邵 帥

(盤錦水務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧 盤錦 124010)

水電站地下引水發(fā)電系統(tǒng)主要由尾水工程、引水隧洞、地下廠房、進(jìn)出水口等組成，這些結(jié)構(gòu)大多需要錨桿施工，錨桿長(zhǎng)度介于3-15m之間，洞室的安全穩(wěn)定與系統(tǒng)工程中的錨桿直接相關(guān)，因此現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)和控制錨桿質(zhì)量極其重要。20世紀(jì)80年代為檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量最先應(yīng)用了超聲波技術(shù)；20世紀(jì)90年代，為了檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度和應(yīng)變，美國(guó)礦業(yè)管理局開發(fā)了頂板錨桿黏結(jié)力測(cè)定儀；1996年，中國(guó)學(xué)者王鶴齡等研制了MT-1型錨桿檢測(cè)儀；2000年以來，對(duì)錨桿砂漿密實(shí)度、長(zhǎng)度等參數(shù)的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者從應(yīng)力波的角度做了初步探究，并取得豐碩的成果[1-4]。針對(duì)水利工程全長(zhǎng)黏結(jié)型錨桿的注漿密實(shí)度及其有效錨固長(zhǎng)度，文章結(jié)合工程實(shí)踐全面評(píng)價(jià)了錨桿的施工質(zhì)量。

1 錨桿質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)

1.1 應(yīng)力波反射檢測(cè)原理

對(duì)于直徑d遠(yuǎn)<長(zhǎng)度l且為圓柱體的工程錨桿構(gòu)件，可以對(duì)錨桿利用彈性波一維桿件理論分析，周圍巖(土)與砂漿、錨桿鋼筋膠結(jié)成一體的波阻抗存在明顯差異。所以，可以用一維彈性桿件替代錨固系統(tǒng)(砂漿與鋼筋)，錨桿無損檢測(cè)圖，見圖1。

依據(jù)彈性波反射原理以及應(yīng)力波理論，經(jīng)推導(dǎo)運(yùn)算建立錨桿系統(tǒng)中彈性波的波動(dòng)方程，其表達(dá)式為：

(1)

式中：u為X方向某點(diǎn)位；K、C為剛度系數(shù)和彈性阻尼系數(shù)；E、A為彈性模量和橫截面積；Vp、t為固結(jié)波速和波的傳播速度。

圖1 錨桿無損檢測(cè)圖

1.2 注漿飽和度檢測(cè)

在圍巖-砂漿-錨桿體系中，注漿基本完整且砂漿飽和度較好時(shí)其波阻抗幾乎無變化，當(dāng)局部砂漿飽和度出現(xiàn)改變時(shí)則該部位底、頂界面波阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測(cè)定圍巖-砂漿-錨桿中應(yīng)力波傳播的阻尼情況，桿低端反射信號(hào)衰減度、頻域、強(qiáng)弱及時(shí)域等即可評(píng)定錨桿注漿飽和度。

1.3 錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)

豎向激振鋼筋端部，彈性波沿著鋼筋傳播并與周圍砂漿產(chǎn)生明顯波組抗界面，該條件下會(huì)產(chǎn)生反射波。所以，將檢波器附于鋼筋孔口處，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性波反射和傳播信號(hào)的檢測(cè)，通過數(shù)據(jù)分析、信號(hào)接受和放大處理等操作，能夠識(shí)別來源于各部位的反射信息，利用獲取的反射波走時(shí)t計(jì)算出錨桿長(zhǎng)度，計(jì)算式為L(zhǎng)=Vp×t/2。實(shí)際上，獲取清晰可見的底端反射和確定固結(jié)速度Vp是檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度最關(guān)鍵的因素，一般通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)定可以測(cè)出固結(jié)速度。

固結(jié)波速是錨桿錨固質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要參數(shù)，這是經(jīng)過錨桿錨固段時(shí)激發(fā)應(yīng)力波的速度，其中錨桿錨固段是圍堰和錨固劑、錨桿共同組成的體系。研究表明，黏結(jié)強(qiáng)度越高、錨固質(zhì)量越好則固結(jié)波速越低，與錨固介質(zhì)的波速也就越接近；錨桿完全沒有黏結(jié)或者錨固質(zhì)量越差，則錨桿桿體的波速等于或更接近于固結(jié)波速。

1.4 測(cè)試方法技術(shù)

采取以瞬態(tài)為輔、穩(wěn)態(tài)為主的測(cè)試方法，應(yīng)用到的錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀型號(hào)為JL-MG(D)型；超磁發(fā)射震源采樣間隔為1μs-200μs，其連續(xù)發(fā)射時(shí)間間隔≤20ms；此外，還應(yīng)用到高阻尼速度傳感器、加速度傳感器。采用黃油等將激振器、檢波器耦合于桿側(cè)和桿端，實(shí)測(cè)時(shí)域曲線利用儀器記錄。通過準(zhǔn)確分析實(shí)測(cè)時(shí)域曲線的相位、幅值、頻譜、時(shí)域等，科學(xué)的評(píng)價(jià)錨桿質(zhì)量，單體錨桿施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 單體錨桿施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2 錨桿波形響應(yīng)特征

根據(jù)技術(shù)規(guī)范和相關(guān)工藝流程現(xiàn)場(chǎng)制作20根模型錨桿，錨桿直徑處于Φ25-40mm之間，選用M30強(qiáng)度等級(jí)砂漿。對(duì)模型錨桿人為設(shè)計(jì)一定的缺陷，為便于判別可設(shè)計(jì)成空漿缺陷。室內(nèi)模型錨桿的鋼筋長(zhǎng)度取5.8-7.5m，砂漿厚度設(shè)計(jì)成40cm，不同規(guī)格錨桿模型檢測(cè)結(jié)果，見表2。通過深入分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的模型錨桿波涌，確定判別錨桿缺陷的主要依據(jù)。

表2 不同規(guī)格錨桿模型檢測(cè)結(jié)果

2.1 無缺陷錨桿的波形識(shí)別

該類錨桿的底端無反射或反射微弱，能量衰減快且波形規(guī)則，1#全密實(shí)模型錨桿波形圖，見圖2。該類錨桿的漿液與桿體的飽和度普遍達(dá)到90%，注漿密實(shí)、膠結(jié)良好且未發(fā)現(xiàn)空漿現(xiàn)象。

圖2 1#全密實(shí)模型錨桿波形圖

2.2 缺陷錨桿波形特征

2.2.1 內(nèi)部某段空漿缺陷

該類錨桿具有不規(guī)則的波形，其空漿段前后端反射明顯或波形畸形，可以確定空漿段的密實(shí)度及其長(zhǎng)度，局部空腔錨桿波形圖，見圖3。

2.2.2 注漿欠密實(shí)

該類錨桿具有復(fù)雜的波形，一般難以給予準(zhǔn)確的判斷，錨桿注漿欠密實(shí)波形圖，見圖4：①漿液與桿體無明顯空漿現(xiàn)象，兩者能夠比較均勻的膠結(jié)，但飽和度大多處于75%-90%，錨桿注漿不夠密實(shí)，波形檢測(cè)相對(duì)規(guī)則，8#錨桿注漿欠密實(shí)但均勻，圖4(a)；②模型錨桿存在局部缺陷，鋼筋附近圍裹的不均勻介質(zhì)將引起該部位波形畸變或產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射波信號(hào)；③由于巖石、砂石和鋼筋三者的波阻抗的差別較為明顯，一般出現(xiàn)較明顯的反射波信號(hào)，12#錨桿內(nèi)部細(xì)微缺陷，見圖4(b)。

(a)5#錨桿終端空漿缺陷 (b)15#錨桿前端空漿缺陷

(a)8#錨桿注漿欠密實(shí)但均勻

(b)12#錨桿內(nèi)部細(xì)微缺陷

2.2.3 全脫空缺陷

該類錨桿與自由錨桿具有相似的檢測(cè)波形，波形規(guī)則且反射能量衰減較慢，底部具有強(qiáng)烈的反射，以足夠長(zhǎng)的采集時(shí)間則可以獲取多次重復(fù)反射。因此，該條件下計(jì)算波速較高接近鋼筋本身波速。

2.3 實(shí)例應(yīng)用

以某水電站5#施工支洞和進(jìn)廠交通洞為例，無損檢測(cè)錨桿質(zhì)量狀況。尾水洞-廠房西側(cè)布置有進(jìn)廠交通洞，進(jìn)廠方式設(shè)為水平正交，工程區(qū)錨桿圍堰為花崗巖，標(biāo)準(zhǔn)斷面凈寬7.5m，凈高8.4m。

通過綜合評(píng)定，某標(biāo)段隨機(jī)檢測(cè)的30根錨桿合格及以上的有28根，所占比例達(dá)到93.3%，其中優(yōu)良級(jí)錨桿16根，優(yōu)良率達(dá)到53.3%；錨桿檢測(cè)不合格級(jí)有2根，所占比例6.67%，錨桿無損檢測(cè)成果表，見表3。

表3 錨桿無損檢測(cè)成果表

綜上分析，所測(cè)錨桿底部和淺部屬于注漿飽和度缺陷的集中區(qū)，主要表現(xiàn)為基本無漿或飽和度較差等。深入分析可知，插筋時(shí)錨固劑因封堵孔口不嚴(yán)而出現(xiàn)漏損，從而導(dǎo)致注漿飽和度缺陷。相對(duì)于系統(tǒng)錨桿的合格率，隨機(jī)所測(cè)錨桿相對(duì)偏低，這是由于裂隙水及洞壁巖體完整性等差異所造成的。

3 結(jié) 論

目前，錨桿質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)在工程物探領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛，這也體現(xiàn)了無損檢測(cè)技術(shù)在工程檢測(cè)中的應(yīng)用前景、地位和作用普遍看好。另外，該方法具有數(shù)據(jù)處理方便、精度高、檢測(cè)速度快、操作穩(wěn)定可靠、性能良好以及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果可以為加固設(shè)計(jì)水工隧洞等奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

通過總結(jié)和分析模型錨桿無損檢測(cè)方法，為合理評(píng)判錨桿質(zhì)量缺陷確立判定標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用該方法提供了技術(shù)支持。