裂缝，2009年11月9日21时左右边坡发生坍塌，塌方量约为3000m3。

边坡坍塌已危及到040国道安全，为确保国道的安全，项目部汇同设计提出了边坡处理、枢纽布置调整方案，并于2009年10月30日再次组织工程局咨询专家、澜沧江公司副总工程师、地质咨询专家到牛栏沟电站进行咨询。

经过讨论形成共识：（1）为避开不良地质，减少对边坡的扰动，在不影响枢纽布置的前提下，将坝轴线往下移20m；（2）为避开导流明渠进口边坡不良地质，将上游围堰往下移40～50m，相应导流明渠往下并靠河床移；
（3）导流明渠穿过厂房坝段，为保证厂房深基坑开挖的安全，将此段明渠结构形式改为钢筋砼厢涵或钢管结构；（4）已开挖的导流明渠进口段边坡采取浆砌石重力式挡墙、背坡反压土石回填，以保证边坡的稳定；（5）尽快建立内外变形监测网，时时掌握边坡变形活动情况，以指导开挖方案及支护措施的及时调整；（6）对已变形开裂的边坡从公路外侧按1：1、1：0.75坡比进行削坡减载，打3φ25、L=9～12m锚筋桩、浇贴坡钢筋砼进行支护；（7）由于抗滑桩施工难度大，投入成本高，决定采用锚索结合锚筋桩支护；在EL472.00～EL508.0高程设置1000KN，L=25m、35m、40m、45m全粘结锚索125根进行永久支护；（8）补充探洞地堪工作。

项目部积极采取措施，沿公路外侧至上而下按坡比1：1、1：0.75进行削坡减载，加强坡体排水，坡面开挖后及时挂网喷砼封闭，由上至下分台加紧锚索、锚筋桩施工。

但当EL494～EL510高程段52根锚索施工结束时，根据锚索测力计的监测，锚固力施工结束后的一周内即由110％衰减至70％左右。

锚固力难以达到设计效果。

监测成果见下表：
表1 左岸边坡岩体锚索测力计监测成果表
针对以上情况，技术部认真分析检查全部施工过程，并咨询了相关专家；排除注浆量和浆液质量（平均单孔注浆量达18T/孔，浆液比重满足设计标准）后认为：可能是张拉后的稳压时间和锁定工艺有问题。

便再次对锚固力衰减较多的两排锚索进行补偿张拉：但经过施工后监测，衰减状况仍然没有太大改观。

后经过咨询其它类似堆积体锚固案例认为：对于加固部位岩体松散破碎，内锚段承载力低，锚固端不能进入完整岩体（Ⅲ类以上）的堆积体锚固，使用压力分散型锚索进行锚固效果更佳。

于是调整了EL478～EL485高程段锚索设计，对于不能锚入基岩的53根锚索全部改为1000KN无粘结压力分散型锚索后，经过锚索测力计监测，锚固力的衰减状况得到大大改观。

经过测斜孔、多点位移计、外部表观网的监测，左岸边坡的变形速度得到控制，并逐渐趋于收敛。

截至2011年1月底左泄边坡及基坑开挖结束，通过对锚索测力计和多种边坡变形观测设备的监测数据的
分析，边坡及坡脚的左泄基坑开挖过程中均未出现边坡变形增大状况，左岸高边坡处于稳定状态，边坡加固效果良好。

表2 左岸边坡岩体锚索测力计监测成果表
2、1000KN无粘结压力分散型锚索的设计及施工方法
锚索之间采用框格粱连接，框格粱断面尺寸为50cm×50cm，有混凝土贴坡段的锚墩为100cm×100cm。

左岸边坡锚索支护区典型断面见图1。

图1左岸边坡锚索支护典型断面图
100t级锚索设计要求的设计参数为：锚索由7根钢绞线组成，公称直径Ф15.24mm，标准强度1860Mpa；锚索孔径为Ф130mm，采用4级承载板承压，间距2.5m，承压板直径Ф100mm，第1级为2根钢绞线（编号为1-1、1-2），第2级为2根钢绞线（编号为2-1、2-2），第3级为2根钢绞线（编号为3-1、3-2），第4级为1根钢绞线（编号为4-1）钢绞线长度每级减少2.5m；注浆采用42.5R水泥，净压力0.3～0.5MPa，浆液胶凝体N40净浆，采用一次性灌浆。

锚具和夹片采用HVM90型，1000KN压力分散型锚索设计参数如下表：表3
图2 1000KN无粘结压力分散型锚索结构示意图
3、1000KN压力分散型锚索工艺控制
3.1 基本施工工序
施工平台搭设→布孔→编索→造孔→清孔、验孔→安装锚索→注浆→网格梁砼浇筑及锚墩制作→安装外锚头→张拉→验收→封锚
3.2布孔、钻孔施工
造孔前先根据设计图，使用测量仪器按设计要求将锚孔孔位准确地测放到边坡坡面上，做好孔位标记。

本工程压力分散型锚索的间排距为4m×4m。

因左岸边坡地质较差，使用普通钻机塌孔比较严重，本工程钻孔采用MD60-A型跟管钻机，使用跟管钻机可有效的避免塌孔和减少锚索孔注浆固璧等工序。

设计的孔径为140mm，供风采用寿力LS-25（25m3/min），阿特拉斯320型（20m3/min）空压机进行供风，146mm的钻头。

跟管直径为150mm，锚索孔的俯角为5度。

3.3 索体的制作及安装
编索工艺：下料、清洗→编束→安装隔离架、支撑环→安装注浆管→验收→库存。

（1）压力分散型锚索制作前应对钻孔实际长度进行测量，计算并截取出每级承载体对应的钢绞线，并对不同位置处的承载体（4级）相对应的钢绞线外露端采用打磨机打磨出标记，以便后续张拉工作的正确进行。

（2）下料要求用砂轮切割机切割，下好料以后,按图纸要求设置好隔离架，每1.5米放一个。

锚索编束前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，对有死弯，机械损伤处应剔出，无粘结绞线外套PE管不得有破损。

索体绑扎要求牢固，使钢绞线不互相缠绕，平行顺直。

（3）内锚头钢绞线挤压套由挤压套筒和钢丝衬套组成，钢绞线传入承载体后挤压并设置好承载体，挤压套中钢绞线伸入长度不小于10cm,挤压套的挤压力为20~53MPa，并按照3%进行抽检。

（4）按照图纸要求，承压板直径Φ100mm，保护罩直径为Φ79mm，锚索保护罩和导向帽内填充3#无粘结预应力筋专用防腐油脂。

检查合格后的锚索标识好以后分区存放，同时做好防雨、防晒工作。

锚索安装：锚索安装时先不要取出套管，以保证索体顺畅进入，并注意钢绞线自由段保护胶皮不要受损坏，下索过程中要保证进入孔内的索体顺直以保证锚索张拉时受力均匀，锚索安装完毕后使用千斤顶取出套管，取完套管后及时进行灌浆，以防止塌孔影响注浆效果。

3.4 锚索注浆
根据施工情况注浆搅拌设备选用ZJ400高速搅拌机和SGB-6-10型高压灌浆机
（1）注浆采用水泥净浆，浆液配制按照试验配合比进行，浆液水灰比为1:0.42、1:0.50，注浆净压力为0.3～0.5MPa。

因岩体比较破碎，为了使锚固端胶结更好先增加锚固端的锚固力注浆时先采用1:0.5的浆液，随后再采用1:0.42浆液注浆，单孔平均耗灰量为约为18吨。

（2）浆液采用ZJ400高速搅拌机配制，浆液采用高速搅拌机搅拌，搅拌时间不少于2min。

根据设计图纸要求，当回浆浆液比重与进浆浆液比重相同、吸浆量小于1L/min时，稳压闭浆20min，回浆压力应达到0.5MPa （3）灌浆结束标准：回浆量比重不小于进浆量，稳压10min，孔内不再吸浆，即进、排浆量一致。

3.5 锚索张拉
3.5.1 张拉设备
张拉时必须在锚体注浆和锚墩混凝土龄期大于7天后才能进行。

张拉设备，按照张拉工艺，现场设备采用型号为YCW -250B千斤顶，主要技术参数为额定拉力2500KN，额定油压60MPa，配用油泵为ZB4-500型电动油泵。

张拉设备使用前进行拟定，拟定关系曲线为N=42.931P+38.546 R2=0.9989。

3.5.2 张拉参数确定
张拉参数每一级没组钢绞线的张拉值根据其长度及钢绞线弹性模量及面积等计算得来。

计算参数见表4
1000KN压力分散型锚索张拉参数表表 4
注：表中P为锚索设计值。

3.5.3 工艺过程
根据压力分散型锚索结构特点及规范要求，根据每根锚索设计的4个承载体，按每个承载体为一级，根据承载体7根钢绞线分4组（即：第一级1-1、1-2两根为第1组，第二级2-1、2-2两根为第2组，第三级3-1、3-2两根为第3组，第四级4-1一根为第4组），4序（即：50%P[500KN]、75%P[750KN]、100%P[1000KN] 、110%P[1100KN]）进行张拉，（具体参数见表1-2），分级张拉前先对每级承载体的单束钢绞线进行25KN的预紧张拉。

为了充分了解锚索张拉过程中的受力情况，根据图纸，本工程共设置了3个100t级的锚索测力计，编号为：MD-01～MD-03，测力计采用钢弦式测力计，型号为SDM-1000KN。

锚索张拉48h内应力损失不超过锁定荷载的10%视为稳定，否则对对应区域的锚索进行二次补偿张拉。

①张拉时根据每组编号及对应的张拉参数按1组～4组顺序进行第一序50%P张拉，张拉值为157KN、143KN、136KN、64KN，第一序张拉完成后进行第二50%P张拉……，依次完成1～4序锚索张拉。

②按照上述张拉方法依次完成锚索2~5级的张拉，在张拉过程中同步测量单根锚索的伸长值并按要求做好记录。

另外，安装锚索测力计的锚索，除了上述工作外，每级张拉完成后应观测锚索的受力读数。

③加载、稳压和卸载速率，按照设计图纸要求，做好张拉过程控制工作，具体控制方法为：单根锚索张拉的加载速率为44KN/min，减载速率为50KN/min，1~5级分别按照为0.5min、1.5min、2min、3min、3.5min来加载，按0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min进行稳压。

卸载时间为0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min。

单根100t锚索张拉时间约为150min。

3.5.4 补偿张拉
应力损失比较明显，千斤顶张拉系统已经不能真实的反映锚索受力情况，
必须以测力计为准，通过补偿张拉确保锚索测力符合设计要求。

通过494高程以上边坡3个100t级锚索测力计张拉数据的分析，测算出锚索平均应力损失值为11.4%，在锚索张拉完成以后，以测力计为准进行应力控制，确保锚索测力计的测值符合设计要求，最终按照这一值对其它锚索进行补偿张拉。

4、施工期安全监测
牛栏沟水电站锚索施工从2010年4月开始于2010年12月结束，根据本工程的特点，锚索张拉过程的安全监测包括两部分，一是锚索应力监测，二是边坡稳定性监测，具体如下：
4.1 锚索应力观测
4.1.1 锚索监测仪器的选型、布置、埋设
测力计采用钢弦式测力计，型号为SDM-1001KN, 量程为100t，精度为+0.3%F.S.,选用昆明畅唯银河科技公司生产的CTY-403读数仪进行测读，该设备具有时间、日期、温度自动记录，测量范围：400Hz~5000Hz，5V方波，测量精度：0.01%。

494高程平以上边坡的51根压力分散型锚索共设置了3个锚索测力计，分为3个断面，测力计编号为MD-1~3。

待锚索内锚固段与承压垫座混凝土的承载强度达到设计要求后，在锚索张拉前，将锚索测力计安装在孔口垫板上，并将测力计专用的传力板安装在孔口垫板上，要求垫板与锚板平整光滑，并与测力计上下面紧密接触，测力计或传力板与孔轴线垂直，其倾斜度应小于1°，偏心不大于3mm。

埋设初期，每天观测1次，观测一周后每周观测3次，连续观测1月后每周观测1次。

4.1.2 锚索监测成果分析
通过锚索张拉跟踪观测，以下以MD-3号锚索测力计对应锚索的补偿张拉为例进行分析。

MD-3号锚索测力计设计张拉荷载为1000KN，2010年9月22
日张拉锁定后测力计的测值为976.4KN。

结合其它锚索的张拉情况分析，造成锚索应力损失的原因有：千斤顶张拉过程中产生的应力损失（钢绞线回缩）的累加效应、以及结构面之间的挤压变形松弛效应（锚墩及框格梁混凝土和基岩面之间的3个结构面），出现了锚索实际所受的力（锚索测力计所测的）比锚索名义上所受的力小（千斤顶张拉系统所测的）的情况。

鉴于上述情况，千斤顶张拉系统已经不能反映锚索的真实受力情况，因此，必须以锚索测力计为主进行补偿，以确保锚索测力符合设计要求。

2010年9月24日对MD-3号锚索测力计对应锚索的补偿张拉，补偿标准为设计值的110%，即千斤顶张拉总荷载为1100KN，补张拉后测力计显示的锁定值为1001.8kN，满足设计要求，截至2011年3月23日测力计监测荷载为935.9KN。

具体数据见表5
锚索张拉是对锚索整体施工质量进行分析与判别的主要方法，能够最直观的了解锚索的受力情况。

2010年9月28日494高程以上边坡的51根压力分散型锚索全部张拉完毕，截至2011年3月23日，所有锚索张拉稳定后的测力计测值均符合要求（不小于设计张拉力的90%），锚索施工质量良好。

4.2边坡稳定观测
边坡稳定观测主要采取以下两种手段：其一为深部变形观测，其二为表观位移观测，通过观测了解锚索张拉过程中边坡的稳定情况。

在锚索施工期间，按照设计要求在494高程至G040国道之间边坡分别在EL523.00、EL503.00、EL494.00高程分别布置3个测斜进行观测，编号分别为CXP01～03，在EL497.00高程埋设1套多点变位计（SDW-1），根据观测数据张拉前后无明显变化（观测成果见图3）。

边坡位移变化的速率及累计位移处于可控范围，边坡处于稳定状态。

4.2.2表观位移观测
水平变形观测。

通过右岸521.00平台控制网上的测量基点（分别为JP01和1 JP02号），采用全站仪（GPT-3002LN，标称精度为1.6mm）进行边角交汇法观测，494高程以上边坡上的16个水平位移测点的坐标，观测桩编号分别为：TP-1～16，以了解水平变形情况。

设计要求EL 494.0高程以上边坡在锚索张拉前观测一次水平、垂直位移，张拉过程中水平位移每月观测一次，垂直位移每天观测2次。

水平位移观测精度为±3mm，垂直位移采用二等水准点。

根据上述要求，总共进行了10次水平位移观测，60次垂直位移观测，观测结果显示水平位移与初值偏差为3mm，垂直位移与初值偏差为1mm～4mm。

494高程以上边坡，边坡处于稳定状态。

5、结束语
根据关河牛栏沟电站左岸边坡地质构造复杂，岩层破碎无规律的特征，结合压力锚索更可避免锚固段的压应力集中，使锚固段应力分布更趋均匀，在锚索内锚段受力结构不好但又需要提高供较高锚固力的部位比较合适。

目前，本工程的左岸边坡开挖支护完成已7个多月，通过对锚索测力计和边坡变形观测设备的监测数据的分析，破碎段高边坡处于稳定状态，边坡加固效果良好。

根据本工程的经验，对于破碎岩体、断层、裂隙发育地段、大型崩
塌堆积体、难以锚固入稳固完整岩体（Ⅲ类以上）的坡面，采用压力分散型锚索可大大提高边坡的稳定性与可靠性。

同时，采用合理有效的安全监测手段也是极为必要有效的，可以加以推广应用。