预应力锚索在高拱坝小湾水电站中的优化设计与应用

论文摘要

小湾水电站位于我国云南省西部澜沧江中游,是澜沧江中、下游河段梯级开发的龙头水库和巨型电站。它是以发电为主、兼有综合利用效益的水力发电枢纽工程,是我国西部大开发的十大标志性工程之一。小湾水电站枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝工程、泄洪洞工程和引水发电地下厂房工程三部分组成。另还有两条导流洞和上、下游土石围堰。小湾水电站工程规模巨大,施工技术难度甚高,绝大多数施工部位都不同程度存在边坡高、跨度宽、推力大、应力集中等因素,要确保工程的顺利实施、安全及永久性,需用预应力锚索进行锚固。预应力锚索作为一种永久加固的手段,是小湾左右岸边坡、整个厂房洞室、坝后抗力体以及挡水大坝加固工程中的主体工程之一。尤其左右岸边坡开挖高达700m,工程地质条件复杂,且两岸堆积体广泛分布、卸荷裂隙发育,大部分开挖边坡的安全稳定性需要用锚固工程来支持和保证,边坡锚索支护数量巨大,设计总量达到10192束。预应力锚索作为一种永久加固的手段,是小湾左右岸边坡乃至整个电站边坡护坡加固工程中的主体工程。在收集归纳大量已有预应力锚索优化设计成果的基础上,以小湾电站边坡锚索为研究对象,针对各个施工时段、施工部位及各个施工过程中的预应力锚索加固处理的不同问题,即预应力锚索结构形式多样、吨位级别不同、施工工艺不同的特点,对预应力锚索的主要类型、受力特点和作用机理进行研究分析。其研究思路为：通过一定的条件假设,建立边坡失稳分析的简化模型,一方面给出优化参数的统一定义方法,另一方面详细分析各个参数之间的关系及其设计敏感度,并通过提出优化评估指标,结合经济效益和施工便利,进一步探讨初步优化原理,以期对预应力锚索优化设计统一理论的建立提供启示。进而通过一定的优化设计试验,把预应力锚索的优化设计方法应用于小湾水电站的实际工程中去。采用室内模拟试验和现场生产试验相结合的研究方法,对用于此水电站中施工的锚索进行了研究,总结了各类锚索的适应特点,探讨了适合小湾电站复杂地质情况的各种内锚固段形式。研究中分别对拉力型、拉力分散型、压力分散型和拉压分散型锚索开展了试验,以满足小湾电站不同部位、不同地层结构对内锚固段结构型式的适应性要求。通过这些研究与试验得出以下结论：普通拉力型内锚固段的应力测试成果表明,随着锚索张拉荷载的增加,内锚固段内钢绞线的应力逐渐向深部传递,荷载越高,应力传递深度越深；钢绞线的应力随着锚固深度的增加而迅速衰减。拉力分散型锚索在内锚固段钢绞线分散布置,将锚索张拉荷载分散传递到内锚固段的不同深度处,可以有效地减小浆体顶部拉应力集中现象,但拉力分散型锚索钢绞线锚固深度为普通拉力型的2倍。拉压分散型锚索各锚板荷载不均匀性在0.89-1.08之间,各锚板处钢绞线伸长量几乎相等,表明各锚板受力均匀,而且锚固荷载后期损失也较小,说明其锚固是稳定、可靠的,另外,锚固段浆体承受压应变,与拉力型锚索内锚固段相比,该型式锚索具有更大的超载力；另外,在相同孔深和相同钢绞线长度的情况下,拉压复合型和压力分散型锚索自由段长度增加了,该锚索适应边坡岩体变形的能力更强。试验成果表明,右岸C区1465m以上堆积体部位锚索,虽然内锚固段部位岩体相对破碎,但不论采用何种型式的锚索,均能满足右岸C区1465m以上堆积体1800KN锚索设计锚固参数要求,但普通拉力型具有锚索结构型式简单、锚索成本相对较低、张拉速度快,以利加快锚索施工进度,可优先考虑采用普通拉力型锚索。小湾电站两岸坝址区地质条件复杂,拉力分散型锚索、拉压复合型锚索和压力分散型作为普通拉力锚索的补充,对于内锚固段部位处岩体质量较差,可采用拉压复合型或压力分散型锚索,以达到设计锚固参数要求。关于内锚固段结构形式,本次试验进行了普通拉力型、拉力分散型、拉压复合型和压力分散型四种形式的试验。普通拉力型锚索为目前广泛采用的锚固形式,结构简单,施工张拉方便,成本低,自由段全黏结形式和无黏结形式均可采用,但内锚固段拉压力集中,对内锚固段岩石质量要求较高,适用于内锚固段地质条件较好的岩体中的预应力锚固。拉力分散型锚索使用PE套保护的无黏结钢绞线,内锚固段钢绞线的PE套在不同位置剥离,将张拉荷载分散传递到内锚固段的不同深度处,减少普通拉力型锚索内锚固段的应力集中现象,但内锚固段相应较长。拉压复合型和压力分散型锚索结构形式大致相同,采用承压板和挤压头,使内锚固段浆体承受压应力。这一应力特性,表现了拉压复合型和压力分散型锚索与普通拉力型和压力分散型锚索内锚固段受力有本质的不同,由于浆体受压应力,改变了内锚固段的受力条件可有效提高锚固效果,同时对内锚固段岩石的质量要求相对较低,适应于内锚固段岩石较差部位的锚索施工。但也相应增大了内锚固段长度和锚固配件,加大了锚索成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究思路、研究内容及技术路线
• 第2章 预应力锚索的优化设计研究
• 2.1 预应力锚索优化设计主导参数的确定
• 2.2 预应力锚索加固设计优化分析
• 2.2.1 最大抗滑力及设计敏感度分析
• 2.2.2 经济锚固角及优化指标分析
• 2.3 预应力锚索加固设计结论和建议
• 第3章 预应力锚索在小湾水电站的优化 #11设计研究与试验
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 基本概况
• 3.1.2 地形地貌
• 3.2 锚索结构型式
• 3.2.1 普通拉力型锚索
• 3.2.2 荷载分散型锚索
• 3.3 对内锚固段长度优化设计的实验研究
• 3.3.1 试验目的
• 3.3.2 试验布置和测试内容
• 3.3.3 测试方法
• 3.3.4 钢绞线力学性能检验与标定
• 3.3.5 张拉试验测试成果
• 3.3.6 各种锚索性能比较浅析
• 第4章 预应力锚索在小湾水电站的应用
• 4.1 左右岸边坡预应力锚索施工
• 4.1.1 预应力锚索施工设计
• 4.1.2 预应力锚索施工流程
• 4.1.3 钻孔
• 4.1.4 锚索制作与安装
• 4.1.5 锚索灌浆与锚墩施工
• 4.1.6 张拉
• 4.1.7 锚索永久保护
• 4.1.8 结语
• 4.2 大坝贴角预应力锚索施工
• 4.2.1 工程概况
• 4.2.2 锚索造孔及排渣
• 4.2.3 预应力锚索体制作与安装
• 4.2.4 锚索注浆及锚墩制作
• 4.2.5 锚索张拉
• 4.2.6 外锚固段灌浆及外锚头保护
• 4.3 大坝闸墩预应力锚索施工
• 4.3.1 锚索钢套管安装
• 4.3.2 锚墩钢筋制作及锚垫板安装
• 4.3.3 施工平台的搭设
• 4.3.4 锚索体制作与安装
• 4.3.5 锚索注浆
• 4.3.6 锚索张拉
• 4.3.7 外锚头保护
• 结论
• 致谢
• 参考文献