大型水利水電工程錨固系統運行狀況分析

裴書鋒,郝文鋒,樊義林,陳 浩,李文濤

(1.華北水利水電大學 地球科學與工程學院,鄭州 450046; 2.中國長江三峽集團有限公司 博士后工作站,武漢 430010; 3.長江生態環保集團有限公司,武漢 430062; 4.中國三峽建工(集團)有限公司,成都 610000)

0 引 言

錨索(桿)已經成為我國水利水電工程高邊坡、地下洞室等工程部位結構加固的主要手段,中國長江三峽集團公司所屬的三峽、向家壩、溪洛渡、白鶴灘和烏東德水電站主體工程累計使用錨索約8.57萬束、錨桿約957萬根,錨索(桿)的長期有效運行直接影響電站運行安全。開展錨固系統(錨索和錨桿)長期有效運行及安全研究,對于確保水電站長期運行安全有著重大意義。

國內外已有許多學者開展了水電工程錨固系統荷載時效演化特征的研究,邊坡工程錨索荷載時程變化呈現典型的“三段式”演化:急速損失期(快速下降)、一般損失期(隨機擺動衰減、波動變化)、緩慢損失期(周期性平穩波動階段、穩定變化);總的損失量基本在20%以內,均值在10%～15%[1-4]。而地下洞室錨索荷載的時效演化規律則比較復雜,難以用統一的演化模式描述,錨索荷載變化主要與洞室部位、張拉力和初始地應力有關[5-7]。

在錨固系統長期失效特征方面,國內尚未有因錨索腐蝕而引起工程失效的案例,錨索腐蝕的位置主要在外錨頭,握裹層厚度會顯著影響錨桿腐蝕程度,另外處于干濕交替或接觸水的錨桿銹蝕較為嚴重,無粘結錨索的防腐效果優于全長粘結錨索[8-11]。錨索在施工階段的失效破壞形式主要有鋼絞線拉斷、錨索擊穿錨罩彈出、鋼絞線鎖孔等[12-13]。還有學者通過理論分析,推導出錨索體均勻銹蝕導致注漿體開裂時的極限增長量,并分析了預應力、錨索體直徑、握裹層厚度和注漿體抗壓強度對服務年限的影響[14]。

在錨索荷載損失的影響因素方面,眾多學者分析了錨索荷載損失的影響因素及其引起的預應力損失大小,并采用理論公式、經驗統計和不同的數學模型來表示各因素引起的預應力損失[15-19]。錨具夾具回彈、張拉系統摩阻力、鋼絞線應力松弛、巖土體蠕變是影響錨索荷載損失的4種主要因素[20]。也有學者針對卸荷巖體、深部地下洞室蠕變、大噸位錨索等特殊條件下預應力損失、影響因素和控制措施進行了分析[21-23]。

前人關于水電工程錨固系統荷載演化規律的研究多是基于單個電站,考慮多個電站高邊坡和地下洞室錨索荷載的統計分析還未見報道,特別是地下洞室錨索荷載變化規律及影響因素方面的研究成果還比較少。本文主要通過調研收集三峽集團所屬6個水電站錨固系統的基本信息,包括各工程地質條件,錨索和錨桿的類型、設計張拉值、施工工藝和監測結果等,對三峽等水電站錨固系統進行安全評價,進一步總結大型水利水電工程錨固系統應力長期演化規律,分析引起錨固系統荷載異常的主要原因,并分析洞室尺寸、工程部位和巖體質量等對錨固系統的影響。

1 錨固系統監測成果統計分析

各大電站邊坡和地下洞室監測用錨索為無粘結錨索,監測用錨桿既有普通砂漿錨桿,也有預應力錨桿?，F已統計三峽集團所屬6個水電站高邊坡和地下洞室錨固系統監測數據,即:錨索測力計數量、錨索設計張拉值、鎖定荷載(鎖定后剩余的錨索預應力數值大小)及損失率(鎖定損失率 =( (張拉值-鎖定值) /張拉值 × 100%)[3]、當前荷載(當前測量錨索預應力數值)及損失率((鎖定值-測量值) /鎖定值 × 100%)[3],錨桿應力計數量、當前錨桿應力,見表1。

表1 各大水電站錨固系統監測成果統計Table 1 Statistics of monitoring results of anchoring systems in major power stations

1.1 三峽水電站

船閘高邊坡和地下洞室以閃云花崗巖為主,地下洞室還發育一定的閃長巖,地下洞室發育陡傾裂隙,局部有滲水情況出現。船閘高邊坡采用1 000 kN端頭錨索和3 000 kN的端頭錨索、對穿錨索,其中直立坡段均為3 000 kN,錨桿采用全長砂漿錨桿和高強結構錨桿。船閘高邊坡設置有110臺錨索測力計,198臺錨桿應力計;地下洞室主廠房及附屬洞室設置有41臺錨索測力計及55臺錨桿應力計,尾水主洞設置有17臺錨桿應力計。船閘高邊坡及地下電站錨索荷載絕大多數<3 000 kN,損失率大部分在15%以內;除尾水管間巖墩處和尾水管基坑交叉洞口處錨桿應力整體較大,有13個錨桿應力>200 MPa外,錨桿系統應力整體不大。邊坡工程與地下工程整體都處于安全狀態。

1.2 水布埡水電站

馬崖高邊坡以及地下洞室巖性以頁巖、粉砂巖和灰巖等為主,巖層產狀平緩,軟硬相間,軟巖所占比例高,且軟巖中層間剪切帶發育。馬崖高邊坡和防淘墻采用2 000 kN錨索,地下廠房采用設計值1 500 kN的錨索。馬崖高邊坡設置21臺錨索測力計;溢洪道防淘墻支護系統設置14臺錨索測力計、23臺錨桿應力計;地下洞室設置有16臺錨索測力計、12臺錨桿應力計。錨固系統成果統計見表1,高邊坡、地下洞室及溢洪道防淘墻錨索在鎖定后荷載變化不大,部分錨索荷載略有增長,錨索荷載均<2 500 kN,損失率基本在15%以內,錨桿應力相對于初始應力變化不大,在100 MPa以內,總體處于安全穩定狀態。

1.3 向家壩水電站

邊坡及地下洞室巖體類型主要以砂巖為主,局部夾泥巖;巖體中結構面發育規律較好,主要為平緩的層面、層間軟弱帶和中陡傾角的節理裂隙。邊坡和地下洞室錨索設計值分別為1 000、1 500、2 000 kN,布置錨索為全長粘結型和無粘結型,邊坡監測錨索為無粘結拉力分散型預應力錨索,地下洞室監測錨索為無粘結拉力分散型預應力錨索和無粘結預應力對穿錨索。錨固系統成果統計見表1,邊坡和地下電站錨固系統大部分荷載小于設計值,錨索荷載絕大多數在2 000 kN以內,損失率大部分在15%以內,受關注的馬延坡一期和二期治理錨索荷載穩定。地下洞室有3支錨桿應力>300 MPa。錨索荷載和錨桿應力變化主要在開挖期完成,目前邊坡和地下洞室處于安全穩定狀態。

1.4 溪洛渡水電站

壩肩邊坡及洞室巖體類型以玄武巖、角礫熔巖和石灰巖為主,主要結構面為層間、層內錯動帶和節理裂隙。壩基邊坡錨索設計荷載分別為1 500、2 000、4 000 kN,地下洞室區域分別為1 500、1 750 kN。錨固系統成果統計見表1,邊坡錨索荷載基本上在設計值臨近范圍內,總體變化平穩,右岸壩肩邊坡部分錨索荷載損失率過大,錨桿應力在100 MPa以內,邊坡部分錨索和錨桿應力有增長趨勢。地下洞室群塊體變形和錨索荷載穩定,大部分錨索荷載均處于2 000 kN內,荷載損失率大多數<15%。地下洞室區部分錨索荷載增長約20%,其中右岸地下廠房部分錨索荷載增長較大,地下洞室群部分錨桿應力>300 MPa,主要位于左岸地下洞室群5#機組和右岸地下洞室群18#機組附近,與此兩地的主要地質特征有關。

1.5 白鶴灘水電站

邊坡及地下洞室以隱晶玄武巖、斜斑玄武巖、杏仁玄武巖和柱狀節理玄武巖為主,發育層間、層內錯動帶及節理裂隙。邊坡及地下洞室錨索荷載設計值分別為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000 kN,有粘結式和無粘結式。邊坡錨索為普通錨(端頭錨)和壓力分散型錨索,錨索長度為20～80 m;地下洞室錨索有對穿錨、端頭錨,壓力分散型和常規等,錨索長度為20～45 m。錨固系統成果統計見表1,大壩邊坡錨固系統大部分荷載小于設計值3 000 kN,地下洞室錨索荷載總體穩定,大部分荷載均處于設計值內。但左岸地下廠房部分錨桿應力過大,右岸地下廠房和8#尾調室在開挖期出現了錨索鋼絞線彈出、鎖孔等現象,增加錨索支護后已有錨索荷載均趨于穩定。

1.6 烏東德水電站

高邊坡區巖體主要為薄層灰巖,地下洞室區以灰巖、大理巖、白云巖為主。邊坡錨索設計荷載分別為1 000、2 000 kN,地下廠房設計荷載為1 700～2 000 kN,自然邊坡設置136臺錨索測力計,87臺錨桿應力計;左岸電站主廠房設置66臺錨索測力計,78臺錨桿應力計。右岸電站主廠房設置91臺錨索測力計,73臺錨桿應力計,錨固系統成果統計見表1,邊坡錨索大部分鎖定后預應力損失率在10%以內,錨索荷載最大增長≤7%,右岸壩肩邊坡部分錨桿應力過大,其他部位錨桿應力均較小。地下洞室錨索荷載均<3 000 kN,增加顯著部位集中在地質條件較差、洞口卸荷區及變形大的部位,左岸地下廠房錨索荷載損失顯著的時段主要在廠房開挖期間,支護完成后錨索荷載基本穩定。邊坡錨桿應力大部分都在200 MPa以下,左右岸地下廠房錨桿應力較小。

綜上所述,三峽等水電站高邊坡和地下洞室錨索荷載和錨桿應力大部分均在設計允許范圍內,錨索荷載當前損失率在25%以內,絕大多數≤15%。錨桿應力基本都在300 MPa以內,預應力錨桿應力損失率在10%以內,且大多數處于受拉狀態。

錨索荷載和錨桿應力變化顯著的階段主要是邊坡或地下洞室開挖支護期間,支護完成后錨固力基本穩定。但有部分錨索荷載超過設計值,或者荷載損失率過大,也有極個別錨桿應力>300 MPa等情況。其中錨索荷載超過設計值的錨索主要位于邊坡潛在不穩定巖體、塊體部位或地下洞室中邊墻、拱頂等卸荷變形偏大的部位,主要與施工開挖導致圍巖向臨空面變形偏大或結構面張開造成圍巖變形有關。錨索荷載損失率過大的錨索主要位于邊坡塊體部位或地下洞室工況復雜、地質缺陷等部位,主要是由結構面閉合致鋼絞線松弛或鉆孔施工偏位擊穿已有錨索引起。錨桿應力>300 MPa的錨桿主要位于地下洞室邊墻等因開挖卸荷變形偏大部位。

2 錨固系統運行狀況影響因素分析

基于各大電站錨固系統監測數據,采用單一變量法,分析施工與時間、洞室尺寸、溫度、工程部位、巖體質量、斷層等不同因素對錨固系統運行狀況的影響。

2.1 施工和時間對錨索荷載的影響

高邊坡錨索荷載的變化主要在邊坡開挖期完成,荷載變化分為3個階段,第1階段為錨索荷載在短期內急速大幅度下降,第2階段錨索荷載也呈下降趨勢,但相比于第一階段速度緩慢,第3階段錨索荷載隨著環境因素呈周期性變化,見圖1(a)。此外,也存在經歷過下降階段后錨索荷載呈臺階狀增加的情況,一般認為是邊坡巖體卸荷松弛變形導致的,見圖1(b)。

圖1 邊坡工程錨索荷載時序過程線Fig.1 Time series of anchor cable load in slope projects

對于主廠房等地下洞室而言,受初始地應力方向影響,洞室不同部位的巖體變形破壞特征差異顯著,相應的錨索荷載變化模式也不一樣。另外受洞室分層分部開挖影響,已安裝錨索受后續圍巖變形影響。錨索荷載變化模式總體分為兩類,一類是隨著洞室開挖,荷載逐漸增長,最后趨于穩定,見圖2(a)。另一類與邊坡錨索荷載演化模式類似,總體呈逐漸減小趨勢,見圖2(b)。

圖2 地下工程錨索荷載時序過程線Fig.2 Time series of anchor cable load in under-ground projects

2.2 洞室洞徑對錨固系統的影響

表2是三峽、水布埡和向家壩電站地下廠房和尾水隧洞的錨索荷載及損失率統計結果,可見3個電站地下廠房的錨索荷載均值均高于尾水隧洞錨索荷載均值,地下廠房損失率的變化范圍均大于尾水隧洞,說明錨索荷載具有明顯的洞徑效應。

表3是溪洛渡水電站左岸地下廠房、主變室和尾調室3個洞室錨索荷載及損失率的統計結果,溪洛渡水電站主廠房尺寸最大,尾調室次之,主變室尺寸最小,三者的錨索荷載也表現出了顯著的洞徑效應,三者中洞徑大的洞室錨索荷載均值越大,荷載損失率分布幅度越寬,并且主廠房錨索荷載的時效增長最為顯著。

表3 溪洛渡水電站不同地下洞室錨索荷載與損失率Table 3 Loads and loss rates of anchor cables in underground caverns of Xiluodu Hydropower Station

錨索荷載洞徑效應主要與洞室開挖后圍巖應力調整和位移特征相關,大洞室開挖尺寸大,應力調整和位移變化顯著,導致錨索荷載及其變化更為顯著。

2.3 溫度對錨固系統的影響

多個錨索測力計長期監測結果顯示錨索荷載隨溫度呈現周期性波動,但溫度對錨索荷載的影響規律表現不一,部分錨索荷載隨溫度呈現出近似負相關關系,即溫度越高,錨索荷載越小(圖3(a)),也有的呈正相關(圖3(b))。

圖3 典型錨索荷載與溫度相關關系Fig.3 Typical correlations between typical anchor cable load and temperature

錨桿應力隨溫度的周期性變化較為顯著,呈現負相關變化,溫度升高,錨桿應力減小,溫度降低,錨桿應力增大,見圖4。錨桿與溫度呈負相關變化主要與兩者的熱膨脹性有關,巖體的溫度變形小于錨桿且灌漿質量良好,巖體對錨桿的溫度變形有約束作用[24]。

圖4 三峽船閘典型鎖口錨桿應力及溫度過程線Fig.4 Process lines of stress versus temperature of typical lock bolt of TGP ship lock

2.4 工程部位對錨固系統的影響

地下洞室交叉洞口、巖墩和塊體等部位的錨桿應力值相對較大,比如三峽電站地下洞室群錨桿應力超過儀器量程200 MPa有12個測點,其中1個測點位于拱頂塊體上,1個位于上游拱端,10個測點位于尾水管間保留巖墩部位。向家壩電站地下洞室群錨桿應力>300 MPa的3支應力計,主要分布在交叉洞口、巖墩或塊體等部位。

位于塊體部位的錨索荷載損失率一般較大,比如三峽電站主廠房位于不同塊體上的4個測點鎖定后錨索荷載損失率在15%～22%之間,而錨固于完整巖體部位的錨索,>76%的荷載損失率<15%。

對于高應力地下洞室,不同部位的錨索荷載量值差異顯著,卸荷方向處錨索荷載總體較大,處于應力集中區部位的相對較小,但是當應力集中區巖體內部開裂時,錨索荷載也會有劇烈增長,鋼絞線可能在顯著內部開裂誘發的大位移情況下發生拉斷。

2.5 巖體質量錨固系統的影響

在預應力錨索荷載影響因素方面,巖性對錨固系統產生的影響顯著。巖體質量低、風化程度強的邊坡錨索荷載偏小,錨索荷載損失率偏大。表4統計了向家壩電站兩岸邊坡不同圍巖級別條件下錨索荷載及其損失率,右岸Ⅳ級邊坡的錨索荷載總體小于左岸Ⅲ級邊坡,而其荷載損失率則大于左岸邊坡。

表4 向家壩水電站邊坡巖體質量對錨索荷載的影響Table 4 Influence of rock mass quality on anchor cable load of Xiangjiaba Hydropower Station

2.6 斷層對錨固系統的影響

用于錨固斷層部位的錨索荷載總體偏小,荷載損失率總體偏大,表5統計了水布埡水電站馬崖高邊坡是否用于錨固斷層部位的錨索,用于錨固斷層的錨索荷載總體偏小,而荷載損失率總體偏大。

表5 水布埡電站馬崖高邊坡錨索荷載及損失率Table 5 Loads and loss rates of anchor cables on Maya high slope of Shuibuya Hydropower Station

3 錨固系統失效特征

水布埡水電站防淘墻拉錨洞位于水下部位,其錨墩頭在水等因素的作用下有白色碳酸鈣析出,5 a時間內錨索應力平均損失率從13.4%增長為15.6%。主要是錨墩頭中的混凝土在水的作用下發生溶出性侵蝕,將錨墩頭中水泥里的CaO析出,變成Ca(OH)2,然后在錨墩頭表面滲出或者滴落的過程中與CO2產生反應,形成白色碳酸鈣沉淀物[25],參見圖5。

圖5 水布埡水電站防淘墻拉錨洞內錨索鈣質析出Fig.5 Calcareous precipitation of anchor cable in anti pulling wall anchor tunnel of Shuibuya Hydropower Station

另外對于長期有滲滴水出現的邊坡,錨墩頭部位的鋼絞線可能會發生銹蝕。圖6為有滲滴水邊坡上某墩頭破壞及銹蝕情況,墊板、夾具和鋼絞線均已銹蝕,可見加強錨墩頭的安全防護是錨索防腐蝕的關鍵。

圖6 水利水電工程錨墩頭內部銹蝕Fig.6 Internal corrosion of anchor pier head of water conservancy and hydropower project

在錨固系統施工期失效特征方面,除了三峽集團所屬的電站外,在錦屏一級電站地下廠房發現錨墩開裂[26];在錦屏二級電站地下廠房錨索發現鋼罩松動或脫落、鋼絞線彈出、鋼絞線擊穿鋼罩、鋼絞線縮入孔內等破壞現象[12],均與鋼絞線斷裂有關。

4 結 論

(1)各大水電站邊坡工程和地下洞室錨索荷載基本在設計范圍內,錨索荷載損失率多在15%以內,部分錨索荷載增長量值也在可控范圍,錨桿應力也基本上在設計范圍內,各電站邊坡和地下洞室基本處于穩定狀態。錨索荷載及錨桿應力在開挖期變化顯著,后期逐漸穩定或者隨溫度呈周期性變化,邊坡錨索荷載演化過程總體呈現三段式特征:快速下降-緩慢下降-平穩波動。

(2)錨索荷載隨溫度變化規律不統一,多數呈現出近似負相關關系;錨桿應力隨溫度總體上呈現負相關變化,溫度升高,錨桿應力減小,溫度降低,錨桿應力增大。

(3)地下洞室錨索荷載存在洞徑效應,洞室尺寸越大,錨索荷載均值越大,荷載損失率分布范圍也越大。地下洞室群交叉洞口、塊體及保留巖墩等卸荷充分部位錨桿應力較大,位于塊體部位的錨索荷載損失率一般大于其他工程部位。

(4) 邊坡工程巖體質量低、風化程度嚴重的部位錨索荷載相對偏小,荷載損失率相對偏大,用于錨固斷層的錨索荷載也呈現出類似規律。

(5) 錨固系統長期運營期,水下洞室錨墩頭會有碳酸鈣析出,其預應力損失率緩慢增長;長期有滲滴水的邊坡錨索的墊板、夾具和鋼絞線均已銹蝕。

致謝:在本研究現場調研過程中,得到了三峽集團下屬各水電站管理部門的大力支持,在此深表謝意。