丹江口大坝加高工程闸墩预应力锚杆加固技术

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(南水北调中线水源有限责任公司， 湖北 丹江口 442700)

丹江口大坝加高工程闸墩预应力锚杆加固技术

王立，胡雨新，周荣

(南水北调中线水源有限责任公司， 湖北 丹江口 442700)

丹江口水库大坝加高工程是南水北调中线水源工程，此次丹江口大坝加高工程闸墩预应力加固，对大坝10个坝段和20个闸墩进行预应力加固。本文主要介绍了丹江口大坝加高工程闸墩预应力锚杆加固的施工技术。锚杆测力计的观测数据表明，预应力锚杆施工满足设计要求。

丹江口大坝加高工程； 初期闸墩； 预应力锚杆加固

1 工程概况

丹江口大坝加高工程是在丹江口水利枢纽初期工程基础上进行的改扩建工程。位于湖北省丹江口市汉江干流与丹江汇合口下游约800m 处，坝顶高程为176.60m，混凝土坝段由左右岸联接、深孔、溢流、厂房共58个坝段组成，溢流坝段(14～24号)每个坝段长24m，其中18号坝段为非溢流坝段。14～17号和19～24号每个坝段设置2个8.50m宽的溢流表孔，共计20孔，堰顶高程152.00m。堰顶以上闸墩高24.60m(墩顶高程为176.60m)，闸墩宽3.50m，长34m，共计20个闸墩。丹江口工程是一座具有防洪、供水、发电、航运等综合功能的大型水库工程。

初期工程闸墩加固项目，位于丹江口大坝溢流14～17号和19～24号坝段，右侧临近13号坝段，左侧临近25号坝段。在丹江口大坝加高过程中，检查发现初期工程溢流坝段闸墩多层面出现不同程度施工用水外渗现象，主要体现在初期闸墩中部存在多条水平层间缝，通过钻孔、注水和压气检查，发现水平层间缝的分布与初期工程闸墩施工层面基本吻合，说明闸墩存在施工缺陷。闸墩加高后，部分层间缝位于闸墩下部，这些水平层间缝削弱了闸墩刚度和整体性，影响闸墩加高后的结构受力性能。另一方面在溢流坝部分闸孔泄洪时，一侧泄洪、另一侧闸孔关闭，这种工况下闸墩非对称受力，闸墩上游端部分区域存在拉应力区，使原先已存在的层间缝局部呈现张开趋势，在闸孔泄流及震动荷载作用下将影响闸墩的耐久性，为此，对初期闸墩施加竖向预压应力加固，以提高闸墩的整体性和耐久性。

预应力加固施工是在溢流坝段加高完成后的每个闸墩上进行。每个闸墩施加5束200t预应力锚杆(索)(如图1所示)。加固方式为：闸墩上游侧三根有粘结锚杆+闸墩尾部二索无粘结锚索”。三根有粘结锚杆长度分别为42m、46m、50m。两根锚索长度分别为48m、50m。 14～24号溢流坝段20个闸墩，共有100个锚固孔。

图1 丹江口大坝加高闸墩预应力加固孔位布置示意图

2 预应力锚杆加固施工

2.1 施工工艺流程

有粘结锚杆施工工艺流程为：施工准备→钻孔、扩孔→洗孔及抽水→锚杆制作与安装→灌浆→张拉→锚头保护→观测→安全防护措施(图2所示)。

图2 2000kN级预应力锚杆施工工艺流程图

2.2 闸墩预应力工艺性试验

闸墩预应力工艺性试验施工方案，批复意见选择在右10坝段由监理工程师指定的一试验区域进行，试验内容主要包括钻孔、扩孔、锚杆制安、张拉、灌浆等内容。

2013年5月13日，闸墩预应力工艺性试验开始施工，5月26日，完成了预应力工艺性试验的所有施工项目，监理中心组织水源公司、设计、质量监督站等相关单位进行了联合验收。验收结果证明：所有工序满足设计要求。

2.3 钻孔、扩孔施工

2.3.1 钻孔

采用XY-2型地质钻机进行铅垂钻孔，孔径171mm，孔斜偏差小于3‰。锚孔钻进过程中，遇混凝土架空或失水严重等情况，立即停钻进行固结灌浆处理，再继续钻进。在灌浆过程中发现严重串孔、冒浆、裂缝漏浆不起压等现象，根据具体情况采取嵌缝、低压、浓浆、间歇灌浆、灌水泥砂浆、细骨料混凝土、加速凝剂等方法进行处理。特殊问题，通知监理工程师和设计单位及时研究处理。

2.3.2 扩孔

扩孔采用XY-2型地质钻机进行，专用扩孔钻头按照设计图对扩孔形状及尺寸要求在专业厂家加工订做。当锚杆钻孔达到设计深度后，提起钻具进行扩孔施工。根据扩孔位置配置扩孔钻头，按照底层、中层、上层的顺序分三次进行扩孔作业，并做详细记录。

严格按照设计图纸规定的位置组装扩孔钻头，在钻杆上详细记录钻杆的钻进行程，当钻杆行程达到16mm时，该层扩孔完毕，提起扩孔钻头；复核刀口上缘与钻头底板间的长度并进行记录。

采用钻孔摄像仪观测扩孔质量及扩孔部位混凝土的表观质量。达不到设计要求时，可用相应扩孔钻头进行修正直至满足设计要求。

2.3.3 洗孔及抽水

钻(扩)孔完毕，将水管伸入孔底，采用高压水从孔内向孔外进行冲洗，直至回水清水后再延续5～10min。洗孔完毕后，对钻孔进行全孔抽水和高压风吹干吹净，并做好孔口保护，以免雨水和杂物进入。

2.4 锚杆制备、锚头安装

自锁锚头装置按照设计图在专业厂家加工订做。预应力锚杆自锁锚头由楔块和支座组成，材料为Q235B，楔块分成6瓣，组装合拢后的圆筒外径φ155mm，楔块张开后的张开角为26.56°，楔块长161mm，如图3所示。

图3 预应力锚杆自锁装置

钢筋下料：钢筋切断采用砂轮机，第1组孔深+2m， 第2组孔深-1m，第3组孔深-4m。每个内锚头安装的两根精轧螺纹钢筋第1段长度分别取7.50m和9m，其他段用9m钢筋用连接器接长，以错开6根钢筋接头位置。

有粘结锚杆内锚头由楔块和支座组成，以两根一组分别与一个内锚头穿精轧螺纹钢用螺母连接。其他未用螺母连接的钢筋与锚头楔块座之间允许相对滑动，可灵活调整锚头位置。三层内锚头组装间距与实际扩孔间距保持一致。

锚头安装时用绳索或铁丝将楔块捆绑，以防扰动造成锚头损坏。各层锚头安装完毕后，安装灌浆管、对中支架。

2.5 锚杆入孔吊装

在孔口位置安装支座钢垫板并座浆，使垫板内圆孔中心与钻孔中心一致。

采用专用吊具、孔口锚杆组装平台，并辅以人工缓慢放入孔内。将锚杆分段在孔口进行连接组装，先将内锚段吊入孔内，下放锚杆时，待各层锚头上方的楔块局部入孔后方可解开捆绑的绳索或铁丝。采取防护措施防止锚杆内锚段直接掉入孔内。接着用连接器接长钢筋，安装注浆管、对中支架，边吊装边接长锚杆，直至全部入孔，待锚杆下落至孔底部位后，提升锚杆至卡紧状态，确认锚头已至扩孔部位后，拧紧锚固板锁紧螺帽，固定就位，若发现锚头未卡入扩孔内，下放锚杆重新提起直至楔块卡入扩孔内。

锚杆外露端长度小于2m便于安装张拉设备。安装2cm厚封口垫板和螺母、支架及穿心千斤顶。

锚杆入孔固定后，通过穿心千斤顶预张拉方法调节各层锚头与坝体扩孔部位间距，使得楔块与扩孔部位上边缘完全贴合。采用千斤顶分层预张拉且持续1min时，确认自锁锚头与扩孔壁完全贴合程度，锁紧对应螺母。

2.6 预应力锚杆灌浆

为充分发挥扩孔自锁锚头的锚固效果，采取单层锚头局部范围先灌浆后张拉的方式进行预应力施加，即单层锚头上方2m范围内局部灌浆，待灌浆料强度接近加固坝体混凝土强度后，进行该层锚头的张拉，按同样方法进行其他层锚杆的预应力施加。

内锚头灌浆：分3次采用高强无机灌浆料进行灌浆，按照理论进浆量制作定量容器，在孔口利用浆液自重进行定量灌浆作业，确保锚固端位置的准确。注浆过程中随着浆液面升高同时上拔注浆管，上拔注浆管时保证注浆管出口始终埋入浆液内1m。

高强无机灌桨料需现场集中采用砂浆搅拌机拌制，粉料与水一次性投入，搅拌时间约3～4min。拌制好的浆料控制在30min内用完。

张拉段灌浆时间及灌浆材料：完成第3层锚杆张拉、锁定和应力调整完成1d后无异常即可进行孔口段灌浆。灌浆采用42.5普通硅酸盐水泥浓浆灌浆，水泥浆标号为M35(7d)，水灰比为0.35～0.4∶1，配比及外加剂掺量通过试验确定。

张拉段灌浆方法：锚杆孔内浆液面上升速度不大于2m/min，注浆过程中随着浆液面升高同时上拔注浆管，上拔注浆管时保证注浆管出口始终埋入浆液内1m。注浆时注浆管进浆，排气管上安装压力表，采用有压循环注浆法。开始注浆时，敞开排气管排出气体、水和稀浆，回浓浆时逐步关闭排气阀，使回浆压力达到0.2～0.3MPa，吸浆率小于0.4L/min时，再屏浆30min即可结束。

现场灌浆时制作一定数量的试模，同时，按不同天数(2～7天)进行试块强度测试。

2.7 张拉施工

先率定张拉设备的 “油压值-张拉力”。待灌浆料强度达到设计要求后进行各层锚头的张拉施工。

单层锚头张拉前，按照每层自由段长度计算每层锚杆的理论伸长值。张拉时记录每一级荷载伸长值和稳压时的变形量，且与理论伸长值进行比较，如果实测伸长值大于计算值的10%或小于5%，查明原因并进行相应处理。

张拉过程中，必须缓慢加载，升荷速率每分钟不宜超过设计应力的1/10，当达到每一级控制力后稳压5min即可进行下一级张拉，达最后一级张拉后，稳压10min即可锁定。

张拉作业根据内锚头安装及灌浆情况按照底层、中层、上层三个阶段进行，待灌浆料强度接近加固坝体混凝土强度后，进行该层锚头的张拉，按同样方法进行其他层锚杆的预应力施加。每层施加的预应力为700kN。

锚杆正式张拉前，预张拉200kN张拉力，观察锚孔口的钢座板是否发生旋转，若发生旋转，做出标记。千斤顶卸载后，调整张拉板转角，与孔口钢座板转角相同，继续预张拉200kN，直至钢底座不再旋转为止。

每级200kN，直至2000kN，超张拉，并锁紧锚固螺母，或按规范分级张拉至超载锁定，记录相应数据。

锚杆张拉时及时准确记录油压表读数、千斤顶伸长值等。考虑到锁紧瞬间的预应力损失，预应力施加时应进行超张拉。张拉至相应荷载后，锁紧对应精轧螺纹钢筋的锚固螺母，并卸载千斤顶，观测锁紧后钢筋应变读数。

张拉过程中，如果锚头周围拉力过大，立即停止张拉，分析原因，提出整改方案。

2.8 外锚头保护

张拉锁定完毕，卸下反力锚固版及千斤顶后从锚固钢板外端量起，留60mm钢筋，其余部分用砂轮切割机截去，锚头做永久防锈处理。

将锚固钢板、钢筋外露头、钢垫板表面水泥浆及锈蚀等清理干净，并将一、二期混凝土结合面凿毛，进行锚头坑二期混凝土回填浇筑。

3 质量保证措施

a.为保证钻孔孔斜的精度，主要采取以下措施：选用合理的钻进参数。牢固固定钻机，混凝土面上采用膨胀螺栓固定钻机，严格控制开孔前开孔钻具的铅垂度；加长钻具，孔深达一定深度后，采用钻铤加压及负压钻进；专人采用高精度测斜仪负责孔斜测量，发现钻孔偏斜，及时采取措施纠编。

b.扩孔施工时采用专业生产厂家生产的扩孔钻头，并对钻头尺寸、形状与设计图纸进行校核，是否符合设计要求。钻孔过程中按要求进行钻头组装，在每层扩孔过程中将扩孔钻头插入直孔底后，在钻杆上做标记，详细记录钻杆的钻进行程；当钻杆行程达到16mm时，该层扩孔完毕，提起扩孔钻头；复核刀口上缘与钻头底板间的长度并进行记录；扩孔完成后用摄像头观测扩孔间距、扩孔质量及扩孔部位混凝土的表观质量，观测过程中发现扩孔效果未达到设计要求时，用相应扩孔钻头进行修正直至满足设计要求。

c.为满足锚杆入孔吊装质量要求，在孔口位置安装支座钢垫板并座浆，使得垫板内圆孔中心与钻孔中心一致；采用专用吊具、吊车吊装入孔，待锚杆下落至孔底部位后，提升锚杆至卡紧状态，确认锚头已至扩孔部位后，拧紧锚固板锁紧螺帽，固定就位。

4 锚固结果分析

为观测预应力锚杆(索)在张拉过程中及张拉完成后预应力变化情况，在闸墩预应力施工过程中按设计要求安装了测力计，测力计安装在17号、21号及24号溢流坝段各闸墩上，分别选取1个锚杆和锚索进行测力计安装，共计6套测力计进行预应力张拉观测(锚杆观测结果如图4、图5、图6所示)。

图4 MG-54应力变化走势

图5 MG-40应力变化走势

图6 MG-7应力变化走势

观测结果表明，目前预应力锚固孔预应力变化情况均满足设计技术要求(大于2000kN)并趋于稳定，闸墩预应力加固施工符合设计要求。

5 结 语

丹江口大坝初期工程闸墩预应力锚杆加固，是丹江口大坝初期工程缺陷处理项目之一，预应力锚杆的施工质量关系到闸墩结构的安全。施工单位在业主、设计及监理单位的指导与协调下，精心组织施工，在施工过程中严格控制每道施工工序，待每道工序施工完毕后进行工序验收，确保每道工序满足设计要求。锚杆测力计观测数据表明，预应力锚杆施工质量优良，各项指标均满足设计要求。◆

Gate Pier Pre-stressed Anchor Rod Reinforcement Technology of Danjiangkou Dam Heightening Project

WANG Li, HU Yu-xin, ZHOU Rong

(South-to-NorthWaterDiversionProjectMidlineWaterSourceCo.,Ltd.,Danjiangkou442700,China)

Danjiangkou Reservoir Dam Heightening Project belongs to South-to-North Water Diversion Midline Water Source Project. Pre-stressed reinforcement is conducted on 10 dam sections and 20 gate piers on the dam during gate pier pre-stressed reinforcement of Danjiangkou Dam Heightening Project. Construction technology of gate pier pre-stressed anchor rod reinforcement of Danjiangkou Dam Heightening Project is mainly introduced in the paper. Observation data of rock bolt dynamometer shows that pre-stressed anchor rod construction can meet design requirements.

Danjiangkou Dam Heightening Project; early gate pier; pre-stressed anchor rod reinforcement

TV522

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1005-4774(2014)06-0009-06