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关键词：预应力锚固；无粘结锚索；船闸；高边坡；三峡水电站
摘 要：三峡双线连续五级永久船闸，充分利用三峡花岗岩高强度的条件，闸室采用锚固于岩石直立边坡上的混凝土薄衬砌墙结构，使边坡岩体成为结构的组成部分。为提高边坡岩体的稳定性，共使用了229束1 000 kN和3 975束3 000 kN的预应力锚索对边坡岩体进行加固，并安装了113台锚索测力计对锚索的受力状态进行监测，在使用锚索的数量及安装测力计台数上均属世界少有。三峡船闸高边坡预应力锚索的结构特点、施工工艺控制、加固效果分析及新型无粘结锚索试验研究与开发等锚固技术的应用成果具有推广价值。
1工程简介
长江三峡水利枢纽双线连续五级永久船闸位于长江左岸，主体段长1 617 m，总水头113 m。船闸修建于花岗岩山体中，两侧形成人工开挖岩质高边坡，边坡开挖坡高一般为100～160 m，最大为170 m，闸室边墙部位为50～70 m的直立坡，两线船闸间保留了高50～70 m、宽55～57 m的岩体中间隔墩。船闸充分利用三峡花岗岩高强度的条件，闸室锚固于岩石直立边坡上，为混凝土薄衬砌墙结构。
由于船闸边坡岩体开挖后引起约5～10 MPa的地应力释放，使船闸边坡表层，特别是中隔墩及直立坡中上部形成一定范围的塑性区。塑性区岩体随着卸荷岩体中的原生裂隙出现张开和延伸变形，使岩体的整体力学性状下降。同时，在船闸闸槽开挖过程中，由于岩体中断层和裂隙的切割，在4个直立坡面共形成790个潜在不稳定块体，其中大于100 m3的317个，大于1 000 m3的52个。
为增加船闸高边坡的整体稳定性，改善边坡岩体的受力条件，布置了229束1 000 kN级、1937束3 000 kN级系统锚索对边坡的塑性区进行加固；布置了1621束3 000 kN级随机锚索对边坡块体进行加固；布置了121束3 000 kN级结构锚索对闸首支持体进行加固。并给选出的103束锚索安装了113台测力计，以监测船闸区锚索预应力状态及船闸边坡的稳定性［１］。船闸边坡锚索加固典型断面见图1［２］。
三峡船闸高边坡锚固工程浩大，锚索结构形式及施工工艺直接关系到工程进度和造价。为此，设计单位在船闸边坡施工初期开展了大规模的现场和室内岩锚试验，对锚索结构、防腐措施及施工工艺等进行了全面、系统的研究。最后，根据船闸边坡的结构特点，确定不同部位采用不同结构形式的锚索。
2锚索布置及结构特点
2.1锚索布置
船闸南、北坡170 m高程以上为缓坡，部分马道部位存在少量塑性区，布置1～2排系统锚索，其中1 000 kN端头锚索225束、3 000 kN端头锚索203束。170 m高程以下南、北直立坡和中隔墩塑性区相对较大，布置2排3 000 kN系统对穿锚索，其中南、北坡与岩体深部的排水洞对穿，中隔墩两侧对穿。南、北直立坡和中隔墩的潜在不稳定块体多采用3 000 kN端头锚索，少量为对穿锚索，这些部位锚索均为全长粘结结构，但监测锚索为无粘结结构(带自由变形段)。
在闸首混凝土与支持体岩体之间采用带自由变形段的3 000 kN无粘结锚索加固。
2.2 1 000 kN级全长粘结端头锚索结构
1 000 kN级端头锚索设计吨位为1 000 kN，超张拉吨位1 150 kN，采用7ø15.4 mm的1 860 MPa级钢绞线，设计强度利用系数为0.55，孔深30～40 m，孔径115 mm，内锚段长5 m。内锚段采用枣核状结构，第1 m设一隔离支架，张拉段每2 m设一隔离支架。内锚段与张拉段间用气囊止浆环隔开，分两期灌注水泥浆。锚索内锚段水泥浆为C35(7 d)，张拉段水泥浆为C25(28 d)；锚墩为方锥台形，采用钢筋混凝土结构，底座尺寸90 cm×90 cm，高70 cm，配5层@614钢筋，混凝土为二级配，C35(7d)，锚墩外的锚具保护混凝土为C25(28 d)。锚具采用OVM7孔锚具。锚索结构见图2。
2.3 3 000 kN级全长粘结端头锚索结构
3 000 kN级端头锚索，是三峡船闸边坡使用量最多的锚索，既有系统锚索，又有块体随机支护锚索，锚索孔深30～60 m，内锚段长8 m，孔径165 mm。锚索设计吨位分3 000 kN和2 750 kN两种，超张拉吨位分别为3 450 kN和3 000 kN，采用19ø15.24 mm的1 860 MPa级钢绞线，设计强度利用系数分别为0.61和0.55。锚墩也为方锥台形，其钢筋混凝土底座尺寸为100 cm×100 cm、高70 cm，配6层@6.16钢筋。锚索内锚段、张拉段水泥浆及锚墩混凝土配合比和设计强度与1 000 kN全长粘结锚索相同。锚具采用OVM19孔锚具。结构见图2。
2.4 3 000 kN级全长粘结对穿锚索结构
3 000 kN对穿锚索两端均设锚墩，只有张拉段，无内锚段。锚索孔深40～60 m，孔径165 mm，每2 m设一隔离支架。墩头结构及张拉段水泥浆设计要求与3 000 kN级端头锚相同。
2.5无粘结监测锚索结构
三峡船闸高边坡的1 000 kN端头监测锚索、3 000 kN端头和对穿监测锚索，除钢绞线改用同级别的无粘结钢绞线及在锚墩处加装测力计外，其他均与同级别全长粘结锚索相同。无粘结钢绞线在原有钢绞线外涂有一层防腐油脂并外套一层PVC塑料套管，因此监测锚索编索时，内锚段部位先进行剥皮并将油脂清洗干净，即内锚段结构与全粘结锚索完全一样。但这类锚索，张拉段钢绞线可在套管内自由变形，因此监测锚索可测量出张拉段范围内岩体变形对锚索受力状态的影响，从而达到对锚固岩体稳定性的监测目的。
2.6闸首无粘结锚索结构
为了提高闸首支持体的稳定安全度，在闸首混凝土与岩体之间专门设计了能适应混凝土与岩体间变形的无粘结锚索；并考虑到闸首闸门交变荷载的作用，外锚头仍采用8 m的粘结段，即该8 m进行剥皮洗油。锚索张拉、注浆后，外端有锚具和8 m粘结段的双重保险作用，其结构见图3。
3锚索施工工艺要求
三峡船闸锚索施工采用图4所示的工艺流程，但对穿锚索无内锚段灌浆工序，无粘结锚索在编索中增加剥皮洗油工序。对其中几个重要工序的要求如下所述。
3.1造孔
三峡船闸边坡锚索孔深一般为30～60 m，1 000 kN孔径为115 mm，3 000 kN孔径为165 mm，要求开孔偏差≤10 cm，孔斜误差≤2%。钻孔完毕后，用高压水将钻孔冲洗干净。对有地质缺陷的部位，还要进行固结灌浆和扫孔。
3.2内锚段及张拉段灌浆
内锚段和张拉段均采用有压循环灌浆法施工。内锚段水泥灌浆采用0.32的水灰比，掺0.7%高效减水剂，8%膨胀剂，灌浆压力0.2～0.3 MPa，进浆管由孔口伸至孔底进浆，回浆管穿过止浆环，管口位于环里侧，以便能将内锚段的水和气排出。张拉段水泥灌浆采用035的水灰比，掺8%膨胀剂，灌浆压力为0.2～0.7 MPa。张拉段进浆管伸至止浆环外侧，回浆管位于孔口，以排出张拉段的水和气。对穿锚索由一端进浆，另一端回浆。进、回浆管均采用25 mm聚乙烯塑料管。灌浆时，要求灌浆量大于理论吃浆量，进、回浆量相等后，屏浆30 min方可结束灌浆。
3.3张拉
锚索张拉过程分预紧和分级张拉两个主要环节。其中预紧采用单绞线小千斤顶循环法，单根绞线预紧吨位为30 kN。每根绞线至少进行两个循环预紧，要求两次预紧伸长值差小于3 mm，且每根钢绞线的伸长值不得小于理论伸长值的10%。否则，进入下一循环继续预紧，直到满足要求才能进入整体张拉。整体张拉时，1 000 kN锚索分4级，3 000 kN锚索分5级。每级稳压7 min后进入下一级张拉，最后一级稳压15 min。要求锚索张拉过程中，锚索伸长量不得小于理论伸长量的95%，不得大于理论伸长量的110%。
张拉分级如下：
4预应力锚索监测资料分析
永久船闸一期工程开挖于1994年4月动工，1995年10月结束，1998年4月完成一期边坡(直立墙以上)锚索施工，1996年初进入二期工程施工，到2001年12月，完成二期边坡锚索施工。船闸高边坡安装的锚索测力计监测资料显示以下结果。
(1)锚索张拉锁定时钢绞线回缩约4 mm，张拉力锁定损失一般在-2%～-5%之间。
(2)预应力锚索张拉锁定后整体上会产生一定的预应力损失，但损失量值不大。预应力损失过程呈3个阶段：①急剧损失期，时间一般为6～15 d，损失值-2%～-5%；②一般损失期，时间在2～6个月，损失值-3%～-5%；③缓慢损失期，一般损失期以后进入缓慢损失期，该期锚索应力趋于稳定，但整体呈下降趋势，下降量为-1%～-3%。锚索安装1年后，平均预应力损失值为-10.48%；预应力损失在-3%～-15%之间的占93.1%，在-15%～-23%之间的占8.5%，锁定后应力增大0%～5%的占3.4%。锚索预应力损失过程典型曲线见图5。
整体上，三峡船闸锚索预应力损失较小，满足工程设计要求。
5双层防护无粘结锚索的试验与开发
5.1 1 000 kN级双层防护无粘结试验锚索
近年来，双层防护无粘结锚索已成为国际上最常用的锚索结构之一，由于其具有适应岩体变形的优点而倍受工程师们的欢迎。但我国在三峡工程建设之前，只有二滩和小浪底两个国际招标工程的国外承包商直接购买德国产品应用过，其他工程还没有应用过带波纹管的双层防护无粘结锚索。为此，三峡现场岩锚试验中专门立项进行了双层防护无粘结端头锚索的现场试验，共布置9束试验锚索。
试验的无粘结端头锚索主要由导向帽、波纹管、无粘结钢绞线、对中隔离架、注浆管、锚具、锚墩、防腐油脂、保护帽及水泥浆组成。锚索设计吨位1 000 kN，超张拉力1 150 kN，孔深30 m孔径125 mm。锚索采用7根国产1 860 MPa级带油脂和塑料套管的无粘结钢绞线。内锚段剥皮5 m，并绑扎成枣核状。整根锚索套塑料波纹管，波纹管内、外均灌注水泥浆，锚索一次注浆至孔口，水泥浆配合比与全长粘结锚索内锚段相同。塑料波纹管由国内开发制造，壁厚1.5 mm，波高5 mm，内径91 mm，外径101 mm，可承外压1.0 MPa。锚索的对中隔离架为聚乙烯塑料制品，也由专门工厂生产。锚索张拉过程与全长粘结锚索相同。锚索张拉锁定后，孔口附近的空隙及防护罩内均灌注防腐油脂永久防护。整个锚索体均达到了双防护，如：内锚段有水泥浆体和波纹管两层防护；张拉段有水泥浆、油脂、套管和波纹管防护；外锚头有油脂和钢罩两层防护。该锚索运行一段时间后，打开防护罩，清除油脂后可重新补偿张拉。
1 000 kN双层防护无粘结锚索现场试验验证显示，试验中设计的锚索结构和施工工艺合理，可适用于三峡船闸的永久支护，但由于国产波纹管和无粘结钢绞线价格偏高，实际施工中未采用。
5.23 000 kN级双层防护无粘结锚索开发
随着我国无粘结钢绞线生产线的增多，无粘结钢绞线的价格已大大降低，同时波纹管的制造技术也日趋完善，成本也降低。为此，设计于1999年8月又开发了与国外先进的双层防护无粘结锚索结构相似的，锚索全长达到双保护的，且适用船闸直立墙部位支护的3 000 kN级无粘结端头锚和对穿锚索。
新开发的无粘结端头锚索体系结构特点及防护措施如下：①保持三峡船闸3 000 kN级全长粘结锚索165 mm孔径、锚墩结构及锚具不变；②采用孔口收缩环，使165 mm孔径锚索孔口段水泥浆厚度达到20 mm，满足《SL212—98水工预应力锚固设计规范》的要求；③对中隔离支架采用新开发的塑料制品，使编索和穿索更为方便；④采用环氧砂浆封堵技术，以解决端头锚内锚段波纹管端头封堵问题；⑤在孔口管外侧涂包环氧玻璃丝布，锚具外侧金属表面涂刷环氧树脂，以提高孔口段的防腐性能；⑥开发的蜂窝状孔口阻塞器，可解决端头锚水平孔有压灌浆的问题。
新开发的3 000 kN无粘结锚索体系有如下优点：①对钢绞线具有双重保护措施(张拉段有油脂塑料套管和水泥浆保护，内锚段有波纹管和水泥浆保护)，耐久性得到提高；②采用带油脂和套管的无粘结钢绞线，锚索张拉段适应围岩变形，使锚索体的抗变形能力提高。结构见图6。
6结语
(1)三峡船闸边坡为高强度的花岗岩，锚索张拉锁定后，锚固体变形基本完成，采用水泥浆防腐的全长粘结式锚索结构；而闸首支持体加固锚索，由于混凝土与岩体之间可能产生变形，故采用带自由变形段的无粘结结构，并考虑到闸首闸门交变荷载的作用，外锚头仍采用8 m的粘结段起双重保险作用；而监测锚索采用带自由变形段的无粘结结构，并在锚头部位安装测力计，既可测量锚索产生的预应力损失，又可监测锚固范围内岩体不利变形，并起到监测锚固岩体稳定性的作用。三峡船闸加固锚索，针对不同的加固对象，采用不同的锚索结构锚固的设计方法值得借鉴。特别是闸首结构锚索，两端为粘结段，中间为自由段，特点非常突出。
(2)三峡船闸加固锚索，多为水平孔，锚索内锚段和张拉段均采用孔底进浆、孔口出浆的孔内有压循环灌浆，内锚段与张拉段之间的止浆环止浆；锚索止浆环结构设计合理，止浆作用可靠，成功地解决了水平孔注浆密实性问题。
(3)船闸的86台锚索测力计监测资料显示，锚索张拉锁定后，整体上会产生一定的预应力损失，但整体预应力损失较小，满足工程设计要求。
(4)三峡工程成功进行了1 000 kN级双层防护(带波纹管)的无粘结锚索现场试验，并在此基础上，开发出具有双层防护的3 000 kN级端头无粘结锚索和对穿无粘结锚索，已应用于清江水布垭枢纽马崖高边坡的支护和三峡库区滑坡治理。该类锚索结构先进，比较适合我国的国情，值得推广。
参考文献
［1］高大水.三峡永久船闸高边坡锚索预应力状态监测分析［J］.岩石力学与工程学报，2001，(3)
［2］宋维邦.三峡工程技术丛书 三峡工程永久通航建筑物研究［M］.武汉：湖北科技出版社，1997
［3］二滩水电开发公司岩土工程安全监测手册［S］.北京：中国水利水电出版社，1999
［4］夏熙伦.工程岩石力学［M］.武汉：武汉工业大学出版社，1998
［5］刘宁，高大水，戴润泉，等.岩土预应力锚固技术应用及研究［M］.武汉：湖北省科学技术出版社，2002
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