大岗山水电站大坝边坡锚索力学试验研究

大岗山水电站大坝边坡锚索力学试验研究

圈豳水利水电施工2010·第3期总第120期大岗山水电站大坝边坡锚索力学试验研究静李睿黄永贵尚德福／(武警水电第三总队)【摘要】本文结合大岗山水电站大坝复杂边坡地质稳定性研究，通过大岗山水电站各种地层地质边坡情况下的锚索力学性能试验以及取得的各项参数，为大岗山水电站边坡锚索设计、施工提供参考。【关键词】大岗山水电站锚索力学性能试验参考袁1单孔多锚头型预应力1工程概况试验锚索拟定基本参数名称参数大岗山水电站大坝两岸山体雄厚，谷坡陡峻，基岩试验锚索吨位(kN)100015002000裸露，自然坡度一般为4O。～65。，边坡岩体风化卸荷较钻孔直径(mm)1l513O140强烈，边坡开挖设计坡度为1：0．"75～1：0．3，边坡高锚固段长度(rn)拟定5、6、77、8、99、10、11约510m。钢绞线规格及束数1860MPa，7根1860MPa，9根1860MPa，12糯大岗山工程地质条件复杂，岩体风化卸荷严重，边锚头分布3、2、23、3、33、3、3、3坡覆盖层、全风化岩体深厚，高边坡工程稳定性问题较为突出。为了保证边坡稳定，提高边坡整体稳定性，大锚墩尺寸300×800×350×1000×400X1200X(顶X底×高，400450500岗山水电站大坝两岸边坡采取了以预应力锚索为主的深ITEn×mrnXmm)层支护措施，锚索约6000余束。为了优化施工工艺，为施工生产规模化施工积累经验以及为验证锚索设计参数提供参考依据，在工程边坡结合支护施工进行了预应力锚索试验。试验内容主要有锚索力学试验以及施工工艺试验等。针对大岗山水电站坝肩不同地质情况，结合现场情况，选择5个不同岩石类型的典型坡面进行了预应力锚索试验。图1单孔多锚头型预应力锚索施工工艺流程2试验锚索结构根据工程边坡加固的需要，结合工程地质条件及设4试验数据整理与分析计要求，试验锚索形式选择为自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索(以下简称“单孔多锚头型”)。工程边坡加4．1锚固浆液配合比试验固拟定的单孔多锚头型预应力试验锚索基本参数见表1。锚固浆液作为锚索锚固力提供的关键因素，对锚索锚索试验选用普通无黏结1860级15．24mm钢绞质量起到至关重要的作用。为缩短锚固段灌浆后的待凝线，钢绞线裸线用7根,／,5mm钢丝捻制而成。等强时间，获得适宜的早强浆液的配合比，以尽量减少对其他施工工序的干扰，对不同浆液的水灰比进行了强锚索试验主要施工方法度试验以及早强剂、减水剂影响试验，试验结果见表2。根据工程需要，综合试验对比分析，使用水灰比为单孔多锚头型预应力锚索施工工艺流程见图1。0．32：1、早强剂2、减水剂o．6的浆液比级。·30·n大岗山水电站大坝边坡锚索力学试验研究袁2水泥结石强度试验结果序号水灰比外加剂密度黏度泌水性3d抗压强度(g／cm3)(s)()(MPa)1O．32：12．2145．2膨胀剂(7)20．36：12．1639．53O．32：12．2228046．54O早强剂(2)、．36：1减水剂(O2．15200541．0．6)5O．5：11．824560．32：12．20343．57O．36：12．16437．980．5：11．82904．2锚墩混凝土配合比试验及类比锚墩结构荷构荷载测试试验显示，锚墩强度能满足要求。载测试4．3锚索材料力学强度的利用室内混凝土配合比试验参数见表3。根据设计锚索吨选择钢绞线根数，不同吨位锚索用按照现场锚索试验锚墩尺寸，在室内选取了3件试钢绞线的根数见表5。钢绞线强度利用系数满足规范要求样进行锚墩结构抗压强度试验，试验结果见表4。锚墩结“钢绞线最大强度利用系数不大于75”。表3室内混凝土配合比试验参数配合比外加剂抗压强度(MPa)混凝土等级备注水泥：水：砂：石JM—I减水剂3d7d28dC3O1：0．45：2．4：4．110．7％30．139．648．6锚墩混凝土表4锚墩结构荷载测试数据统计锚墩尺寸锚墩设计荷载试验抗压荷载(顶×底×高，mmXmmXmm)(kN)(kN)备注300×800×4001000315O35O×1000×4501500~4280400×1200×5002000~4280表5钢绞线根数及钢绞线强度利用系数设计工作载荷钢绞线数量理论破坏荷载设计荷载时的强度1．1倍设计荷载时的强度(kN)(根)(kN)利用系数()利用系数(％)100071886．55358150092425．5626820001232346268注钢绞线极限计算破断荷载采用的试验结果为269．5kN。4．4水泥结石体与钢绞线、岩体的黏结强度递增。钢绞线从水泥试验台内滑动的荷载为临界滑动荷试验载，按式(1)计算水泥浆与钢绞线的黏结强度，即4．4．1水泥结石体与钢绞线的黏结强度C-(1)将1根长1．5m的415．24mm、1860MPa的无黏结钢绞线剥去PE套并清洗干净后埋设在水泥浆黏结试验式中C——水泥浆与钢绞线的黏结强度，MPa；台中央(试验台尺寸：长×宽×高一70cm×70cm×卜钢绞线滑动临界荷载，kN；150cm)，钢绞线埋人长度为1ITI。试验台采用与锚固[)_一钢绞线直径，取15．24mm；段浆液相同的水泥，按照W／C=0．32：1配比浆液浇L——钢绞线埋入长度，m。筑而成，标准养护7天、14天、28天后进行张拉试水泥结石体与钢绞线的黏结强度试验共6组。验，共6组。P·O42．5强度等级水泥制成的0．32：1比级浆液的结石用单根张拉千斤顶拉拔钢绞线，荷载按照50kN逐级体与钢绞线的黏结强度见表6。·31·n水利水电施工2010·第3期总第120期表6水泥结石体与钢绞线黏结力组号水灰比水泥结石体与钢绞线黏结力(kN)备注7d14d28d10．32：1122138143钢绞线滑动20．32：1134136．5145钢绞线滑动平均黏结力128137144平均黏结强度(MPa)2．72．863．04．4．2水泥结石体与孑L壁的黏结强度表8锚固段最小长度水泥结石体与岩体的黏结强度试验锚索体按1000、锚索吨位(kN)孔径(计算锚固段rm)最短长度(1500、20ookN级制作，做14、28d试验，张拉破坏为m)止；分别布置7、9、12根钢绞线；孔径为115、130、10001152．7140mm，孔深5m，锚固段长lm。15001303．620001404．4用整体张拉千斤顶拉拔钢绞线，荷载按照50kN逐级递增，直至水泥结石体与岩体间发生破坏，取最大荷载注孔壁黏结力试验岩体属弱肛l化上段。为计算值，按式(2)计算水泥浆与岩体的黏结强度，即4．4．3水泥结石体与钢绞线、岩体的黏结强度对比分析c一(2)从胶结体中拔出时的拉拔力计算公式如下T—nndC1L(3)式中C——水泥浆与岩体的黏结强度，MPa；式中”——钢绞线数量；卜钢索张拉力，kN；钢绞线直径；锚孔直径，ram；C1——钢绞线与水泥结石体的黏结强度；L——锚固段长度，m。L——锚固段长度。水泥结石体与岩体的黏结强度试验共6组。水泥结胶结体与孔壁发生位移时拉拔力计算公式如下石体与岩体的黏结力和黏结强度见表7。T一D2L(4)表7水泥结石体与岩体的黏结力和黏结强度式中锚索孔直径；水泥结石体与岩体的水泥结石体与岩体的C2——孔壁与水泥结石体的黏结强度；孔号黏结强度C(MPa)黏结力(kN)L——锚固段长度。14d28d14d28d由试验黏结强度平均值计算单米黏结力对比(见表I一100—14l_551．755506209)可知，水泥结石体与岩体的黏结力[式(4)中的锚I一15O一141．521．5962065OL一200—141．521．63670720固段长度计算公式中的c值——胶结材料与孔壁的黏结平均值1．531．66强度]是影响锚索锚固力和锚固段长度的主要因素。4。5锚索破坏性试验成果分析取水泥结石体与孑L壁的黏结力C=1．53(14d平均黏结强度)，按规范取安全系数愚一1．5，计算结果见表8。破坏性张拉试验锚索破坏情况见表10。表9水泥结石体与钢绞线、孔壁的黏结力试验计算成果对比强度取值凝期(d)计算段长(m)孔径(mm)钢绞线根数(根)计算钢绞线黏结力(kN)试验孔壁黏结力(kN)1115795955214113091233625l140121644673111571O15599281130913056781140121740730注孔壁黏结力试验岩体属弱风化上段。表10破坏性张拉试验锚索破坏情况锚索编号设计荷载理论破坏荷载实际破坏荷载材料强度利用系数破坏形式(kN)(kN)(kN)()110001886．5175092．8钢绞线断裂215002425．5230094．8钢绞线断裂320003234310796．1钢绞线断裂(下接34页)·32·n圈一ZKN；~T2010·第3期总第120期表1锚索造孔试验基本情况试验区孔深孔径倾角液压潜孔跟管深度锚索数量工效备注(m)(Tr江n)(。)钻机型号(m)(束)(m／台班)覆盖层区5O．411510YXZ一7OAl5312．6覆盖层需要跟管全风化区5O～8O11510YXZ一70A35～606l_6需要跟管、成孔难、易卡钻5O～6011510YXZ一70A2O～25413．5需要跟管5O～701301OYXZ一70A1O～3048．5需要跟管、跟管长度增加强风化区50～601151OYXZ一702O～2521O需要跟管5O～7013010Y)(Z一702O～2526．3需要跟管6014010YXZ一7OAO323．1不需要跟管弱风化上段区6014010YxZ一7OO318．8不需要跟管6014010YXZ一70AO22O．7不需要跟管弱风化下段区6014010YXZ一7OO219．1不需要跟管覆盖层松散、强度低，开孔时容易造成方位角、倾角(1)覆盖层、全风化、强风化区锚索孔清洗。覆盖层、偏移，故在采用跟管钻进开孔钻进时，应采用低风量、零全风化、强风化区锚索孔道岩体强度差，孔壁岩体遇水后压力、零钻速缓慢钻进，直至套管跟进较深，套管已嵌入容易垮塌，不适宜采用风水联动方式进行孔道清洗。清孔牢固后再采用正常钻速、压力、风量进行钻进。在采用跟采用高压风吹孔，即用高压风将孔壁岩粉全部吹出。管钻进时还应注意排渣，由于跟管钻进部分孔壁均为松散(2)弱风化上段、弱风化下段区锚索孔清洗。弱风化体，容易漏风，使得岩渣不易排出，容易造成埋钻事故，上段、弱风化下段区锚索孔道岩体强度高，孔壁岩体遇因此在钻进过程中应随时注意排渣，保证孔道通畅。水不会垮塌，洗孔采用风水联动方式进行。4．3．2全风化成孔钻孔时选用了单级跟~168mm套管钻进，套管跟进5结束语至35~40m，均未进入新鲜完整岩体，后采用直钎钻孔、灌浆固壁成孔工艺，但由于是全风化岩体，固壁效果差，(1)本次锚索试验钻机选用的锚固钻机、钻具及针对最深钻进至58m后孔道垮塌，造成埋钻事故。由于表层不同的地层选用的成孔工艺是可行的，能够满足锚索成岩体松软，拔套管时坡面不能提供着力点，致使套管均孔需要，可在施工中采用(见表1)。不能拔出，所有套管全埋于孔内。后调整成孔工艺，选(2)通过对钻孔工效的统计分析，我们可以了解针对用变径跟管方式进行，采用此工艺后的锚索孔钻进至各类地层采用的钻孔工艺及机具配制的合理性，为今后82m，仍未进入完整岩体。锚索施工提供一定的参考依据。此次锚索试验工效根据4．3．3强风化成孔地层完整性的不同而有高有低，从表1可以看出，岩体成孔工艺同覆盖层成孔工艺措施，施工中可以结合的完整性越好，工效越高；反之，完整性越差，工效灌浆固壁方式共同进行，这样可以减少套管损失。越低。4．3．4弱风化上段、下段岩体成孔(3)在造孔施工中要注意：在跟管钻进时，要注意对选用中风压空气压缩机、CIR110型冲击器、~140mm套管质量、丝扣进行检查，保持孔内畅通，减少和避免直钎钻具、7O型锚固钻机作为成孔机具。采用直钎钻进，孑L内事故发生。成孔效果好。(4)施工中遇到深厚全风化岩层时，建议使用变径跟4．4锚索孔清洗管方式进行成孔施工。(5)对于跟管成孔工艺，为了尽量减少对锚墩基础的锚索孔完成后，应对锚索孔道进行清洗，将孔壁上破坏，建议采用不拔管的埋管施工工艺。的岩粉冲洗干净。(上接第32页)(2)试验锚索破坏时，钢绞线材料强度未得到充分发5结束语挥，说明影响锚索强度发挥的因素主要有：①水泥结石体与岩体的黏结力；②预应力钢绞线受力不均匀；③孔(1)通过现场试验，本次锚索试验在5个试区内进道摩阻；④锚夹具等。行，各试验区岩体在岩性、岩类、构造形式上均具有较(3)建议在施工中加强对锚索应力及边坡变形的监测好的代表性；所拟定的锚索结构设计参数满足规范要求，工作，及时掌握锚索应力改变情况和边坡变形情况，为地层适应性强，满足规范要求，对今后的设计、施工具工程安全提供及时、准确的基础资料。有重要的指导意义。·34·