河南五岳抽水蓄能电站锚杆无损检测模拟试验研究

李国瑞 魏树满

1 工程概况

河南五岳抽水蓄能电站位于河南省信阳市光山县殷棚乡及罗山县定远乡，开发任务主要是承担河南电网的调峰填谷、调频调相、紧急事故备用等。电站装机容量1 000 MW，装设4台单机容量为250 MW的水泵水轮发电电动机组，机组额定水头241.00 m。枢纽工程主要由上水库、输水系统、地下厂房及地面开关站、下水库等组成。上水库位于牢山寨北坡近顶部山坳处的牢山林场，下水库利用已建的五岳水库。本工程为II等大（2）型工程，上水库挡水建筑物为1级建筑物，输水系统建筑物、发电厂房建筑物级别为2级。

本工程锚杆具有数量多、杆体复杂等特点（系统锚杆数量166 049根，锚杆长度有3、4.5、5、6、7、9、12 m，锚杆直径有Φ22、Φ25、Φ28、Φ32、Φ36），检测前应宜进行锚杆模拟试验专题研究[1-2]。

2 模拟试验内容

2.1 模拟锚杆制作

模拟锚杆孔采用PE套管，其内径等于或接近工程设计锚杆孔径，模拟锚杆底端距离PE套管底端1 m。锚杆采用与工程锚杆相同类型的砂浆锚杆，锚杆外露段长度与工程锚杆设计相同且外露杆头加工平整。

模拟试验在钢筋加工场附近进行，模拟锚杆共3种规格，即Φ25L=4.5 m、Φ28L=6.0 m、Φ32L=9.0 m砂浆锚杆；锚杆质量类型包括缺陷锚杆（如图1所示）和完整锚杆，施工工艺与工程锚杆相同；缺陷锚杆水平设置，共制作6组，每组1根；完整锚杆制作向上倾斜45°、90°和水平角度的各3组，每组3根，试验锚杆参数见表1。

图1 模拟缺陷锚杆示意图

表1 模拟试验锚杆参数汇总表

2.2 现场无损检测

锚杆无损检测采用声波反射法，利用应力波一维波动理论[3]。使用锚杆质量检测仪JL-MG（D），通过手锤或超磁震源在锚杆顶部施加脉冲激振，产生弹性应力波从锚杆顶部发射出去，沿锚杆轴向传播并向锚杆周围辐射能量，遇到波阻抗差异的界面发生反射、透射或散射。当锚杆、砂浆与围岩三者之间接触的均匀密实时，应力波反射能量较弱，若三者之间胶结不均匀、不密实，或产生空穴现象，则应力波反射能量较强。根据反射波的位置、强弱及波形特征来确定锚杆长度以及注浆饱满度和缺陷位置。

锚杆长度按外露段长度与锚固段长度之和计算，公式如下：

式中L——锚杆总长；

L1——外露段长度；

L2——锚固段长度；

C1——外露段平均波速；

Δt1——外露段波行时间；

C2——固结段平均波速；

Δt2——固结段波行时间。

实际检测时，锚杆长度可根据仪器采集的波形图中锚杆底部反射的位置确定，外露段长度现场一般可直接用尺测量[4-5]。

锚杆缺陷位置依据反射波形运动学和动力学特征综合判断。一般锚固密实的锚杆波形规则，呈指数快速衰减，持续时间短，杆底反射前无缺陷反射波，频率集中。锚固质量较差的锚杆往往具备以下特征中的一种或多种：（1）杆底反射之前出现波形衰减异常（振幅变大、衰减较慢）；（2）出现多次反射波；（3）杆系波速明显偏大；（4）频率分散[6]。

锚固缺陷主要分为不饱满和空浆，空浆会使计算得到的杆系波速明显偏大，空浆段越长，杆系波速越接近裸杆波速。局部不饱满和空浆都会改变应力波传播路径上介质的波阻抗，从而导致波形图上出现缺陷反射，甚至出现多次反射，可根据缺陷反射波判断缺陷位置。值得注意的是，锚杆中的第1缺陷在应力波的反射曲线上一般都可识别，而存在两个及以上缺陷时，第2、第3缺陷反射的强弱，要视第1缺陷反射的影响。锚杆中缺陷反射强烈时，往往会影响到杆底反射的识别，使其较难分辨[7]。

锚固饱满度定性评价可结合锚杆饱满度波形特征评判标准以及施工资料、地质条件综合判定。定量评价时，可采用有效锚固长度法和反射波能量法计算锚杆饱满度，因有效锚固长度法精度较高，一般应用较多，计算公式如下[8-9]：

式中Lr——锚固段长度；

Lx——缺陷段长度。

2.3 剖杆验证

注浆完成7 d后，进行现场剖杆验证。在相关方的共同见证下，采用切割设备将PE管两侧纵向切开，取下PE管，复核、检查、测量、记录每根试验锚杆的实际情况，并与无损检测结果进行对比分析。

3 模拟试验成果

3.1 试验锚杆无损检测结果

通过试验锚杆现场无损检测结果和剖杆验证量测结果对比（见表2），发现仪器测试结果基本准确，砂浆锚杆缺陷类型多为空浆或不饱满。

表2 模拟试验锚杆无损检测成果表

1～6组模拟缺陷试验锚杆无损检测杆长与剖杆后测量的杆长一致，检测误差均值0.006 m；无损检测的锚杆饱满度与剖杆后测量饱满度相吻合，检测误差均值0.9%。

7～15组完整锚杆检测杆长与剖杆后测量杆长基本一致，检测误差均值0.015 m；无损检测的锚杆饱满度与剖杆后测量饱满度相吻合，检测误差均值0.4%。

3.2 试验锚杆杆体波速、杆系波速

根据试验锚杆检测数据，经整理计算得到试验锚杆的杆体波速、杆系波速见表3。

表3 试验锚杆杆体波速、杆系波速 m/s

3.3 无损检测的时间效应及最佳检测龄期

自PE管注浆结束后，试验锚杆在自然养护条件下，杆系波速会随砂浆强度增长而逐渐变大。以Φ28L=6.0 m试验锚杆为例论述。

3.3.1 杆系波速时间效应

从图2看出，杆系波速在3～5 d龄期间增长较快、日变化量相对较大，在5～9 d龄期增幅较缓、日变化量相对较小。

图2 Φ28 L=6.0 m试验锚杆平均杆系波速—龄期曲线图

3.3.2 无损检测波形图时间效应

从图3看出，试验锚杆在3～4 d龄期检测波形杆底反射信号清晰，但中间杂波较多；在5～9 d龄期检测波形杆底反射信号非常清晰，中间杂波逐渐被压制，波形规则，杆系完整。

图3 Φ28 L=6.0 m试验锚杆不同龄期的检测波形图

3.3.3 最佳检测龄期

分析Φ28L=6.0 m试验杆的杆系波速和检测波形的时间效应可知：在当前的养护环境下，试验锚杆在5 d龄期后的杆系波速变化平缓，检测波形逐渐变好，中间杂波逐渐被压制直至消失。综合考虑无损检测数据质量和工期进度，工程锚杆无损检测的最佳龄期宜为注浆结束后的第5 d。

3.4 试验锚杆典型图谱

对无损检测波形图和剖杆验证结果对比分析，得到本工程普通砂浆试验锚杆典型图谱（图4），包括：注浆饱满度100%、注浆饱满度不小于90%、注浆饱满度80%～90%、注浆饱满度＜75%的典型波形图像。从图4中可以看出，无缺陷锚杆即注浆饱满度100%的锚杆，波形规则，快速衰减，杆底反射信号非常清晰，中间无杂波。缺陷锚杆，缺陷反射明显，且随缺陷长度增加，中间杂波逐渐增多。

3.5 检测参数设置、检测精度及有效范围

3.5.1 JL-MG（D）锚杆质量检测仪参数设置

（1）需手动设置锚杆长度L和杆系波速Ct，仪器根据公式：最佳采样间隔为3 472L/Ct自动计算并设置。

（2）仪器带通频率一般设为：500～10 000 Hz。

（3）激震方式有超磁声波发射震源和手锤2种，工程锚杆检测宜采用2种激震方式，每种方式保存3个波形（3个波形基本一致方可保存），每根锚杆保存6个波形。

3.5.2 检测精度及有效范围

试验锚杆无损检测与剖杆后测量的杆长，检测误差介于0～0.052 m之间，均值0.015 m，最大相对误差0.79%。本次试验最长锚杆为9 m，无损检测的波形规则、杆底反射清晰宜读，检测结果经剖杆验证准确可靠。进行研究，以完善模拟试验成果。

4 结语

锚杆支护属于基础隐蔽性工程，其质量关乎其他后续工程施工、工程运营的安全，为抽水蓄能电站建设的重要节点，为确保锚杆锚固质量，必须进行锚杆无损检测。大中型水利水电工程，工程锚杆无损检测前应进行锚杆模拟试验。通过模拟试验成果，可指导工程锚杆检测、资料处理、缺陷分析和锚固饱满度综合评定，从而保证工程施工质量。

鉴于场地、工期等因素，本次锚杆模拟试验只进行了室内试验，建议有条件时继续对现场试验