基于声波反射法的锚杆无损检测技术在水利工程中的应用

王丽峰

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

锚杆施工属于隐蔽工程，在施工过程中要严格控制施工质量，如果施工中出现质量缺陷等问题，进而就会影响工程整体质量，为了避免这类问题的存在，必须及时对施工完成的锚杆进行检测，确保锚杆施工质量[1]。目前，锚杆检测普遍通用的方法是锚杆抗拔试验检测锚杆的受力情况，但是这种方法存在一定的缺点，是一种破坏性试验，而且由于仪器设备的问题，试验部位存在一定的局限性，导致试验数据不够全面[2]。据有关研究结果表明，当锚杆握裹长度达到40倍锚杆直径时，其握裹力已经达到锚杆材质极限抗拉强度，而锚杆锚固长度一般远大于40倍的锚杆直径，因此，锚杆拉拔力试验无法全面、客观地反映锚杆整体施工质量状况，特别是难以反应锚杆的锚固饱满度。随着锚杆在水利工程中的大量使用，锚杆抗拔力试验已明显不能满足检验锚杆锚固质量的要求。因此，近年来一些大型水利工程，均采用无损检测技术检测锚杆的长度和锚固饱满度，以此来评价锚杆锚固质量。

无损检测技术可以在不影响正常施工的条件下随时进行，而且试验范围比较广泛，试验条件要求较低，无论是高边坡还是洞顶侧都可以进行试验，进而广泛的应用于水利工程中。

1 锚杆无损检测的基本原理

锚杆声波反射法检测的理论模型为一维弹性杆体，依据一维弹性杆体应力波的传播规律，杆体与周围介质的波阻抗差异越大，与理论模型越接近。早在20世纪80年代已经开始研究，由瑞典的研究人员经过大量的试验最终研发出锚杆无损检测仪[3]。该仪器设备主要由激振器、传感器、信号采集与分析仪组成，通过激振器在外露锚杆的端部进行一次击打产生声波，然后在该处端头由传感器传输反射声波到信号采集与分析仪中生成波形图。通过波曲线、相位曲线、频谱综合分析锚杆长度和锚固饱满度。

2 锚杆锚固质量评价

锚杆质量无损检测的内容为锚杆长度和锚固饱满度。在由锚杆、粘结剂、围岩组成的锚固体系中可将锚固体系简化为嵌入围岩的一维均质变截面杆。锚固饱满度的变化表现为杆件截面面积的变化，锚杆长度为材质的变化，无论锚杆长度和锚固饱满度的变化均表现为广义波阻抗的变化。

2.1 锚杆长度

锚杆长度对实际工程锚固质量影响较大，在检测过程中必须认真、仔细、实事求是地分析该数据。根据《水电水利工程锚杆无损检测规程》(DL/T 5424—2009)中规定：单根锚杆的实测入孔长度必须大于等于设计长度的95%，且关键部位结构锚杆不足长度不超过0.2 m[4]，因此，数据分析中应严格按照此规定进行。

2.2 锚固饱满度

锚杆饱满度与施工工艺密切相关，较差的施工工艺会导致锚杆体内部出现空浆结构，可以通过空浆段长度计算锚杆饱满度，也可以通过反射波能量法确定锚杆饱满度。此次试验所用的锚杆无损检测仪，是通过反射波能量法与有效长度法综合分析锚固饱满度。

3 工程实例分析

新疆某引水隧洞锚喷支护工程，锚杆设计长度为4.5 m，锚固饱满度≥75%，围岩等级为Ⅳ类，注浆材料为M25水泥砂浆。现对K3+121～K3+151段锚杆进行无损检测并分析，评价该段的施工质量。从这批锚杆中找出4根具有代表性的锚杆进行具体分析(见图1～4)，并将所有锚杆检测结果汇总(见表1)。

图1为全长密实锚杆，此类锚杆的杆体与砂浆粘结较好，无空浆结构，砂浆密实，饱满度较高，一般都在90%以上。检测波形规则，沿杆长方向波阻抗相同，没有明显的波阻抗界面[5]，在杆长深度范围内没有反射波，只在杆底可能产生微弱的反射信号，锚杆的波形信号只有入射波信号或微弱的杆底反射波信号。

图2为局部不密实锚杆，此类锚杆的杆体和砂浆大部分粘结较好，有少部分空浆或少浆结构。检测波形中空浆段的前后波形不规则，在杆中存在多个波阻抗界面，每个界面均会产生正相位或负相位的反射波，在杆长范围内有多个反射信号，根据端部反射确定锚杆长度。

图3为全长不密实锚杆，此类锚杆的杆体与砂浆粘结较差，大部分为空浆或少浆结构。检测波形不规则，在锚杆长度范围内形成多次反射，每次反射波信号均为正相位。

图4为长度不足锚杆，此类锚杆波形图杆底反射信号一般为正相位，特别是会出现多个等间距相位的反射信号时，计算锚杆长度明显小于设计锚杆长度，由此判断该锚杆长度不足。

该隧洞锚杆无损检测共抽检32根，经分析计算，检测成果分析情况见表1。其中锚杆注浆饱满度不合格1根，锚杆长度不合格1根，共计2根锚杆不合格。总体评价为：Ⅰ级锚杆6根，占总数的18.75%；Ⅱ级锚杆16根，占总数的50.00%；Ⅲ级锚杆8根，占总数的25.00%；Ⅳ级锚杆2根，占总数的6.25%；Ⅳ级以上锚杆为合格，因此，该试验单元的锚杆合格率为93.75%>80%，故该单元工程锚杆质量评定为合格。

图1 全长密实锚杆示意

图2 局部不密实锚杆示意

图3 全长不密实锚杆示意

表1 锚杆质量一览

锚杆编号设计长度/m实测长度/m饱满度/%饱满度等级锚固质量评价14.54.4191.1AⅠ合格24.54.5082.3BⅡ合格34.54.4184.8BⅡ合格44.54.4388.6BⅡ合格54.54.4686.3BⅡ合格64.54.4087.5BⅡ合格74.54.4298.4AⅠ合格84.54.4279.6CⅢ合格94.54.5788.0BⅡ合格104.54.7378.8CⅢ合格114.54.7189.7BⅡ合格124.54.4679.7CⅢ合格134.54.3886.7BⅡ合格144.54.4697.4AⅠ合格154.54.5784.8BⅡ合格164.54.5386.7BⅡ合格174.54.3697.9AⅠ合格184.54.3676.4CⅢ合格194.54.3577.1CⅢ合格204.54.3097.7AⅠ合格214.54.5185.1BⅡ合格224.53.0491.3DⅣ不合格234.54.4788.2BⅡ合格244.54.3977.6CⅢ合格254.54.6387.5BⅡ合格264.54.4587.9BⅡ合格274.54.6088.1BⅡ合格284.54.6857.0DⅣ不合格294.54.4876.5CⅢ合格304.54.2877.1CⅢ合格314.54.5392.2AⅠ合格324.54.5388.1BⅡ合格

通过对该批锚杆分析发现，Ⅰ级锚杆主要分布在拱底脚处，Ⅱ、Ⅲ级锚杆主要分布在两侧边墙，Ⅳ级不合格锚杆出现在顶拱位置。由此可见，锚杆的施工质量与施工条件的难易程度密切相关，施工条件良好的地方锚杆质量较好，而在施工条件较差的地方，锚杆的质量就会下降，甚至出现不合格锚杆。因此，现场施工员要严格监控施工质量，对于顶拱位置要格外关注随时记录，做好现场管理工作。

4 结语

锚杆无损检测技术主要检测内容为锚杆长度及锚固饱满度，通过声波反射法进行测定。本文通过对新疆某引水隧洞锚喷支护工程K3+121～K3+151段锚杆进行无损检测并对波形分析可知：

1) 声波反射法具有方便、快捷、准确、无损等特点，在锚杆无损检测中得到了广泛的应用。

2) 通过对典型锚杆波形图分析可知，在进行锚杆分析时，应根据波形、相位、频谱、外露长度、设计长度等因素综合分析，确定不同缺陷类型特点，为锚杆无损检测分析提供参考。

3) 本次共检测锚杆32根，其中Ⅰ级锚杆6根，Ⅱ级锚杆16根，Ⅲ级锚杆8根，Ⅳ级锚杆2根，合格率为93.75%>80%，故该单元工程锚杆施工质量评定为合格。