维普资讯 http://www.cqvip.com 水电站设计 第２２卷第２期 Ｄ Ｈ Ｐ Ｓ ２ ０ ０ ６年６月 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的研究与应用 杨俊志，冯杨文 （中国水电顾ｆｑ．集团成都勘测设计研究院四川准达岩－ｔｚＺ程公司，四川成都６１００７２） 摘要：介绍了自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的结构特点以及在工程中的成功应用。 关键词：单孔多锚头；预应力锚索；钢绞线；锚索腐蚀；应力集中；自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索 中图法分类号：ＴＨ１２；ＴＶ５５４．１３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—９８０５（２０ｏ６）ｏ２一Ｏｌ１２一ｏ４ １ 前 言 ２研究背景 ２．１锚固段应力集中 一预应力锚索是一种高效、经济、实用的加固技 术。我国从２０世纪６０年代在梅山水库坝肩加固开 始应用预应力锚索，７０年代扩展到对闸墩和地下洞 室的加固。近年来，预应力锚索广泛应用于水利水 般地，预应力锚索依据锚固段锚固体系受力 状态（应力分布）分为拉力型锚索和压力型锚索。 （１）锚固段钢绞线与浆液结石体相黏结成一体， 形成“锚固结石体”受力体系，施加在锚索上的荷载， 电、建筑、煤炭、交通等行业的边坡加固治理工程中， 尤其是水利水电工程，广泛应用预应力锚固技术进 行高陡边坡、地下洞室、大坝基础、大型弧门的闸墩 由“锚固结石体”自锚固段顶端向下传递，此时“锚固 结石体”受拉，这种锚型为拉力型。 （２）锚索钢绞线与注浆形成的水泥结石体完全 隔离开，在锚索底部设置锚板，施加在锚索上的荷载 及其它水工建筑物的加固。 从２０世纪初以来，拉力型预应力锚索作为一种 支护手段一直扮演着主要角色。２０世纪９０年代以 先作用在锚板上，再由锚板给其前部的水泥结石体 以压力，并由锚固段底部向上传递，此时“锚固结石 体”受压，这种锚型为压力型。 不难看出，拉力型锚索和压力型锚索的锚固段 均存在应力集中区，可导致锚索发生破坏。 拉力型预应力锚索的锚固段顶部为拉应力集中 后，随着我国水利水电工程预应力锚索的应用数量、 吨位愈来愈大，以及锚索技术研究的进一步深入，人 们对预应力锚索锚固段应力集中及锚索腐蚀影响预 应力锚索的锚固效果和锚固寿命等问题引起高度重 视并进行了认真的研究，取得了预应力锚索的结构 类型新的研究与设计成果。其中，由四川准达岩土 工程公司研制的自由式单孔多锚头防腐型预应力锚 索以简便有效的型式解决了锚索应力集中及锚索腐 蚀等问题，并在数项工程中得到成功应用。自由式 区，并逐渐衰弱至底部，易产生剪切破坏；压力型预 应力锚索的锚固段底部为压应力集中区，锚索荷载 的大部分作用于该区，易致锚固体压裂破坏。 ２．２锚索腐蚀 单孔多锚头防腐型预应力锚索取得国家专利知识产 权，经专家鉴定，属国内首创，总体上达到国际领先 水平。 锚索腐蚀主要有两个方面：应力腐蚀和化学腐 蚀。 ２．２．１ 泣力斌蚀 作为一种新型的预应力锚索，自由式单孔多锚 应力腐蚀是预应力钢材在拉应力和腐蚀性介质 共同作用下形成的脆性断裂。这种破坏与单纯的机 械应力破坏不同，它可以在较低的拉应力作用下破 坏；这种破坏又与单纯的电化学腐蚀破坏不同，它可 头防腐型预应力锚索具有诸多的优点。在此，笔者 就自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的研究及应 用情况进行介绍，供同行参考。 收稿日期：２００６～０２—１５ 作者简介：杨俊志（１９６６一），男，四川三台人，教授级高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘探、岩土锚固、基础处理及咨询工作。 １ｌ２ 维普资讯 http://www.cqvip.com 以在腐蚀性介质很弱的情况下破坏。 按照裂纹发展过程的电化学反应，可以把应力 卡塞先进行锚固段注浆，在候强张拉后再进行自由 段注浆。采用此工艺不仅锚固质量不易得到保证， 而且锚索注浆工效低，注浆施工亦不方便。 ２．４对复杂地层适应性差 腐蚀分为两个基本类别：（１）阳极反应敏感型应力腐 蚀，亦即通常说的“应力腐蚀”，是指这类应力腐蚀裂 纹的形成和发展过程是以裂纹处金属的阳极溶解为 基础的，裂纹的成长速度也由金属阳极溶解速度决 传统锚索由于存在锚固段应力集中及锚索腐蚀 问题，对地层尤其是对复杂地层的适应性就差。 定；（２）阴极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应力腐 蚀反应过程中由于阴极吸氢而造成的脆性破坏，它 ３ 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚 也称为氢脆型应力腐蚀，或称“氢脆”。 索的研究 预应力锚索在使用过程中，宜采取措施尽量预 防钢绞线在拉应力和腐蚀性介质共同作用下发生应 针对传统锚索存在的上述问题，四川准达岩土 力腐蚀，如圈盘的钢绞线在运输、储存过程中，应避 工程公司进行了深入的研究，并研制完成了新型锚 免潮湿、腐蚀性环境；控制钢绞线拉应力不应过高， 索——自由式单孑Ｌ多锚头防腐型预应力锚索。 在设计张拉力时的强度利用系数控制在６０％～ ３．１研究概况 ６５％，超张拉力时控制在７０％～７５％内；保证锚索注 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索项目采用 浆质量等。 理论对比分析与现场试验相结合的方法，从钢绞线 ２．２．２化学腐蚀 材料选择、锚索结构型式设计、现场试验等方面开展 化学腐蚀主要指地下水对锚索的侵蚀，使锚索 研究工作。 钢绞线发生电化学腐蚀。预应力锚索在使用过程 （１）钢绞线选择无黏结钢绞线，既有助于解决钢 中，地下水对钢绞线的侵蚀亦是一个不容忽视的问 绞线腐蚀问题，又能解决锚索二次注浆问题，简化注 题。 浆工艺，以及可以二次张拉等。 （１）拉力型预应力锚索锚固段钢绞线与水泥结 （２）锚索结构型式采用新型的“单孔多锚头防腐 石体胶结，一旦锚固结石体遭到破坏，钢绞线将“暴 型”结构，既解决锚固段应力集中问题，又解决锚索 露”，其被地下水侵蚀将难以避免。 腐蚀问题，并可有效减小孔径。 （２）压力型预应力锚索若有护套将钢绞线与外 ３．２ 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索结构 部结石体隔离开，在很大程度上对钢绞线起到了保 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索结构见图 护作用，但地下水可从钢绞线端头对其进行侵蚀。 １，主要由导向帽、单锚头、锚板、注浆管、高强低松弛 ２．３二次注浆 无黏结钢绞线等组成，具有克服锚固段应力集中、有 拉力型预应力锚索的钢绞线一般选用有黏结钢 效防腐、有效减小孑Ｌ径、全孔一次注浆、可进行二次 绞线，锚索注浆采用二次注浆工艺，即在锚固段附近 补偿张拉等特点。 图１ 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索结构示意 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索基本结构 成，每组锚头包括锚板、单锚头，锚头数目及组合结 的特点如下： 构根据工程地质特性和锚索吨位大小进行选择。 （１）基本（防腐）单元——单锚头：单锚头由无黏 结钢绞线、挤压套及其密封套组件组成（见图２），具 有良好的防腐性能。 （２）单孔多锚头结构：一根锚索由多组锚头构 图２单锚头 ｌｌ３ 维普资讯 http://www.cqvip.com （３）整体性锚头结构：各组锚头连接成为一个整 黏结钢绞线为外用ＰＥ套包裹、内用防腐油脂敷裹， 使得钢绞线裸线不直接与水泥结石接触，张拉时钢 绞线裸线在ＰＥ套里面能自由伸缩不受影响，可在 注浆后再进行锚索张拉，并可进行二次张拉。因此， 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索可方便地在锚 索荷载低于设计荷载时，再次张拉进行补偿，保证锚 体。 ３．３ 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的特点 ３．３．１改善锚固段应力集中分布状况 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索采用单孔 多锚头结构，每组锚头分别承载一定荷载，克服了传 统锚索的荷载作用在一组锚头上的不利现象，总锚 固力沿锚固段长度分散分布，改善了应力集中的状 固永久赋存力，以保证边坡的安全稳定性。 ３．４创新点 况，减小了单位面积上的围岩应力，大大改善了围岩 的受力条件，增强了对复杂地层的适应性。从工程 下： 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索创新点如 角度上讲，一方面，锚固段不需要扩大孔径，锚索孑Ｌ 深度也不必一直加深至使锚固段位于弱风化、弱卸 荷岩体内，节约了工程成本，缩短了工程工期；另一 方面，锚固段围岩及水泥结石体受力条件的极大改 善，对防止因锚固段的破坏致使锚索失效有着重要 作用。 ３．３．２有效防腐 国内外不乏预应力锚索因地下水的腐蚀而失效 并带来重大经济损失的实例。自由式单孔多锚头防 腐型预应力锚索的单锚头密封套组件与无黏结钢绞 线ＰＥ套一起构成了阻水效果十分良好的防渗体 系，使钢绞线免遭外界侵蚀，有效地解决了锚索腐蚀 问题，大大地降低了锚索因地下水的腐蚀而失效的 可能性，从而增加了边坡的安全性。 ３．３．３有效减小孔径 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索的锚头数 目及组合结构可根据工程地质特性和锚索吨位大小 进行选择，使制作成的锚索体的外径尽量最小，并且 满足锚固段围岩地质体条件及锚固力对锚孔孔径的 要求。这对锚索孔钻进施工而言，意义非常深远，不 仅降低了对施工设备、器具的要求，而且极大地提高 了工程进度。 １ ０００～６ ０００ｋＮ自由式单孔多锚头防腐型预应 力锚索的孔径一般为１００～２４０ｍｍ。 ３．３．４全孔一次注浆及二次张拉 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索采用无黏 结钢绞线，可采用全孔一次注浆工艺，即一次完成锚 固段与自由段注浆，浇筑锚墩，候强后，进行锚索张 拉，亦可进行二次张拉。 （１）全孔一次注浆工艺，既保证了注浆质量，又 简化了工序、提高了施工工效。 （２）任何预应力锚索都存在荷载锁定后因钢绞 线回缩、钢绞线松弛、混凝土徐变及岩石蠕变等情况 而造成应力损失，尤其是在覆盖层等复杂地层的锚 索。 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索所用的无 １１４ （１）单孔多锚头结构：一根锚索由多组锚头构 成，每组锚头包括锚板、单锚头。 （２）全程有效防腐：锚索所用钢绞线全长外裹 ＰＥ套及内锚固段单锚头有密封套组件，使钢绞线免 遭外界侵蚀。 （３）整体性锚头结构：即各组锚头连接成为一个 整体。 （４）对复杂地层适应性强。 针对上述创新点进行科技查新，在国内外均未 见有整体性多锚头结构及单锚头密封套组件。 ３．５专利及鉴定意见 中华人民共和国国家知识产权局于２００３年１ 月８日授予“自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索” 实用新型专利（专利号：ＺＬ０１２５６７００．０）。 ２００３年１１月，四川省科技厅组织有关专家对 “自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索”项目进行鉴 定，该成果属国内首创，总体上达到国际领先水平。 ３．６相关成果 自由式拉压复合型预应力锚索——公司另一专 利产品，获中国电力科学技术奖。 ４工程应用 目前，自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索已 在紫坪铺水利枢纽工程、紫坪铺２１３国道改线公路 滑坡抢险工程、瀑布沟水电站、冶勒水电站、金河水 电站、水牛家水电站、锦屏一级水电站等大中型水利 水电工程高边坡锚索加固工程中应用，取得良好的 效果，经济效益和社会效益显著。 ４．１紫坪铺水利枢纽工程边坡锚索 紫坪铺水利枢纽工程引水发电隧洞进口、溢洪 道及右坝肩边坡岩性为砂岩、泥质粉砂岩与煤质页 岩互层，含煤层，强卸荷水平深度约４０～５０ｍ，岩体 破碎，设计了上千根２ ０００ｋＮ、３ ０００ｋＮ级自由式单孔 多锚头防腐型预应力锚索进行加固处理。 设计锚索孔深４０～６０ｍ，上仰５。，２ ０００ｋＮ锚索 维普资讯 http://www.cqvip.com 孔径１３５ｍｍ、３ ０００ｋＮ锚索孔径１６５ｍｍ。 ４．２紫坪铺２１３国道改线公路滑坡抢险工程边坡 锚索 破碎，稳定性较差，设计采用预应力锚索加固，上游 边墙６０根，下游边墙５６根，锚索吨位１ ０００ｋＮ级。 锚索孔径１１０ｍｍ，锚孔仰角ｌ０。。如采用拉力 紫坪铺水利枢纽工程淹没区内的２１３国道 Ｋ１０１ １＋３５０～４５０ｍ段滑坡采用钢筋混凝土框格梁 锚索支护、边坡截排水、边坡喷素混凝土及自钻式锚 杆的综合处理方案。 型锚索，其施工尤其是二次注浆不仅难度大，而且注 浆质量不易保证。采用自由式单孔多锚头防腐型预 应力锚索，采用全孔一次有压注浆技术，成功地解决 了这一难题。 锚索型式采用自由式单孔多锚头防腐型预应力 锚索。预应力锚索俯角２０。，深入基岩１４ｍ；锚索钢 绞线ｌ２束。由于边坡处于坡积层、堆积层的松散体 ４．７水牛家水电站左坝肩边坡锚索 左坝肩开挖后，受岩体卸荷和雨季影响，局部产 生较大变形，危及坝基施工及左坝肩自身安全。采 上，锚索孔采用跟管钻进解决了成孔难题。 ４．３金河水电站厂房边坡覆盖层锚索 西藏金河水电站厂房边坡覆盖层厚约４０ｍ。为 了保证施工过程中厂房开挖的安全性和电站永久运 行的稳定性，设计６２根２ ０００ｋＮ级自由式单孔多锚 头防腐型预应力锚索进行加固处理。采用跟管钻进 成孔技术，有效孔径１３５ｍｍ，孔深５８～６０ｍ，采用全 孔一次有压注浆，成功解决了覆盖层锚索注浆难题。 ４．４小湾水电站堆积体锚索 云南小湾水电站右坝肩堆积体厚达４０ｍ左右， 边坡采用了大量的１ ８００ｋＮ级锚索进行加固处理。 部分锚索采用自由式单孔多锚头防腐型预应力锚 索，孔深５５～６０ｍ，采用跟管钻进成孔技术，有效孔 径１３８ｍｍ。由于使用全孔一次注浆工艺，避免了拉 力型锚索二次注浆工艺中止浆包止浆效果不佳给锚 固注浆质量带来的隐患。 ４．５瀑布沟水电站工程边坡锚索 瀑布沟水电站工程地质条件较为复杂，工程高 边坡的稳定性问题较为突出。为了使预应力锚索支 护效果满足边坡开挖施工期和电站运行期的安全稳 定要求，针对采用预应力锚索支护的边坡进行了锚 索结构型式的选择。经过技术分析及对比，决定采 用自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索。 该锚索在瀑布沟水电站泄洪洞进出口、引水系 统、导流洞进口等工程部位的应用情况为：锚索级别 １ ０００～３ ０００ｋＮ，孔深２５～６０ｍ，数量４０Ｏ多根。 施工监测表明，由该锚索加固的边坡稳定，支护 效果显著，保证了边坡在施工期及运行期的安全稳 定要求，取得了良好的社会效益及经济效益。 ４．６冶勒水电站主厂房锚索 冶勒水电站主厂房岩石为石英闪长岩，岩石较 用了１ ０００ｋＮ自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索 及锚筋束等进行支护处理。锚索孔深３０～４０ｍ，锚 索孔径１１０ｍｍ，锚孔俯角３０。，３７根。 ４．８锦屏一级水电站边坡锚索 锦屏一级水电站左岸岸坡岩体风化卸荷强烈， 强卸荷下限水平深度一般可达５０～９０ｍ，弱卸荷下 限水平深度一般１００～１６０ｍ，最深可达２００余米；深 卸荷下限最大水平深度可达约３００～３３０ｍ。 左岸导流洞出口边坡加固工程，采用自由式单 孔多锚头防腐型预应力锚索，锚索吨位２ ０００ｋＮ级， 孔深６０ｍ。 根据工程锚固需要，在左岸导流洞出口边坡成 功地进行了３ ０００ｋＮ级、１２０ｍ深以及５ ０００ｋＮ级、 ８０ｍ深、￣２２０ｍｍ大口径孔的自由式单孔多锚头防 腐型预应力锚索试验。 ５结束语 当前，越来越多的水利水电工程、岩土工程的开 工建设，无疑给预应力锚索的大量使用带来了契机。 随着锚索技术研究的进一步深入，人们对预应 力锚索锚固段应力集中及锚索腐蚀影响预应力锚索 的锚固效果和锚固寿命等问题也予以了高度重视， 而自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索则重点解决 了这些问题。 自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索采用单孔 多锚头防腐型结构，具有改善锚固段应力集中、有效 防腐、有效减小孔径、全孔一次注浆、可进行二次张 拉等特点，增强了对复杂地层的适应性，对工程的长 效锚固保持有效性，已在多个工程中成功应用，取得 了良好的经济技术指标，具有广阔的应用前景。 ｌｌ５