U型锚索在构皮滩水电站闸墩锚索中的应用与改进

摘要：本文通过介绍构皮滩水电站中孔闸墩部位U型预应力锚索施工的设备、材料以及施工工艺等，并根据施工实践，在穿索器、连接方式、挤压装置、临时撑脚、真空灌浆等方面进行了技术改进与创新，保证了分束管技术首次在水电站建设中应用成功，解决了整体穿索难题，改善了闸墩受力情况，同时对补偿张拉提出了不同的见解。

关键词：U型锚索分束管穿索器挤压装置真空灌浆补偿张拉

1、 工程概况

按照设计要求，构皮滩水电站大坝1#~7#中孔闸墩布置预应力锚索，以满足结构受力的要求。每个中孔闸墩的预应力锚索的均分为主锚索（350t，23股）和次锚索（250t，16股）两种，主锚索布置成U型，每个中孔闸墩布置12束，其中曲线段采用分束管技术；次锚索直线型，每个中孔闸墩布置15束。

2 施工设备与材料

(1)钢绞线：预应力锚索全部采用无粘结双层保护型式。选用江西新华金属制品厂生产的Ф15.20mm，1860级的7Ф5高强度低松弛钢绞线。

(2)预应力锚索的锚具、夹具选用广西柳州欧维姆机械股份有限公司生产的OVM系列产品。

(3)千斤顶张拉设备及真空灌浆泵选用广西柳州欧维姆机械股份有限公司生产的OVM系列产品，千斤顶选用YWC500或YWC400（整体张拉）、YDC240Q-200（单根预紧）两种，真空灌浆泵选用ZKB120型（极限真空9000Pa，功率4.0KW）。

(4)钢管：主锚索预埋钢管采用D219mm×6mm无缝钢管，次锚索采用D168mm×6mm钢管。主锚索弧线段采用25根D30mm×3mm无缝钢管加工成分束管座，分束管座及锥管（长度2.0m，锥底外径219mm，锥顶外径203mm，用6mm厚Q235钢板卷焊加工而成，用于主锚索直线段与钢垫板之间的连接），采用广西柳州欧维姆机械股份有限公司生产的OVM系列定型产品。

3 施工工艺和方法

3.1 钢管、分束管座的安装及预埋

分束管采用整体埋设，埋设前，先在分束管内穿入牵引绳（为避免牵引绳断裂，拟采用直径为8mm的钢丝绳），并将牵引绳的位置进行编号，两端口处用分束板将牵引绳分开，牵引绳的长度大于该束锚索钢绞线的下料长度2~3m。

主锚索的钢管随着混凝土往上浇筑逐节加长，现场焊接。

3.2 钢垫板加工及安装

钢垫板采用Q345B加工，主锚索钢垫板尺寸为480mm×480mm×50mm，中心圆开孔直径191mm，次锚索钢垫板结构尺寸按设计图要求制作。

3.3 钢绞线下料及加工

钢绞线下料有防雨设施的加工厂制作完成。钢绞线下料后，对每束钢绞线进行编号，采用标示牌用细铁丝绑扎在钢绞线上，标示牌采用白铁皮制作，用红油漆标注锚索编号、孔号以及钢绞线的下料日期，避免混淆。

3.4 穿索

(1)主锚索采用单根穿索法穿索，在埋设分束管座时，在分束管的每根小钢管内穿入一根8mm牵引用的钢丝绳，并随着直线段大钢管的连接将牵引绳穿过大钢管，在两端用分束板将牵引绳隔开，并将牵引绳在两端孔口临时固定张紧，以避免牵引绳相互打绞。

(2)使用自制穿索器进行穿索，先将钢绞线端头的6根钢丝用切割机切除，露出50~60mm长的中心钢丝，用LD钢丝墩头器把中心钢丝墩头，再用自制千斤顶挤压装置将钢绞线与牵引绳连接。钢绞线穿过钢管分束器后，外露部分去PE皮。

3.5 锚索张拉

闸墩混凝土达到设计强度后，即可进行张拉，采用分级整体张拉的方式进行锚索的张拉。张拉前对千斤顶、电动油缸、压力表等进行率定，根据率定结果，绘制张拉吨位与压力表读数之间的关系线。

锚索张拉时，先对单根钢绞线进行预紧，预紧单根张拉力为30KN，再将所有锚索一起分级张拉至超张拉吨位锁定。张拉时按以下拉力分级进行。

主锚索：逐根预紧（每根30KN）1000KN2000KN3000KN3500KN4025KN（超载锁定）

次锚索：逐根预紧（每根30KN）700KN14000KN2000KN2500KN2875KN（超载锁定）

张拉过程中，主锚索升荷速率每分钟小于350KN，主锚索升荷速率每分钟小于250KN。张拉各级加载稳压前后，均量测钢绞线的伸长值与回缩值，若实测伸长值与理论计算伸长值相差超过±6%时，停止张拉，查明原因并采取有效处理措施。

4.6 锚索真空灌浆

按设计要求，预应力主锚索、次锚索均需采用 真空灌浆工艺进行灌浆处理。灌浆材料采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥、真空灌浆外加剂灌注，浆液的强度等级要求达到M45。

(1)水泥浆液的性能要求：水灰比0.3:1~0.4:1；浆液的泌水性3h≤1%，最大不超过2%，24h为零，之前所泌出的水能够自吸；初凝时间≥3h，终凝时间

先期对7#闸墩锚索进行了锚索真空灌浆，采用0.4:1配比，其中AEA为5%和PCA为2%。1~6#闸墩锚索配比调整为0.38:1，外加剂不变。

表1 真空灌浆水泥浆液配比表

强度等级 水灰比 流动度 PCA(I)

(%) AEA

（%） 单位材料用量（Kg/1000L）

水 水泥 AEA PCA

45M 0.40 13~14 2 5 552 1380 69 27.6

45M 0.38 14～15 2 5 541 1423 71 28.5

(2)真空灌浆施工程序

启动真空泵抽真空，使真空度达到-0.08MPa~-0.1MPa并保持稳定。启动灌浆泵，当灌浆泵输出的浆液达到要求的比重后，将输浆管接到钢板的引出管上，开始灌浆。灌浆过程中真空泵保持连续工作，待真空端的透明网纹管中有水泥浆经过 并进入储浆罐时，关闭阀门，然后关掉真空泵，打开排气阀门，当水泥浆从排气阀顺畅流出，灌浆泵继续工作，并将灌浆压力上升至0.5~0.7MPa，持压1~2min，灌浆结束。

3.7浇筑锚索灌浆完成后，按设计要求浇筑二期混凝土封头。

4、施工中问题与改进

(1）补偿张拉情况

为了验证补偿张拉效果，选取部分锚索进行了补偿张拉。

1）7NC13束补偿张拉采用分级张拉：1700KN2000KN2500KN2875KN，当张拉力达到2880KN时，测量伸长值为25mm，在稳定10min后卸压锁定，通过测力计反映该次补偿张拉锁定值为2641KN，而张拉前锁定值为2591.4KN，通过补偿张拉才提高50.4KN，提高幅度较小，补偿张拉效果不明显。

2）6NC13束补偿张拉采用分级张拉，首先张拉至1524KN时，测量伸长值初始值，张拉至2546KN时再次测量伸长值为2mm，张拉至2911KN时测量伸长值为10mm，稳定10min后卸压锁定，通过测力计反映该次补偿张拉锁定值为2479KN，低于第一次锁定值与设计张拉力，因此没有达到补偿张拉效果，且造成该束锚索只能降级使用的风险。根据计算，该束锚索在张拉值2698KN时，工作锚夹片才松动，孔道内锚索才开始伸长，因此夹片锁定产生的力远大于锚索测力计所反映的锁定力。

（2） 施工中采用工艺及技术创新

构皮滩水电站1~7号中孔闸墩部U型预应力锚索共84束，均采用分束管技术以及预埋牵引绳技术，从穿索情况看，总共预埋2100根牵引绳（每索2根预备），均顺利通过牵引，未发生牵引绳打绞、无法通过等质量事故，成功率100%。。灌浆过程中通过真空泵使孔道内形成负压，灌浆效果好，密实度高。通过构皮滩水电站的应用，该工艺可靠性高，主要技术成果如下：

（1）分束管技术

该技术原主要运用于桥梁建设，但采用百度搜索无法查到该技术名词。分束管技术即在U型预应力锚索弧线段采用与钢绞线相适用的无缝钢管通过焊接形成分束管座，该技术系首次运用于水电站施工中，解决了整体穿索的施工难度，改善了闸墩受力情况。

（2）穿索连接器改进

在原设计中，连接器采用CKQ8AT穿索器，其结构如下：

图1CKQ8AT穿索器

该穿索连接器长度达到23cm，加之钢绞线的刚度，无法充分满足分束管半径为2.04~3.36m的Φ30mm钢管内钢绞线牵引要求，因此该技术成为制约分束管技术能否在水电站中应用的关键因素。

通过多次试验，采用铜焊等措施均无法达到1T以上的牵引力，最终经过试验，将穿索连接器改进为长仅40mm，外径为Φ15mm的新型穿索器，可以任意在分束管内通过，成功解决了在小曲率下分束管技术的运用。

（3）连接方式的改进试验

为了保证穿索连接器的牵引力，进行了如下几项试验：

（1）铜焊连接：即将钢绞线中心钢丝与Φ5mm牵引绳相连，经试验，牵引绳无法满足要求。

1（2）采用Φ5mm牵引绳挤压连接：先进行了Φ5mm牵引绳相连试验，Φ5mm牵引绳与穿索连接器脱离，无法满足要求。

（4）千斤顶挤压装置的加工

穿索连接器设计加工完成后，采用焊接与冷镦等方式都无法满足牵引要求，后经过采用千斤顶与底座、卡片等联合作用进行挤压，使连接器变形将牵引绳卡死，这样钢绞线、连接器、牵引绳连成整体。

（5）临时撑脚的取消

根据设计要求，U型锚索穿索完成后，需采用临时撑脚与锚具将每一钢绞线进行预拉绷直并临时固定，以防止与其它钢绞线打绞，每根钢绞线的预拉力可取15KN。在张拉时，再将临时撑脚进行拆除。

施工过程中根据钢绞线的自身强度以及穿索时采用钢管焊接的分离器将钢绞线按照张拉的顺序进行编排固定，取消临时撑脚固定以及预紧工序，提高施工工效。以下为原设计支撑方式与更改后的钢绞线分离装置。

图2原设计临时撑脚安装示意图与修改后的安置图

（6）真空灌浆技术

根据设计技术指标选择多种材料进行了试验真空灌浆浆液的配比试验，使其具有流动性好，解决了后张预应力的关键技术问题，增加了后张预应力混凝土结构的安全度和耐久性，从而延长了建筑物的使用寿命，具有很高的经济效益及长远的社会效益。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。