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摘要: 水利水电工程锚索支护区域地质条件大多较为复杂, 锚索施工难度较大。该文结合复杂地层预应力锚索工程实践, 着重对水利水电工程复杂地层锚索的成孔技术及压力分散型锚索进行介绍, 以期对类似工程施工提供参考。
关键词: 复杂地层; 成孔技术; 压力分散型锚索; 水电水利工程
前言
近年来, 预应力锚固技术被广泛应用于水利水电工程中, 在高陡边坡、地下洞室、大坝基础、大型弧门闸墩、压力隧洞环锚式预应力衬砌以及其他水工建筑物等的加固工程中, 均取得良好的应用效果。
水利水电工程大多建坝于高山峡谷, 两岸边坡陡峭, 岩体风化卸荷强烈, 地质条件大多较为复杂。为确保边坡、构筑物的安全稳定, 预应力锚索支护方式被广泛采用。复杂的地质条件和环境, 使得预应力锚索施工难度较大, 且对锚索锚固段应力状况及防腐能力也提出了要求。结合复杂地层预应力锚索工程实践, 本文着重对水利水电工程复杂地层锚索的成孔技术及压力分散型锚索的探索研究情況进行总结介绍, 为今后类似工程施工提供经验与借鉴。
1 复杂地层锚索成孔技术研究
锚索施工的第一步是成孔。就岩体锚固工程而言,在岩体风化、卸荷程度较轻的地层条件下, 锚索孔采用锚固钻机及空压机带动风动冲击器及合金钻头进行冲击回转钻进成孔的过程中, 掉块卡钻情况较少, 钻进效果较好。
对于坡积体、堆积体、覆盖层、全风化岩体等复杂地层, 成孔过程中, 掉块卡钻严重, 起钻塌孔, 成孔难度极大。锚索孔的成孔质量及效率成为影响锚索施工进度的重要因素。
1．1复杂地层锚孔成孔难点分析
1）掉块卡钻。锚索孔孔径较大时, 钻头直径与钻杆直径相差较大, 造成间隙大, 遇破碎带掉块时易卡钻, 处理事故难度大、成本高、时间长。
2）起钻塌孔。严重破碎孔段, 拔出钻具后, 孔壁岩块垮塌, 堵塞孔道, 需重新破碎后方可朝前钻进, 多次反复进行, 进度慢、效率低, 钻具磨损亦大。
3）摩擦阻力大。掉块卡钻, 增大了钻杆和钻头的回转阻力和提钻阻力, 相应地需要钻机能提供较大扭矩和提升力, 对钻杆、钻头的强度也提出了更高的要求。
4）排渣困难。遇较大裂隙孔段, 或者深孔、大口径孔, 将面临排渣困难的情况。
1．2 复杂地层成孔工艺方法
复杂地层锚索孔成孔施工中, 根据孔壁坍塌、岩体破碎情况, 采取套管或灌浆等方法护壁, 按照合理设计的钻孔结构进行钻进, 在施工实践中取得了满意的效果。
( a)同心跟管护壁
( b )偏心跟管护壁
图1套管护壁钻具结构示意
套管护壁方法包括同心跟管护壁、偏心跟管护壁等(如图1), 多用于锚孔遇浅表部覆盖层、全强风化岩体孔壁易坍塌时护壁。灌浆护壁方法包括固壁灌浆、超前固结灌浆等, 多用于锚孔中深部遇岩体破碎、严重失水及漏风或地下水渗漏严重钻进受阻时护壁。
1．3 复杂地层成孔设备机具分析选择
在复杂地层中施工锚索时, 将面临掉块卡钻、起钻塌孔、排渣困难、摩擦阻力大等一系列问题, 这对钻机等设备的能力提出了更高的要求, 因此选择适宜的成孔设备十分重要。
进口钻机配备的功率大, 但设备重量大、价格高, 同时由于国内与国外在边坡开挖支护方法上的差异, 使得进口钻机难以满足国内客户的要求。为此, 国内钻机厂商根据国内施工实际情况, 在钻机功率、钻机结构、钻机主要部件等方面进行了合理调整, 使国产液压钻机成为岩土锚固工程施工的主力钻机。YG - 80、MGY l00A、YG - 100 型等液压锚固钻机, 由液压泵站、操作台、主机等组成, 电机功率在30kW 及以上、扭矩在3000N# m以上, 液压泵及液压马达采用进口件或采用国外先进技术的国产件, 具有分体搬迁灵活、操作方便、钻进能力强等特点, 适宜于管架平台上进行施工作业, 切实地满足了现场施工实际需要。
经施工实践, 采用ZDT系列同心跟管钻具、ZDP系列偏心跟管钻具、同径粗径钻具、扶正器、钻杆体焊螺旋片、防卡器以及对心喷射灌浆钻具等适用于复杂地层的器具, 取得了令人满意的钻进效果。
1．4 典型复杂地层锚孔成孔实践
某一级电站左岸导流孔出口部位边坡锚索施工,针对该部位锚孔排渣困难、易发生掉块卡钻事故、钻进摩擦阻力大等施工难点, 选用国产大功率液压钻机, 采用粗径钻具及扶正器、防卡器等系列钻具组合使用, 按预定计划完成锚孔施工任务, 达到了设计要求。
某电站2号山梁堆积体主要为块石、特大孤石夹碎石质土或碎石层或砂质粉土。边坡支护难度大, 特别是堆积土锚索的施工难度, 严重影响边坡支护和开挖工程施工进度。经研究试验采用168 偏心跟管成孔工艺, 最大跟管深度为58.6m, 平均跟管深度为38.7m, 解决了堆积体成孔难题, 实现了高效快速成孔。官地水电站左岸缆机平台边坡涉及的地层主要为
二叠系上统玄武岩组成, 具有硬、脆、碎, 浅表部风化卸荷强烈, 呈散体、碎裂或块裂结构, 以及软硬岩并存等复杂地质条件。在成孔过程中, 掉块、卡钻、塌孔严重, 成孔难度大, 采用跟管成孔工艺与超前固结灌浆相结合的方法给予解决。跟 168 /178套管, 以较快的速度穿越覆盖层, 在破碎、呈散体、碎裂或块裂结构的围岩中,边钻进边提前灌浆固结, 有效稳固孔壁围岩, 利于成孔、声波测试、锚索下索。
2复杂性地层压力分散型锚索的研究与应用
压力分散型锚索是在荷载集中(拉力和压力)型锚索基础发展起来的一种新型单孔复合锚固体系( SBMA法), 其在同一钻孔中安装具有各自不同自由段长度和锚固长度的几个单元锚索, 并且通过预先的补偿张拉将其承受的集中拉力荷载分散为多个相等的较小压力荷载分别作用于各单元锚索的锚固段上, 使锚索锚固段上的粘结应力值大大减小且分布均匀, 从而有效改变了荷载集中型锚索受荷时产生严重的应力集中现象, 使锚索的受力结构更为合理。
2.1结构
组成压力分散型锚索的受力筋是无粘结钢铰线, 注浆体与钢铰线间由PE 管隔离, 不传递剪应力, 钢铰线的端头被挤压套限位于承压板, 把锚索的拉力转换为对注浆体的压力。每个承压板上钢铰线的根数, 由钻孔直径、注浆设计强度和每根钢铰线的设计拉力确定; 承压板的间距由承压板的设计压力、钻孔直径和注浆体与孔壁间的抗剪强度确定; 每根锚索采用的承压板数量由锚索的设计拉力确定。其结构如图2所示:
图2 压力分散型锚索结构示意
2.2 压力分散型锚索的优点
1)锚固段注浆体受力合理
无论是水泥砂浆或是水泥浆, 硬化后都属于脆性材料, 抗压强度高, 抗拉强度低。锚固段注浆体受压剪作用, 由于不受拉力, 不会产生拉裂破坏, 由于受压, 不仅充分利用了注浆体的强度特点, 而且注浆体受压时受孔壁的限制抗压强度还可以提高。
2)锚固段注浆体受力均匀
由于锚索的拉力分散加压于不同深度处的注浆体上, 减小了注浆体的压应力集中, 既避免了注浆体压碎的危险, 也使得锚固段注浆体受力更加均匀。
3)锚索的单孔设计承载力可以很大
据报道目前我国单根锚索最大设计承载力为10MN, 属拉力型锚索。云南漫湾水电站设计有6MN拉力型锚索, 在工程锚索施工前曾做3 根试验锚索,试验后用简单的工具探测到锚固段注浆体破碎深度已达100mm, 锚固段拉裂的深度还要大得多。可以预料, 10MN 锚索锚固段注浆体破坏的深度将会更大, 设计承载力越大, 锚固段破坏的深度越深。如果采用压力分散型锚索, 单孔设计承载力做到10MN 甚至更大, 也不会压碎锚固段注浆体, 无非是承压板多设几级。
2.3压力分散型锚索与拉力型锚索对比试验
为获得不同类型锚索锚固段应力实际分布情况, 为锚型选择提供客观依据, 经过对瀑布沟水电站预应力锚索、紫坪铺水利枢纽工程边坡锚索、锦屏水电站锚索等进行试验。试验结果表明: 1) 拉力型锚索锚固段前端附近的应力测试值很小, 说明该处附近水泥结石体发生了破坏。拉力型锚索锚固段前存在“各个破击”现象及其应力集中的特征。2)压力分散型锚索锚固段应力分布为拉压应力的复合分布, 改善了应力的峰值, 锚固段注浆体受力合理, 应力分布较为均匀, 利于保持锚索的长效锚固。
2.4压力分散型锚索的应用
压力分散型锚索以其诸多的优点, 不仅在岩石边坡锚固工程中得到广泛应用, 在覆盖层、堆积体等复杂地层锚固工程中也得到大量应用。下面是笔者了解了几个工程的应用情况如下：
1) 锦屏水电站一级电站大坝右岸, 工程地质性状差, 岩体呈散体结构为IV – V类围岩, 围岩不稳定。经过2007年10~ 11月在大坝内具有相同地质条件的7号公路7S1~ 7S2之间边坡进行了压力分散型锚索的可靠性试验, 决定选用压力分散型锚索为主的边坡∃深层支护%方式进行永久性支护。
2)云南小湾电站右坝肩堆积体厚达40m 左右, 边坡采用了大量的1 800kN 级锚索进行加固处理。部分锚索采用压力分散型锚索, 孔深为55~ 60m, 采用跟管钻进成孔技术, 有效孔径为 138mm。由于采用全孔一次注浆工艺, 避免了拉力型锚索二次注浆工艺中注浆效果不佳给锚固注浆质量带来的隐患。
3)紫坪铺水利枢纽工程引水发电隧洞进口、溢洪道及右坝肩边坡岩性为砂岩、泥质粉砂岩与煤质页岩互层, 台卸荷水平深度约为40~ 50m, 岩体破碎, 采用压力分散型锚索进行加固处理。
4)长河坝电站1号、2 号导流洞进口地形陡峻, 边坡岩体以块裂结构为主, 浅表部卸荷拉裂明显。采用压力分散型锚索进行支护, 共使用1 000kN 级锚索60根、2 000kN级锚索245根、3 000kN 级锚索377根。在钻孔过程中, 多次遇岩体破碎使钻进受阻, 采取超前固结灌浆等措施进行处理。
5)张峰水库溢洪道整体深层抗滑边坡采用压力分散型大吨位锚索。)云南龙马水电溢洪道边坡支护设计采用100多束压力分散型预应力锚索, 间排距为5m, 长度为40m与35m交错布置。
3 结语
在复杂地层中进行锚索施工, 锚索成孔质量及效率成为影响锚索施工进度的重要因素, 根据孔壁坍塌、岩体破碎情况, 采取套管或灌浆等方法护壁, 并配套选择合适的钻机设备及机具等, 在施工实践中取得了满意的效果。
水利水电工程中边坡问题较为常见, 锚索支护工程量非常大, 但锚索支护区域地质条件大多较为复杂, 不同工程的地质条件差异较大, 预应力锚索施工工艺方法须不断摸索、实践。本文中所总结的已施工工程复杂地层预应力锚索的施工技术, 可为今后类似工程提供参考。
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 复杂地层; 成孔技术; 压力分散型锚索; 水电水利工程
前言
近年来, 预应力锚固技术被广泛应用于水利水电工程中, 在高陡边坡、地下洞室、大坝基础、大型弧门闸墩、压力隧洞环锚式预应力衬砌以及其他水工建筑物等的加固工程中, 均取得良好的应用效果。
水利水电工程大多建坝于高山峡谷, 两岸边坡陡峭, 岩体风化卸荷强烈, 地质条件大多较为复杂。为确保边坡、构筑物的安全稳定, 预应力锚索支护方式被广泛采用。复杂的地质条件和环境, 使得预应力锚索施工难度较大, 且对锚索锚固段应力状况及防腐能力也提出了要求。结合复杂地层预应力锚索工程实践, 本文着重对水利水电工程复杂地层锚索的成孔技术及压力分散型锚索的探索研究情況进行总结介绍, 为今后类似工程施工提供经验与借鉴。
1 复杂地层锚索成孔技术研究
锚索施工的第一步是成孔。就岩体锚固工程而言,在岩体风化、卸荷程度较轻的地层条件下, 锚索孔采用锚固钻机及空压机带动风动冲击器及合金钻头进行冲击回转钻进成孔的过程中, 掉块卡钻情况较少, 钻进效果较好。
对于坡积体、堆积体、覆盖层、全风化岩体等复杂地层, 成孔过程中, 掉块卡钻严重, 起钻塌孔, 成孔难度极大。锚索孔的成孔质量及效率成为影响锚索施工进度的重要因素。
1．1复杂地层锚孔成孔难点分析
1）掉块卡钻。锚索孔孔径较大时, 钻头直径与钻杆直径相差较大, 造成间隙大, 遇破碎带掉块时易卡钻, 处理事故难度大、成本高、时间长。
2）起钻塌孔。严重破碎孔段, 拔出钻具后, 孔壁岩块垮塌, 堵塞孔道, 需重新破碎后方可朝前钻进, 多次反复进行, 进度慢、效率低, 钻具磨损亦大。
3）摩擦阻力大。掉块卡钻, 增大了钻杆和钻头的回转阻力和提钻阻力, 相应地需要钻机能提供较大扭矩和提升力, 对钻杆、钻头的强度也提出了更高的要求。
4）排渣困难。遇较大裂隙孔段, 或者深孔、大口径孔, 将面临排渣困难的情况。
1．2 复杂地层成孔工艺方法
复杂地层锚索孔成孔施工中, 根据孔壁坍塌、岩体破碎情况, 采取套管或灌浆等方法护壁, 按照合理设计的钻孔结构进行钻进, 在施工实践中取得了满意的效果。
( a)同心跟管护壁
( b )偏心跟管护壁
图1套管护壁钻具结构示意
套管护壁方法包括同心跟管护壁、偏心跟管护壁等(如图1), 多用于锚孔遇浅表部覆盖层、全强风化岩体孔壁易坍塌时护壁。灌浆护壁方法包括固壁灌浆、超前固结灌浆等, 多用于锚孔中深部遇岩体破碎、严重失水及漏风或地下水渗漏严重钻进受阻时护壁。
1．3 复杂地层成孔设备机具分析选择
在复杂地层中施工锚索时, 将面临掉块卡钻、起钻塌孔、排渣困难、摩擦阻力大等一系列问题, 这对钻机等设备的能力提出了更高的要求, 因此选择适宜的成孔设备十分重要。
进口钻机配备的功率大, 但设备重量大、价格高, 同时由于国内与国外在边坡开挖支护方法上的差异, 使得进口钻机难以满足国内客户的要求。为此, 国内钻机厂商根据国内施工实际情况, 在钻机功率、钻机结构、钻机主要部件等方面进行了合理调整, 使国产液压钻机成为岩土锚固工程施工的主力钻机。YG - 80、MGY l00A、YG - 100 型等液压锚固钻机, 由液压泵站、操作台、主机等组成, 电机功率在30kW 及以上、扭矩在3000N# m以上, 液压泵及液压马达采用进口件或采用国外先进技术的国产件, 具有分体搬迁灵活、操作方便、钻进能力强等特点, 适宜于管架平台上进行施工作业, 切实地满足了现场施工实际需要。
经施工实践, 采用ZDT系列同心跟管钻具、ZDP系列偏心跟管钻具、同径粗径钻具、扶正器、钻杆体焊螺旋片、防卡器以及对心喷射灌浆钻具等适用于复杂地层的器具, 取得了令人满意的钻进效果。
1．4 典型复杂地层锚孔成孔实践
某一级电站左岸导流孔出口部位边坡锚索施工,针对该部位锚孔排渣困难、易发生掉块卡钻事故、钻进摩擦阻力大等施工难点, 选用国产大功率液压钻机, 采用粗径钻具及扶正器、防卡器等系列钻具组合使用, 按预定计划完成锚孔施工任务, 达到了设计要求。
某电站2号山梁堆积体主要为块石、特大孤石夹碎石质土或碎石层或砂质粉土。边坡支护难度大, 特别是堆积土锚索的施工难度, 严重影响边坡支护和开挖工程施工进度。经研究试验采用168 偏心跟管成孔工艺, 最大跟管深度为58.6m, 平均跟管深度为38.7m, 解决了堆积体成孔难题, 实现了高效快速成孔。官地水电站左岸缆机平台边坡涉及的地层主要为
二叠系上统玄武岩组成, 具有硬、脆、碎, 浅表部风化卸荷强烈, 呈散体、碎裂或块裂结构, 以及软硬岩并存等复杂地质条件。在成孔过程中, 掉块、卡钻、塌孔严重, 成孔难度大, 采用跟管成孔工艺与超前固结灌浆相结合的方法给予解决。跟 168 /178套管, 以较快的速度穿越覆盖层, 在破碎、呈散体、碎裂或块裂结构的围岩中,边钻进边提前灌浆固结, 有效稳固孔壁围岩, 利于成孔、声波测试、锚索下索。
2复杂性地层压力分散型锚索的研究与应用
压力分散型锚索是在荷载集中(拉力和压力)型锚索基础发展起来的一种新型单孔复合锚固体系( SBMA法), 其在同一钻孔中安装具有各自不同自由段长度和锚固长度的几个单元锚索, 并且通过预先的补偿张拉将其承受的集中拉力荷载分散为多个相等的较小压力荷载分别作用于各单元锚索的锚固段上, 使锚索锚固段上的粘结应力值大大减小且分布均匀, 从而有效改变了荷载集中型锚索受荷时产生严重的应力集中现象, 使锚索的受力结构更为合理。
2.1结构
组成压力分散型锚索的受力筋是无粘结钢铰线, 注浆体与钢铰线间由PE 管隔离, 不传递剪应力, 钢铰线的端头被挤压套限位于承压板, 把锚索的拉力转换为对注浆体的压力。每个承压板上钢铰线的根数, 由钻孔直径、注浆设计强度和每根钢铰线的设计拉力确定; 承压板的间距由承压板的设计压力、钻孔直径和注浆体与孔壁间的抗剪强度确定; 每根锚索采用的承压板数量由锚索的设计拉力确定。其结构如图2所示:
图2 压力分散型锚索结构示意
2.2 压力分散型锚索的优点
1)锚固段注浆体受力合理
无论是水泥砂浆或是水泥浆, 硬化后都属于脆性材料, 抗压强度高, 抗拉强度低。锚固段注浆体受压剪作用, 由于不受拉力, 不会产生拉裂破坏, 由于受压, 不仅充分利用了注浆体的强度特点, 而且注浆体受压时受孔壁的限制抗压强度还可以提高。
2)锚固段注浆体受力均匀
由于锚索的拉力分散加压于不同深度处的注浆体上, 减小了注浆体的压应力集中, 既避免了注浆体压碎的危险, 也使得锚固段注浆体受力更加均匀。
3)锚索的单孔设计承载力可以很大
据报道目前我国单根锚索最大设计承载力为10MN, 属拉力型锚索。云南漫湾水电站设计有6MN拉力型锚索, 在工程锚索施工前曾做3 根试验锚索,试验后用简单的工具探测到锚固段注浆体破碎深度已达100mm, 锚固段拉裂的深度还要大得多。可以预料, 10MN 锚索锚固段注浆体破坏的深度将会更大, 设计承载力越大, 锚固段破坏的深度越深。如果采用压力分散型锚索, 单孔设计承载力做到10MN 甚至更大, 也不会压碎锚固段注浆体, 无非是承压板多设几级。
2.3压力分散型锚索与拉力型锚索对比试验
为获得不同类型锚索锚固段应力实际分布情况, 为锚型选择提供客观依据, 经过对瀑布沟水电站预应力锚索、紫坪铺水利枢纽工程边坡锚索、锦屏水电站锚索等进行试验。试验结果表明: 1) 拉力型锚索锚固段前端附近的应力测试值很小, 说明该处附近水泥结石体发生了破坏。拉力型锚索锚固段前存在“各个破击”现象及其应力集中的特征。2)压力分散型锚索锚固段应力分布为拉压应力的复合分布, 改善了应力的峰值, 锚固段注浆体受力合理, 应力分布较为均匀, 利于保持锚索的长效锚固。
2.4压力分散型锚索的应用
压力分散型锚索以其诸多的优点, 不仅在岩石边坡锚固工程中得到广泛应用, 在覆盖层、堆积体等复杂地层锚固工程中也得到大量应用。下面是笔者了解了几个工程的应用情况如下：
1) 锦屏水电站一级电站大坝右岸, 工程地质性状差, 岩体呈散体结构为IV – V类围岩, 围岩不稳定。经过2007年10~ 11月在大坝内具有相同地质条件的7号公路7S1~ 7S2之间边坡进行了压力分散型锚索的可靠性试验, 决定选用压力分散型锚索为主的边坡∃深层支护%方式进行永久性支护。
2)云南小湾电站右坝肩堆积体厚达40m 左右, 边坡采用了大量的1 800kN 级锚索进行加固处理。部分锚索采用压力分散型锚索, 孔深为55~ 60m, 采用跟管钻进成孔技术, 有效孔径为 138mm。由于采用全孔一次注浆工艺, 避免了拉力型锚索二次注浆工艺中注浆效果不佳给锚固注浆质量带来的隐患。
3)紫坪铺水利枢纽工程引水发电隧洞进口、溢洪道及右坝肩边坡岩性为砂岩、泥质粉砂岩与煤质页岩互层, 台卸荷水平深度约为40~ 50m, 岩体破碎, 采用压力分散型锚索进行加固处理。
4)长河坝电站1号、2 号导流洞进口地形陡峻, 边坡岩体以块裂结构为主, 浅表部卸荷拉裂明显。采用压力分散型锚索进行支护, 共使用1 000kN 级锚索60根、2 000kN级锚索245根、3 000kN 级锚索377根。在钻孔过程中, 多次遇岩体破碎使钻进受阻, 采取超前固结灌浆等措施进行处理。
5)张峰水库溢洪道整体深层抗滑边坡采用压力分散型大吨位锚索。)云南龙马水电溢洪道边坡支护设计采用100多束压力分散型预应力锚索, 间排距为5m, 长度为40m与35m交错布置。
3 结语
在复杂地层中进行锚索施工, 锚索成孔质量及效率成为影响锚索施工进度的重要因素, 根据孔壁坍塌、岩体破碎情况, 采取套管或灌浆等方法护壁, 并配套选择合适的钻机设备及机具等, 在施工实践中取得了满意的效果。
水利水电工程中边坡问题较为常见, 锚索支护工程量非常大, 但锚索支护区域地质条件大多较为复杂, 不同工程的地质条件差异较大, 预应力锚索施工工艺方法须不断摸索、实践。本文中所总结的已施工工程复杂地层预应力锚索的施工技术, 可为今后类似工程提供参考。
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。