设计与施工 水利规划与设计 ２０１１年第５期 预应力环锚技术在九甸峡 水利枢纽调压井中的应用 张少杰 吴利平 席怀勇。 （１．甘肃省水利水电勘测设计研究院 兰州 ７３００００； ２．四川中顶建设工程有限公司 成都 ６１００４１） 【摘 要】 九甸峡水利枢纽引水发电系统包括岸塔式进水口、压力引水洞、调压井及高压管道等建筑物，其中 调压井采用半埋式阻抗圆筒式结构，井简直径２２ｍ，阻抗孔直径５．４ｍ。在高程２１５１～２１７９．４ｍ之间共设置环向 锚索３３柬，设计张拉力为２０００ｋＮ。通过初步运行和机组的甩负荷试验，调压井结构良好，未出现异常情况。 【关键词】 九甸峡水利枢纽【中图分类号】【ＤＯＩ编码】 调压井 预应力环锚应用 ＴＶ２２３．３ ＋４ 【文献标识码】 Ｂ 【文章编号１ １６７２～２４６９（２０１１）０５～００６８—０３ １Ｏ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—２４６９．２０１１．０５．０２４ １工程概况 九甸峡水利枢纽工程是以城乡生活供水及工业 供水、生态环境用水为主，兼有农业灌溉、发电、 防洪、养殖等综合功能的大型水利枢纽工程。工程 位于甘肃省卓尼、临潭两县交界，黄河支流洮河中 游的九甸峡峡口处，距离兰州市１９３ｋｉｎ。工程等 别为Ⅱ等，规模为大（２）型，主要建筑物包括混凝土 面板堆石坝、左岸两条表孔溢洪洞、右岸有压放空 泄洪排砂洞、右岸总干渠进水口、右岸引水发电系 边坡的岩性复杂，主要以灰岩为主，但粉砂岩、页 岩和泥灰岩的不均匀分布。粉砂岩胶结差，遇水崩 解；页岩和泥灰岩岩性软弱，抗风化能力差，遇水 具粘塑性；灰岩致密坚硬，不易风化，单轴饱和抗 压强度６８．７ＭＰａ，弹性模量１０．２×１０ ＭＰａ，泊桑 比０．２４，纵波速４５６０～５６８０ｍ／ｓ。调压井基础位 于背斜核部，岩层以小角度倾向岸里或近于水平， 无较大断裂构造发育，但裂隙较发育，岩石透水性 中等（Ｌｕ￣２０），无地下水，井壁围岩岩体属Ⅳ类 围岩，地质条件较差。故调压井需严格按限裂设 计，控制调压井衬砌裂缝渗水对厂房后边坡稳定的 影响。 统及地面厂房等。混凝土面板堆石坝最大高度 １３３ｍ，总库容９．４３亿ｍ。，水库正常蓄水位为 ２２０２．００ｍ，校核洪水位２２０５．１ｌｍ。电站总装机容 ２调压井设计 引水发电系统包括岸塔式进水口、压力引水 量３００ＭＷ，年发电总量为９．９４亿ｋＷ・ｈ。大坝 为１级建筑物，其它主要建筑物溢洪洞、放空泄洪 排砂洞、引洮供水取水口、引水发电系统（包括隧 洞、调压井及高压管道等建筑物，其中调压井中心 线位于引水洞桩号２＋２５５．２２ｍ处，采用阻抗圆筒 式结构，井筒直径２２ｍ，阻抗孔直径５．４ｍ。正常 静水位２２０２．００ｍ，最高涌浪水位２２２３．９８ｍ，最 低涌浪水位２１５５．３９ｍ，井筒底板高程２１３７．０ｍ， 顶高程２２２６．００ｍ。 洞、调压井、高压管道等）及厂房为２级建筑物； 临时建筑物按４级建筑物设计。工程坝址区地震基 本烈度为７。，设计烈度为８。，相应地震动峰值加 速度０．２８３ｇ。 调压井位于厂房后边坡上，边坡高度大于 ９０ｍ，边坡类型为岩土混合型。该边坡处于桥道堡 区域大断层的上盘，紧邻断层，受其影响，断裂构 造发育，岩层扭曲破碎，岩体风化较严重。组成后 ・ 结合调保计算成果及地质情况，考虑到在最高 作者简介：张少杰（１９６４年一），男，湖北鄂城，高级工程 师，主要从事水利水电规划设计工作。 ６８ ・ 设计与施工 水利规划与设计 ２０１１年第５期 涌浪水位下，调压井下部结构受水压力较大，阻抗 孑Ｌ附近ｐＤ值达到１６１０，对调压井井身按照平面结 构力学法计算可见，采用常规的钢筋混凝土衬砌结 构，要控制衬砌结构裂缝小于０．２５ｍｍ是难以实 现的，因此，对调压井下部结构局部考虑采用无粘 结后张预应力混凝土衬砌，来改善衬砌结构的受力 条件，混凝土衬砌厚度为２ｍ。 通过采用Ａｓｎｓｙｓ软件三维模拟分析，在高程 ２１５１．０～２１７１．０ｍ高程范围内施加２６排预应力锚 索，排距为０．８ｍ，在２１７２．２￣２１７９．４高程范围内 施加７排预应力锚索，排距为１．２ｍ，每束锚索的 张拉力均为２０００ｋＮ。设计剖面见图１。 图１调压井设计剖面图 ３预应力环锚的设计 每束环向锚索由１４根公称直径为 一 １５．７ｍｍ、标准强度为ｆ一１８６０ＭＰａ的无粘结钢绞 图２钢绞线及锚具槽布置图 线组成，单根长７９．４ｍ，设计张拉力为２０００ｋＮ。 为提高预应力度，钢绞线靠近衬砌的外侧布 置，但在锚具附近由于加载的需要，钢绞线要在锚 具槽口附近通过一段由小半径圆弧段向内侧弯曲并 与大半径圆及连接锚具的直线段相切，最终通过钢 绞线张拉后锁定。因此，钢绞线在调压井内的布置 是近似同心圆。锚具槽在环向的布置对钢绞线张拉 后混凝土应力分布影响很大，为了使结构处于良好 的受力状态，又要方便施工，锚具槽的布置是至关 重要的。设计方案拟定沿圆周间隔６０７布置一个 锚具槽，如图２所示。锚具槽尺寸为２．０ｍ（长） ０．４ｍ（宽）０．６ｍ（深）。 根据有限元平面分析，预留的锚具槽会在张拉 过程中产生应力集中现象，所以分层张拉时应该使 相邻两层钢绞线的锚具槽错开尽可能大的角度。 ４预应力环锚的施工 （１）下料。钢绞线采用 １５．７ｍｍ标准强度 １８６０ＭＰａ的高强度低松弛无粘结预应力钢绞线。 下料前首先对进场的钢绞线进行外观检查；如ＰＥ 护套有轻微划伤的，按照技术要求规定采用防水乳 胶处理；如有严重破坏的则禁止使用。下料时严格 控制下料的准确性，并将下料完成的钢绞线两头编 排序号，作为标记，以防在穿锚垫板时出现错位； 调压井环锚的设计断面尺寸为７６．５４ｍ，加张拉 端、锚固端的预留工作长度以及允许的安装误差， 确定下料长度为７９．５ｍ，下料完成后的钢绞线， 立即将其重新单根盘起，堆放整齐并予以遮盖防 护。 （２）锚索的安装。严格按照设计高程进行施工 放线，如此大断面的环形锚索，在平面高程的控制 上要求十分严格；首先根据基准高程放出每一环的 高程，再加密每一层的控制点为３Ｏ个，径向控制 以模板边界进行控制，径向点在架力筋完成后放 样，并通过基准点进行校核。 安装过程中，钢绞线按照要求顺序码放整齐， 不得打扭；整齐穿索完成后，每隔１．５ｍ扎一道束 紧环，并用铅丝与架力筋绑扎牢固，索体在穿锚垫 板的时候，必须注意钢绞线不能交叉，并严格控制 索体两头的搭接长度；索体安装完成后，采用棉纱 将钢绞线护套擦拭干净。 （３）锚具槽施工。在安装钢绞线之前，首先安 装锚具槽，并严格按照设计要求严格控制其尺寸位 置；在新浇混凝土脱模并拆除锚具槽模板后，采用 风镐配合錾子对锚具槽各个面进行凿毛，凿毛时注 意钢绞线的ＰＥ防护套不得损坏。（下转第７６页） ・ ６９ ・ 设计与施工 水利规划与设计 ２０１１年第５期 承担推力，上部支挡结构承担回填区土压力的综合 措施是经济、合理、可行的。 ， 范计算的最大值，同时满足一个承台内相邻桩之间 的桩底高程差不大于２．５ｍ。 目前，滑坡治理正在施工中，如何保证群桩、承 （２）分析计算表明，设置４排群桩时，第１、２排 桩承担主要推力，分担的弯矩、轴力和剪力较大，第 ３、４排较小。因此，本工程对群桩布置进行了优化， 减少了第４排一根桩，调整了桩的布置，但桩间距维 持不变。 台及上部支挡结构的施工质量尤为关键，特别是水 下混凝土的施工方法和施工工艺以及桩基深度的确 定将对滑坡的整体稳定、结构应力起重大作用，必须 予以高度重视。 （３）桩计算长度、嵌岩深度的确定是配筋计算的 难点。 参考文献 武汉大学土木建筑工程学院．《涪陵长、乌江汇合口东岸 段综合治理工程边坡稳定性分析及治理方案评估研究》， ２Ｏ１０．６ 根据《水工混凝土结构设计规范》（ＳＬＩ９１— ２００８）和《三峡库区三期地质灾害防治工程设计技术 要求》，桩底部考虑为铰支，桩计算长度按桩长的 ０．７倍考虑；根据《地质灾害防治工程设计规范》 ＤＢ５０／５０２９—２００４、《三峡库区三期地质灾害防治工 程设计技术要求》、《公路桥涵地基与基础设计规范》 郑颖人、陈祖煜、王恭先、凌天清．《边坡与滑坡工程治理 （第２版）》 《地质灾害防治工程设计规范￣ＤＢ５０／５０２９—２００４ 《三峡库区三期地质灾害防治工程设计技术要求》 《公路桥涵地基与基础设计规范》（ＪＴＧ Ｄ６３—２００７） ５ ６ ７ ８ （ＪＴＧ Ｄ６３—２００７）、《港口工程嵌岩桩设计与施工规 程》（ＪＴＪ ２８５—２０００）、《港口工程灌注桩设计与施工 ２ ３ ４ 《港口工程嵌岩桩设计与施工规程》（ＪＴＪ ２８５—２０００） 规程》（ＪＴＪ ２４８～２００１）各规程规范中对嵌岩深度的 描述，考虑到滑坡治理的重要性，嵌岩深度取相应规 《港口工程灌注桩设计与施工规程》（ＪＴＪ ２４８—２００１） 《水工混凝土结构设计规范》（ｓＬ１９１—２００８） （上接第６９页） 锚具槽回填混凝土级别为Ｃ３０自密实微膨胀 混凝土，以便使二期混凝土浇得更密实。 模板采用５ｒａｍ厚的开口弧形钢模板，混凝土 ５ 结语 九甸峡水利枢纽调压井直径大，承受的内水水 头高，采用常规的钢筋混凝土结构衬砌，难以满足结 构限裂要求，经多方案比选，井筒衬砌采用预应力环 锚设计，设计张拉力为２０００ｋＮ。 根据有限元分析，采用预应力锚索后，有效的降 低了衬砌结构的应力，选择合理的设计参数后，可以 保证衬砌结构满足限裂要求。 根据水库水位蓄至２０９２．８ｍ时，机组进行了甩 浇筑完成拆模后，清除超浇的三角体混凝土并打磨 光滑。 （４）张拉施工。衬砌混凝土浇筑完成且强度达 到设计强度等级的７５ 后，用集张拉端与固定端于 一体的ＨＭ锚具将锚索连接安装，用专用变角张拉 装置对锚索进行张拉并锁定。通过锚索张拉变形挤 压ＰＥ套和混凝土，使混凝土衬砌环受到径向挤压 力和切向拖曳力，从而使环向衬砌截面形成预应力。 负荷试验，产生涌浪高３．０ｍ，从衬砌结构内部钢筋 计及渗压计监测数据反映的结果看，调压井结构良 好，未出现裂缝，结构应力值远小于容许应力值。 为了在张拉时避免相邻两束锚索间的张拉力差 值过大导致衬砌混凝土产生局部过大的拉应力而破 坏，锚索每循环的张拉按３６０。为一张拉单元，一单 元中六根锚索按两两相对关系编为三组，每次张拉 只有一组进行同时张拉，或每个单元内的锚索间隔 顺序张拉。 可以说，调压井的设计是合理的，预应力环锚技 术在本工程中的应用是成功的。 参考文献 １郭文中．消能防冲原理与水利设计，科学出版社，１９８２ ２武汉水利电力学院．水利计算手册，水利电力出版 社，１９８０ 张拉前先对所有锚索单根设计张拉力的２Ｏ 进行预张拉，然后锁定。 ・ ７６ ・