白鹤滩水电站泄洪洞预应力锚杆生产性工艺试验成果分析

陈　斌，　朱 毓 杰,　刘　宁

(1.中国人民武装警察部队 水电第七支队,湖北 武汉　430200；2.中国人民武装警察部队 水电第三总队，四川 成都　611130；

3.中国人民武装警察部队 水电第八支队，重庆　401320)

白鹤滩水电站泄洪洞预应力锚杆生产性工艺试验成果分析

陈斌1，朱 毓 杰2,刘宁3

(1.中国人民武装警察部队 水电第七支队,湖北 武汉430200；2.中国人民武装警察部队 水电第三总队，四川 成都611130；

3.中国人民武装警察部队 水电第八支队，重庆401320)

摘要：白鹤滩水电站左岸泄洪洞系统锚杆支护设计采用了普通砂浆锚杆和预应力锚杆两种支护形式，其中预应力锚杆施工技术要求高，工序衔接要求紧密。为保证施工质量，提高生产效率，在预应力锚杆施工前需进行生产性工艺试验，以确定预应力锚杆套件规格、锚固剂用量、工艺方法等施工参数。结合该泄洪洞施工实际，采用三组试验(锚固剂药卷用量及注浆密实度试验、内锚段长度试验和现场工艺性试验)确定了预应力锚杆锚固段长度为3 m，锚固剂药卷用量为73支，采用二次注浆施工工艺，取得了较好效果。

关键词：泄洪洞；预应力锚杆；施工工艺；试验；白鹤滩水电站

1工程概述

白鹤滩水电站泄洪洞土建及金属结构安装工程第Ⅱ标段洞身支护工程采用了预应力锚杆作为渐变洞段、柱状节理带、Ⅳ类围岩的重要支护形式。预应力锚杆设计规格为φ32，L=9m，T=150kN，约1.1×104根。为确定预应力锚杆的施工工艺，我部于2014年10月7日至10月17日开展了预应力锚杆生产性工艺试验。在借鉴其它类似工程施工经验的基础上，结合白鹤滩水电站的实际情况，对本标段预应力锚杆内锚段采用锚固剂药卷，自由段采用缓凝水泥砂浆为锚固材料进行了现场试验。按自由段注浆施作先后的不同，本次试验分两种工艺进行：①一次注浆工艺，即内锚段锚固剂和自由段砂浆先后一次注入，然后再安插锚杆，待内锚段终凝后、自由段初凝前进行张拉锁定；②二次注浆工艺，即先灌注内锚段锚固剂，随后安插锚杆，再张拉锚固，最后对自由段进行第二次注浆封闭。

2主要试验器材

2.1试验管(孔)及钢筋规格型号

(1)试验一(锚固剂药卷用量及注浆密实度试验)：

3根φ68(内径)、L=8.5mPVC管；3根φ32、L=9m钢筋。

(2)试验二(内锚段长度试验)：

6个φ64锚杆孔：孔深分别为2m、3m、4m，各2个孔；6根φ32钢筋：长度分别为L=2.1m、L=3.1m、L=4.1m，各2根。

(3)试验三(现场工艺性试验)：

6个φ64锚杆孔，孔深8.5m；6根φ32、L=9m钢筋。

2.2试验使用的其它器材

(1)锚固剂药卷：选用由巩义市豫源建筑工程材料有限责任公司生产的MJK4型速凝卷状高强锚固砂浆，产品规格为φ32×225mm；

(2)缓凝减水剂：选用由江苏博特新材料有限公司生产的PCA-Ⅰ型混凝土高性能缓凝型减水剂；

(3)缓凝砂浆：M30锚杆砂浆，配合比见《预应力锚杆砂浆配合比试验报告》；

(4)扭力扳手：大小量程扭力扳手各1把：TG200-1000N·M型、NB-2000A型；

(5)锚杆杆体：采用无锈、顺直的整根钢筋加工(φ32、L=9m)，杆端车丝长度为50cm，在杆体上每间隔3m设置对中支架，对中支架采用3根φ6.5短圆钢筋品形分布点焊在杆体上，附件包括：200mm×200mm×8mm锚垫板及六角螺帽、φ20/28mm进浆管和φ14/20mm回浆管；

(6)其它器材：空压机一台、气压风枪一把、浸泡锚固剂用水桶一个、注浆机一台、托盘秤一台、砂浆稠度仪一台，袋装水泥和经预筛分的人工砂若干。

2.3原材料室内试验

(1)锚固剂。

本次试验所采用的锚固剂为巩义市豫源建筑工程材料有限责任公司生产的MJK4型速凝卷状高强锚固砂浆，产品规格为φ32×225mm，其主要性能检测成果见表1。

表1　锚固剂主要性能检测成果表

(2)缓凝砂浆。

本次试验采用由江苏博特新材料有限公司生产的PCA-Ⅰ型混凝土高性能缓凝型减水剂拌制缓凝砂浆，其主要性能检测成果见表2。

表2　缓凝砂浆主要性能检测成果表

3试验方法及过程

3.1试验一：锚固剂药卷用量及注浆密实度试验

2014年10月7日下午，在泄洪洞钢筋加工厂进行了PVC管模拟试验，以确定锚固剂用量并检查注浆密实度。根据试验所采用材料规格经理论计算得知3m试验管需注入MJK4型锚固剂药卷数量N为：

N=[(φ1/2)2×3.14-804.2×3 000/[(φ2/2)2×3.14×L]

式中φ1为PVC管内径，68 mm；φ2为锚固剂药卷直径，32 mm；L为锚固剂药卷长度，225 mm；φ32锚杆公称截面积为804.2 mm2，即：

N=[(68/2)2×3.14-804.2]×3 000/[(32/2)2×3.14×225]≈47(支)

考虑到钻孔尺寸偏差、药卷浸水后体积变化和风枪管路损耗等差异因素，参考类似工程经验并经现场用4 m长PVC管试注，估算富余系数k取1.55，则N=47×k≈73(支)

现场取3根L=8.5 m PVC管作模拟试验，采用风枪分别注入83、73、63支锚固剂药卷，再用绑好的L=9 m的回浆管插入，然后注入缓凝砂浆并封堵管口。待7 d龄期后，剖管验证实际锚固剂充填长度并检查注浆密实度，其检测数据见表3。

表3　PVC管模拟试验成果表

注：①剖管后观察整个固结浆体均匀饱满、表面光洁、颜色基本一致，用小锤敲破浆体找出锚固剂与砂浆的分界面，准确测量得出锚固剂的实际充填长度；②注浆密实度用锚杆无损检测仪实测检查。

通过剖管验证实际锚固剂充填长度，推算得出3 m锚固剂需用量精确值：81支、76支、77支，取平均值，即为78支，由此可以确定：3 m长度φ68内径PVC管的锚固剂药卷用量为78支。

PVC管与钻孔的差异分析：3 m长度φ68内径PVC管的锚固剂药卷用量为78支，其填充体积为[(68/2)2×3.14-804.2]×3 000=8 476 920(mm3)，而实际钻孔的φ64孔径3 m长的体积为[(66/2)2×3.14-804.2]×3 000=7 845 780(mm3)(考虑多臂钻钻孔实际孔径略大于钻头直径，计算式取66 mm)，由此可知：现场实际施工的3 m长锚固段需用锚固剂药卷量为：N’=7 845 780×78÷8 476 920≈73(支)。

锚杆无损检测结果显示，3根PVC管模拟锚杆密实度均大于90%，满足预应力锚杆的质量要求。

3.2试验二：内锚段长度试验

2014年10月13日，在1#泄洪洞边墙位置进行了现场内锚段长度试验。试验为短锚杆，共6根，即内锚段长度分别为1 m、2 m、3 m，各两根，自由段均为1 m。根据试验一，计算得锚固剂用量分别为25支、49支、73支。在边墙布置水平锚杆孔φ64，孔深2 m、3 m、4 m，各两个孔，内锚段注浆采用风枪，风压为0.4～0.6 MPa，锚固剂药卷浸水时间为50～70 s，锚杆φ32，L=2.1 m、L=3.1 m、L=4.1 m，各两根，车丝长度为50 cm，螺帽、垫板配套，扭力扳手经过率定。试验先用小量程扭力扳手、后用大量程扭力扳手逐级张拉，同步检查锚杆是否松动以判定最大锚固力。经过张拉，内锚段长度为2 m、3 m的四根锚杆均达到225 kN，大于超张拉力的要求，内锚段长度为1 m的两根锚杆张拉至120 kN时，杆体被拉得松动。由该试验可知，采用MJK4型锚固剂药卷作内锚段材料，内锚段为2～3 m时所承受的拉力满足设计要求。结合类似工程经验，实际施工中推荐内锚段的长度为3 m。

3.3试验三：现场工艺性试验

(1)第一次试验(一次注浆工艺)：

2014年10月13日13：59至15：05，在1#泄洪洞K0+740～K0+760顶拱位置进行了生产性试验，根据前两次试验确定的参数，在顶拱用多臂钻造3个锚杆孔。锚杆孔径为64 mm，孔深8.5 m，锚杆φ32，L=9 m，车丝50 cm，螺帽、锚垫板配套。采用一次注浆工艺：内锚段长度为3 m，内锚段采用风枪注装MJK4型锚固剂药卷73支，自由段采用注浆机灌注缓凝砂浆，内锚段和自由段注浆结束后，采用吊车平台配合人工安装锚杆。同日晚21：18至次日01：30对注装完成的三根锚杆进行了张拉，满足设计张拉要求。

7 d龄期后进行无损检测，一次注浆工艺三根锚杆的密实度均大于90%，满足设计要求。

(2)第二次试验(二次注浆工艺)：

2014年10月17日，在1#泄洪洞K0+740～K0+760顶拱位置进行了生产性试验，根据前两次试验确定的参数，在顶拱用多臂钻造3个锚杆孔。锚杆孔径为64 mm，孔深8.5 m，锚杆φ32 ，L=9 m，车丝50 cm，螺帽、锚垫板配套。采用二次注浆工艺：内锚段长度为3 m，内锚段采用风枪注装MJK4型锚固剂药卷73支，随后即用吊车平台配合人工安插锚杆，上午9：54至11：02完成了三根锚杆的锚固剂注入和锚杆安插。晚上18：20至22：57对三根锚杆进行了张拉，满足设计张拉要求。最后用注浆机实施了自由段砂浆灌注，结束试验。

7 d龄期后进行无损检测，二次注浆工艺三根锚杆的密实度均大于90%，满足设计要求。

(3)张拉。

预应力锚杆张拉执行《白鹤滩水电站泄洪洞洞身开挖及支护施工技术要求》，先预紧再正式张拉，结合《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，采取分级张拉工艺，分级张拉力为：20%t(预紧张拉力)→50%t→75%t→100%t→110%t(t为设计张拉力，150 kN)。试验时增加了两级超张拉：→130%t→150%t，张拉时扭力板手力矩分级则按照扭力板手“力矩-张拉力”率定曲线和预应力锚杆分级张拉力进行确定，每张拉一级持荷稳定10 min。

(4)张拉伸长值。

预应力锚杆的检查验收以张拉力为主，伸长值为辅。根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)要求，“从50%拉力设计值到最大试验荷载之间所测得的总位移量，应当超过该荷载范围自由段长度预应力筋理论弹性伸长值的80%，且小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的预应力筋的理论弹性伸长值。”

由材料力学公式计算理论伸长值：

伸长值△L=(P×L)/(A×E)

式中P为张拉力；L为张拉段长度；A为φ32钢筋的公称截面积，即804.2 mm2；E为钢筋的弹性模量，200 GPa。

则“从50%拉力设计值到最大试验荷载之间的”理论伸长值ΔL1=80%×(165×5 500)/(804.2×200)=4.5(mm)，“小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的”理论伸长值ΔL2=(165×7 000)/(804.2×200)=7.2(mm)，得出杆体理论伸长值允许范围为4.5～7.2 mm。

经检查，以上一次注浆工艺和二次注浆工艺试验的张拉伸长值均满足验收要求。

4试验结果及分析

4.1试验一

试验一在进行MJK4型锚固剂药卷用量确定时，采用8.5 m长度、φ68 PVC管与现场钻孔工况近似，取三根剖管后的换算值的平均值找出3 m锚固长度用量，该方法能够真实地反映出各方面因素、比较准确。试验得出的3 m长度、φ68内径PVC管的锚固剂药卷用量为78支，与理论计算量47支相差较大，返算富余系数k=78÷47≈1.66。分析其中66%的损耗因素主要包括：(1)MJK4型锚固剂药卷浸水后浆液化，体积收缩较大；(2)风枪注浆管的管路较长，损耗较大，考虑到泄洪洞洞内施工作业空间，需要一定长度的注浆管路。

从对PVC管进行剖管的结果看，三根模拟锚杆注浆饱满度均达到90%以上，满足《白鹤滩水电站泄洪洞洞身开挖及支护施工技术要求》第5.3.10项的锚杆质量检查要求。

4.2试验二

试验二对比了不同长度锚固段的张拉力。由对比结果可知：采用MJK4型锚固剂药卷作内锚段材料，内锚段为2～3 m时所承受的拉力满足设计要求。考虑到实际施工中的围岩软弱程度变化、围岩裂隙造成锚固剂流失等其它不利因素，实际施工选择内锚段为3 m较为合适。

4.3试验三

试验三验证了各项工艺参数，并经无损检测密实度满足质量要求。为保证密实度，在施工过程中应特别注意操作细节：①在用风枪注入锚固剂药卷过程中，注浆管拔出速度不能过快，否则会造成后注入的锚固剂药卷与先注入的锚固剂药卷之间掺入气泡，影响密实度。为了尽可能减小气泡的产生，一方面可调整风压，一般将风压控制在0.4～0.6 MPa较为合适；另一方面在锚固剂药卷注装过程中，每注装一节锚固剂药卷，注浆管需退出4～5 cm。②预应力锚杆杆体安装采用人工配合吊车安装，只要吊车顶推和人工辅助操作协调配合，保证锚杆穿插角度与孔向一致、缓慢顺直插入，即可避免锚杆被推弯曲变形、孔内浆体剧烈扰动流失或杆头错误顶压造成孔壁坍塌，从而导致安装失败，否则将重新清孔返工。

5结语

(1)本次工艺试验成果证明：针对设计规格为φ32，L=9 m，T=150 kN的预应力锚杆，选用MJK4型锚固剂药卷作内锚段材料完全能够满足张拉力要求，建议内锚段长度按3 m用于实际施工。

(2)实际施工中，预应力锚杆采用多臂钻造孔，采用φ64钻头。考虑到实际孔径略大于钻头直径，将锚固剂药卷用量定为73支。

(3)内锚段采用风枪注装锚固剂药卷、自由段采用注浆机注入砂浆的工艺，经PVC管模拟试验和现场工艺试验效果检查，密实度均超过90%，满足设计技术要求，说明该注浆工艺有效可靠。

(4)当采用一次注浆工艺时，必须控制内外凝结时间差。通过对MJK4型锚固剂药卷及缓凝砂浆的室内试验，内锚段采用的MJK4型锚固剂药卷初凝时间为38 min，终凝时间为61 min，6 h抗压强度达24.4 MPa；而缓凝砂浆的初凝时间大于9 h，因此建议实际施工中锚杆安装后7～9 h张拉，可满足张拉锚杆的施工要求及有关技术要求。

(5)当采用二次注浆工艺时，只需控制锚杆安装后8 h以上张拉即可，但须考虑在柱状节理区、Ⅳ类围岩区及时形成预应力，确保预锚支护效果，而不宜放置过长时间，应适时张拉锚固并灌注自由段砂浆。

(6)将两种工艺相比较后得知：一次注浆工艺张拉时间区间较窄，因此，从有利于工序衔接控制、确保施工质量角度考虑，建议优先采用二次注浆工艺。

陈斌(1987-)，男，湖北宜昌人，助理工程师，学士，从事水利水电工程施工技术和管理工作；

朱毓杰(1986-)，男，吉林榆树人，工程师，学士，从事水利水电工程建设技术与管理工作；

刘宁(1981-)，男，河北石家庄人，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

新疆将投资354亿元打造“疆电外送”基地

“十三五”期间，国家电网新疆电力公司将投资354亿元，把天山北坡的昌吉打造成新疆最大的“疆电外送”基地，加快包括特高压在内的各级电网建设。国网新疆电力公司日前与昌吉回族自治州人民政府签署电网建设发展合作备忘录，规划在“十三五”期间投资354亿元，在当地建设准东—华东、淮东—成都两项±1 100 kV特高压直流输电工程发电基地，使当地电力外送能力合计达2 400万kW，直接拉动投资2 000亿元左右。到“十三五”末，新疆电力公司将在昌吉建成±1 100 kV换流站2座、750 kV变电站4座、220 kV变电站27座和110 kV变电站74座，大幅提升换流容量和变电容量。此外，这些工程不仅让疆电接收端和沿线省份受益，还将提升当地及周边地区电网运行的稳定程度，带动各族群众就业，增加税收反哺当地经济发展。“十二五”期间，“疆电外送”多个通道的建成投运提高新疆GDP约1.5个百分点。

收稿日期:2015-07-10

文章编号:1001-2184(2015)04-0046-04

文献标识码:B

中图分类号:TV7;TV554;TV546

作者简介: