聲波反射法無損檢測技術(shù)在水利水電工程錨桿中的應(yīng)用分析

李樹彬

(北票市農(nóng)業(yè)農(nóng)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(zhì)量，若出現(xiàn)質(zhì)量缺陷等問題勢必對工程整體質(zhì)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(zhì)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(shè)備的限制試驗部位具有一定的局限性，試驗數(shù)據(jù)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(zhì)的極限抗拉強度，而實際工程中的錨固長度遠大于該數(shù)值，所以拉拔試驗難以客觀、全面地反映錨桿施工質(zhì)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(zhì)量要求，越來越多的大型水利工程利用無損檢測技術(shù)檢測錨固飽滿度和錨桿長度，從而實現(xiàn)錨固質(zhì)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(cè)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(shù)的應(yīng)用日趨廣泛。

1 基本原理

聲波反射法無損檢測技術(shù)的基本原理是依據(jù)應(yīng)力波傳播規(guī)律，判別周圍介質(zhì)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(xué)者最先研制出錨桿無損檢測儀；美國礦業(yè)管理局于1990s初，設(shè)計研發(fā)的頂板錨桿黏結(jié)力測定儀用以檢測錨桿的長度和應(yīng)變；我國學(xué)者汪明武等在1996年研發(fā)了MT-1型錨桿檢測儀；從2000年，國內(nèi)學(xué)者從應(yīng)力波的角度深入探討了錨桿長度、砂漿密實度等參數(shù)檢測技術(shù)，并取得了一定的研究成果[5-7]。聲波反射檢測設(shè)備主要構(gòu)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(chǎn)生聲波，反射聲波經(jīng)傳感器傳輸?shù)叫盘柌杉c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(zhì)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(nèi)容。一般地，可將圍巖、黏結(jié)劑、錨桿組成的錨固體系簡化成一維變截面均質(zhì)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(xiàn)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(zhì)量，必須對錨桿長度進行精準地的檢測分析?！端姽こ体^桿無損檢測規(guī)程》要求關(guān)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(shè)計的95%，必須嚴格執(zhí)行該規(guī)定進行數(shù)據(jù)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(guī)范、操作不符合要求等會形成錨桿內(nèi)部的空漿結(jié)構(gòu)，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?？傮w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(shè)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(zhì)量，現(xiàn)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(shù)要點和流程，檢測結(jié)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(jié)，砂漿密室且無空漿結(jié)構(gòu)，飽滿度較高普遍超過90%。檢測波形規(guī)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(nèi)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(jié)，發(fā)現(xiàn)部分少漿或空漿結(jié)構(gòu)?？諠{段前后檢測到不規(guī)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(jù)桿長范圍內(nèi)檢測的端部反射信號確定錨桿長度。

表1 錨桿無損檢測統(tǒng)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(jié)較差，發(fā)現(xiàn)大范圍少漿或空漿結(jié)構(gòu)。錨桿長度范圍內(nèi)檢測波形不規(guī)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(shè)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(shù)抽驗該隧洞錨桿共35根，經(jīng)計算分析檢測結(jié)果見表1。設(shè)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?？傮w而言，Ⅰ級(優(yōu)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(shè)計要求，因此可以判定錨桿質(zhì)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(cè)邊墻錨桿以Ⅱ級、Ⅲ級為主，而頂拱位置出現(xiàn)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(zhì)量直接相關(guān)，施工條件較差的位置出現(xiàn)錨桿質(zhì)量不合格的概率較高，而施工條件較好的位置錨桿質(zhì)量一般良好。所以，現(xiàn)場技術(shù)人員必須全過程監(jiān)控錨桿施工，特別是對頂拱部位的錨桿支護，要實時監(jiān)控隨時記錄并做好施工管理工作[11-14]。

3 結(jié) 論

錨固飽滿度和錨桿長度是無損檢測的主要內(nèi)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(zhì)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(jié)論如下：

1)聲波反射法具有無損、精準、快捷、方便等優(yōu)點，在水利工程中的應(yīng)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(shè)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(zhì)量判定提供可靠的數(shù)據(jù)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(shè)計要求，可以判定該標段錨桿質(zhì)量為合格。

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