聲波反射法無損檢測技術在水利水電工程錨桿中的應用分析

李樹彬

(北票市農業農村局，遼寧 朝陽 122100)

施工過程中必須嚴格控制錨桿支護等隱蔽工程質量，若出現質量缺陷等問題勢必對工程整體質量造成嚴重影響[1]。因此，為有效避免以上問題保證錨桿施工質量，必須對完成施工的錨桿進行及時檢測。目前，檢測錨桿受力情況最通用普遍的方法是抗拔試驗，但這種破壞性試驗存在一定的缺陷，加之受儀器設備的限制試驗部位具有一定的局限性，試驗數據少且可靠度低[2]。研究表明，握裹長度達到40倍直徑時錨桿的握裹力就達到材質的極限抗拉強度，而實際工程中的錨固長度遠大于該數值，所以拉拔試驗難以客觀、全面地反映錨桿施工質量，尤其是無法衡量其錨固飽滿度[3-4]。隨著水利水電工程中錨桿的廣泛使用，錨桿抗拔試驗已無法滿足錨固質量要求，越來越多的大型水利工程利用無損檢測技術檢測錨固飽滿度和錨桿長度，從而實現錨固質量的全面精準評價。由于試驗條件要求低、試驗范圍廣泛適用于洞頂側或高邊坡等部位，加之能夠隨時開展，對正常施工不造成影響等特點，水利工程中無損檢測技術的應用日趨廣泛。

1 基本原理

聲波反射法無損檢測技術的基本原理是依據應力波傳播規律，判別周圍介質與一維彈性桿體的波阻抗差異，差異越大則越接近理論模型。該理論研究起始于1980s，通過大量試驗由瑞典學者最先研制出錨桿無損檢測儀；美國礦業管理局于1990s初，設計研發的頂板錨桿黏結力測定儀用以檢測錨桿的長度和應變；我國學者汪明武等在1996年研發了MT-1型錨桿檢測儀；從2000年，國內學者從應力波的角度深入探討了錨桿長度、砂漿密實度等參數檢測技術，并取得了一定的研究成果[5-7]。聲波反射檢測設備主要構成有分析儀、信號采集儀、傳感器和激振器，在外露錨桿端部通過激振器擊打產生聲波，反射聲波經傳感器傳輸到信號采集與分析儀，并自動生成聲波圖，通過綜合分析頻譜、相位曲線、波曲線等檢測錨固飽滿度和錨桿長度[8-10]。

2 錨桿質量分析

工程中，錨固飽滿度和錨桿長度是無損檢測的主要內容。一般地，可將圍巖、黏結劑、錨桿組成的錨固體系簡化成一維變截面均質桿(嵌入圍巖)，以桿件截面面積的變化反映錨固飽滿度的變化情況，把廣義波阻抗的變化表現為錨固飽滿度和錨桿長度的變化。

2.1 錨桿長度

錨桿長度直接影響著錨固質量，必須對錨桿長度進行精準地的檢測分析。《水利水電工程錨桿無損檢測規程》要求關鍵部位的錨桿不足長度不大于0.2m，實測單根錨桿入孔長度不得小于設計的95%，必須嚴格執行該規定進行數據檢測與分析。

2.2 錨固飽滿度

施工工藝在程度上決定著錨桿飽滿度，施工不規范、操作不符合要求等會形成錨桿內部的空漿結構，可以利用反射波能量法或計算空漿段長度判定錨桿飽滿度。總體而言，采用錨桿無損檢測儀綜合分析有效長度法和反射波能量法，從而精準評價錨桿飽滿度。

2.3 實例分析

遼寧某跨流域長距離引水隧洞工程，設計噴錨支護錨固飽滿度≥75%，錨桿長度5.0m，以M25水泥砂漿作為注漿材料，圍巖為Ⅳ類。為了保證錨桿施工質量，現無損檢測與分析M2+120-M2+150段錨桿。文章選擇4根典型的錨桿(如圖1)，簡要說明無損檢測技術要點和流程，檢測結果見表1。

(a)全長密室

(b)局部不密室

(c)全長不密室

(d)長度不足

從圖1(a)可以看出，這種錨桿全長密實，砂漿與錨桿的桿體較好黏結，砂漿密室且無空漿結構，飽滿度較高普遍超過90%。檢測波形規則無明顯波阻抗界面，波阻抗沿著桿長方向保持不變，桿底可能存在微弱反射信號而桿長深度范圍內無反射波，錨桿只有桿底微弱的反射波信號和入射波信號。

從圖1(b)可以看出，這種錨桿局部不密室，砂漿與錨桿的大部分桿體能夠較好黏結，發現部分少漿或空漿結構。空漿段前后檢測到不規則波形，多個波阻抗界面集中分布于桿中，所有界面都會形成負或正相位的反射波，依據桿長范圍內檢測的端部反射信號確定錨桿長度。

表1 錨桿無損檢測統計表

從圖1(c)可以看出，這種錨桿全長不密室，砂漿與錨桿的桿體黏結較差，發現大范圍少漿或空漿結構。錨桿長度范圍內檢測波形不規則，新濠博多次反射且每次都為正相位。

從圖1(d)可以看出，這種錨桿長度不足，一般這種錨桿的桿底反射波形圖為正相位，尤其是反射信號相位間距相同時，設計錨桿長度遠遠大于計算長度，從而可以判定長度不足。

采用無損檢測技術抽驗該隧洞錨桿共35根，經計算分析檢測結果見表1。設錨桿合格標準為達到Ⅲ級及以上，則錨桿不合格的共計2根，其中錨桿長度不合格和錨桿注漿飽滿度不合格的各1根。總體而言，Ⅰ級(優秀)、Ⅱ級(良好)、Ⅲ級(合格)、Ⅳ級(不合格)錨桿分別為7根、19根、7根、2根，所占比例依次為20.0%、42.3%、20.0%、5.7%，該批次錨桿的合格率達到94.3%，符合不低于80%的設計要求，因此可以判定錨桿質量為合格。

深入分析可知，引水隧洞拱底腳處的錨桿大多為Ⅰ級，兩側邊墻錨桿以Ⅱ級、Ⅲ級為主，而頂拱位置出現了2處不合格錨桿。研究認為，操作平臺、施工難易程度與錨桿的施工質量直接相關，施工條件較差的位置出現錨桿質量不合格的概率較高，而施工條件較好的位置錨桿質量一般良好。所以，現場技術人員必須全過程監控錨桿施工，特別是對頂拱部位的錨桿支護，要實時監控隨時記錄并做好施工管理工作[11-14]。

3 結 論

錨固飽滿度和錨桿長度是無損檢測的主要內容，聲波反射法無損檢測能夠全面、精準地測定各部位錨桿質量。文章以遼寧某長距離引水隧洞工程為例，運用聲波反射法檢測與分析了噴錨支護工程M2+120-M2+150段錨桿，主要結論如下：

1)聲波反射法具有無損、精準、快捷、方便等優點，在水利工程中的應用日趨廣泛。在分析錨桿波形圖時，必須全面掌握不同缺陷特點，綜合考慮設計長度、外露長度、波形、頻譜、相位等因素合理確定缺陷類型，為錨桿質量判定提供可靠的數據支撐。

2)本次無損檢測抽驗錨桿共35根，其中Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級錨桿分別為7根、19根、7根、2根，該批次錨桿的合格率達到94.3%，滿足不低于80%的設計要求，可以判定該標段錨桿質量為合格。

3)操作平臺、施工難易程度與錨桿的施工質量直接相關，為保證整體施工質量，現場技術人員必須全過程監控錨桿施工，特別是對頂拱部位的錨桿支護，要實時監控隨時記錄并做好施工管理工作。