锚杆无损检测方法在抽水蓄能电站施工期的应用

云天禹，刘 拓，崔欣月

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130062）

0 引言

抽水蓄能电站地下洞室单元体结构众多，地质条件错综复杂，在施工开挖过程中需要通过喷锚支护的手段加固洞室围岩，提高其坚固性和整体性。锚喷支护的质量直接关系到施工人员、设备的安全及洞室的稳定，而且锚喷支护属于隐蔽工程，一旦电站开始运行，很难再次进行质量缺陷检测，如发生安全质量问题，后果将是非常严重的。因此，在电站施工过程中，需要对锚杆的锚固质量进行准确检测，以保证电站施工及运行期间的安全稳定。

在水利水电工程领域，目前主要使用的锚杆施工质量检测方法有锚杆拉拔试验法和锚杆无损检测法。锚杆拉拔试验法检测流程：在锚杆非锚固段焊接带有丝扣的加长杆，或将外露段车成丝扣，而后使用锚杆拉拔仪进行拉拔力试验。该方法可能对锚杆杆体及附近围岩产生破坏，且无法判断锚杆长度和注浆饱满度是否满足规范要求，因此，该方法在现阶段的抽水蓄能电站中的应用有限。锚杆无损检测方法根据声波反射原理，能够快速实现锚杆长度和注浆饱满度的测定，具有高效、准确及经济等特点[1]，目前已得到广泛应用。下文将重点介绍锚杆无损检测方法的原理及其在抽水蓄能电站施工期的应用。

1 方法原理

1.1 工作原理

当使用震源在某物体表面触发激震力时，该力会产生一个应力波，向四周传播。应力波经过波阻抗界面时，会产生反射波和透射波。当界面两侧的波阻抗之差较小时，反射波能量较小，接收信号的反射波振幅较弱；当界面的波阻抗之差较大时，反射波能量较大，接收信号的反射波振幅较强[2]。

锚杆的底端可视为一个波阻抗界面。使用小锤敲击锚杆顶端时，会产生激震力，在锚杆顶端产生的应力波会沿着杆体向下传播。当锚杆周围注浆密实度或杆体材料发生变化的时候，应力波就会在变化处发生反射和透射[3]。因此，锚杆杆体周围的浆液密实度越高、杆体的材质越坚硬，波形就会越规则，波速衰减也较快；杆体周围的浆液密实度越低、杆体的材质较差，波形就会越复杂，波速衰减也会较慢。对现场采集得到的波形进行时频分析时，通过拾取杆体底端的反射波信号和异常波形区域的旅行时数据，即可计算锚杆长度，并确定杆体周围浆液不密实的区域，从而定量判定锚杆的锚固质量。

1.2 资料分析原则

在对锚杆无损检测的现场数据进行分析时，应主要分析其时域信号，并根据现场采集得到的应力波波形图，通过处理软件将时域信号转化为频率域信号，在频率域对锚杆质量进行综合判定。在锚杆检测过程中，仪器测得的波速是杆体与周围砂浆组合体的速度，而不是杆体材料的波速，锚杆规格不同，钢筋与砂浆的比重就会不同，测得的波速也不相同。因此，在实际工程检测中，一般选取3 根（或3 根以上）注浆饱满度大于90%的相同材质和规格的锚杆作为试验锚杆，计算锚杆的平均波速值，将计算结果作为计算待检测锚杆长度的依据。确定注浆缺陷位置时，应首先识别锚杆底部反射信号，当接收到的反射信号旅行时小于杆底反射旅行时的时候，证明杆体周围存在缺陷部位，进而根据波形确定缺陷位置[4]。

2 工程概况

某抽水蓄能电站位于山东省临沂市，属于大（1）型工程，装机4 台机组，采用单机容量为300 MW 的单级混流可逆式水泵水轮机。该电站目前已投入使用，在电网系统中承担填谷、调峰、调相、调频等工作。该电站枢纽建筑物主要由上水库、下水库、地下厂房系统、水道系统等建筑物组成。地下厂房系统使用的所有锚杆均为II 级或III 级高强度的精扎高强钢筋或螺纹钢筋，杆体周围的砂浆混合了强度等级不低于42.5 的普通硅酸盐水泥和最大粒径不超过2.5 mm 的中细砂。

3 成果分析

对上述抽水蓄能电站厂房已施工完成的某单元全部260 根锚杆进行现场锚杆无损检测，检测流程符合DL/T 5429—2009《水电水利工程锚杆无损检测规程》[5]的要求。在进行现场资料采集时，需要先使用砂纸对锚杆露头部分进行磨平处理。通过处理软件对试验结果进行分析，可以确定所有锚杆的长度及注浆饱满度，并标注每根锚杆的缺陷位置。

图1 为Ⅰ类锚杆检测成果图。该锚杆为全长砂浆锚杆，围岩类别为Ⅲ类。锚杆设计长度为4.50 m，实测长度为4.51 m，外露长度为0.12 m，锚固长度为4.39 m。该类锚杆波形规则，无缺陷反射波，可见微弱的杆底反射波信号。检测结果：锚杆注浆饱满度为96%，为合格锚杆。

图1 Ⅰ类锚杆检测成果图

图2 为Ⅱ类锚杆检测成果图。该锚杆为全长砂浆锚杆，围岩类别为Ⅲ类。锚杆设计长度为6.00 m，实测长度为5.94 m，外露长度为1.03 m，锚固长度为4.91 m。该类锚杆波形较规则，有轻微的缺陷反射波信号，可见微弱的杆底反射波信号。检测结果：锚杆注浆饱满度为82%，为合格锚杆。

图2 Ⅱ类锚杆检测成果图

图3 为Ⅲ类锚杆检测成果图。该锚杆为全长砂浆锚杆，围岩类别为Ⅲ类。锚杆设计长度为6.00 m，实测长度为5.99 m，外露长度为0.99 m，锚固长度为5.01 m。该类锚杆波形不太规则，有明显的缺陷反射波信号，可见微弱的杆底反射波或缺陷多次发射信号。检测结果：锚杆注浆饱满度为78%，为不合格锚杆。

图3 Ⅲ类锚杆检测成果图

图4 为Ⅳ类锚杆检测成果图。该锚杆为全长砂浆锚杆，围岩类别为Ⅲ类。锚杆设计长度为3.00 m，实测长度为2.99 m，外露长度为0.13 m，锚固长度为2.85 m。该类锚杆波形呈慢速衰减或间歇增强后衰减形态，持续时间长，可见明显的缺陷反射波及多次反射波，杆底反射波信号难以分辨。检测结果：锚杆注浆饱满度为50%，为不合格锚杆。

图4 Ⅳ类锚杆检测成果图

4 结语

通过上文的论述及工程实例验证，锚杆无损检测方法可以在不破坏原有应力体系的基础上，快速有效地完成锚固质量检测。在工程施工过程中，可以通过该方法对支护锚杆的长度及注浆饱满度进行定量计算。进行锚杆无损检测之前，应提前对待检测锚杆的型号、砂浆配比及施工工艺进行跟踪了解，通过检测支护锚杆的长度和注浆饱满度等数据综合分析某区域内锚杆的支护能力。在进行锚杆无损检测时，为排除误差影响，应对同一根锚杆进行连续多次的采集，结果一致后方可认为数据有效。

利用锚杆无损检测方法检测支护锚杆质量具有无损、简便、快速的特点。但该方法仍存在一些局限性，如该方法一旦受到检测现场环境的干扰，检测精度就会下降，应配合其他检测方法共同开展以提高检测精度。随着工程物探方法技术的不断发展、科技水平的不断进步，相信该方法的缺陷和不足将逐渐得到解决，并在抽水蓄能电站施工期检测中发挥更多的作用。