基于聲波反射法的錨桿無損檢測技術(shù)在水利工程中的應用

王麗峰

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

錨桿施工屬于隱蔽工程，在施工過程中要嚴格控制施工質(zhì)量，如果施工中出現(xiàn)質(zhì)量缺陷等問題，進而就會影響工程整體質(zhì)量，為了避免這類問題的存在，必須及時對施工完成的錨桿進行檢測，確保錨桿施工質(zhì)量[1]。目前，錨桿檢測普遍通用的方法是錨桿抗拔試驗檢測錨桿的受力情況，但是這種方法存在一定的缺點，是一種破壞性試驗，而且由于儀器設(shè)備的問題，試驗部位存在一定的局限性，導致試驗數(shù)據(jù)不夠全面[2]。據(jù)有關(guān)研究結(jié)果表明，當錨桿握裹長度達到40倍錨桿直徑時，其握裹力已經(jīng)達到錨桿材質(zhì)極限抗拉強度，而錨桿錨固長度一般遠大于40倍的錨桿直徑，因此，錨桿拉拔力試驗無法全面、客觀地反映錨桿整體施工質(zhì)量狀況，特別是難以反應錨桿的錨固飽滿度。隨著錨桿在水利工程中的大量使用，錨桿抗拔力試驗已明顯不能滿足檢驗錨桿錨固質(zhì)量的要求。因此，近年來一些大型水利工程，均采用無損檢測技術(shù)檢測錨桿的長度和錨固飽滿度，以此來評價錨桿錨固質(zhì)量。

無損檢測技術(shù)可以在不影響正常施工的條件下隨時進行，而且試驗范圍比較廣泛，試驗條件要求較低，無論是高邊坡還是洞頂側(cè)都可以進行試驗，進而廣泛的應用于水利工程中。

1 錨桿無損檢測的基本原理

錨桿聲波反射法檢測的理論模型為一維彈性桿體，依據(jù)一維彈性桿體應力波的傳播規(guī)律，桿體與周圍介質(zhì)的波阻抗差異越大，與理論模型越接近。早在20世紀80年代已經(jīng)開始研究，由瑞典的研究人員經(jīng)過大量的試驗最終研發(fā)出錨桿無損檢測儀[3]。該儀器設(shè)備主要由激振器、傳感器、信號采集與分析儀組成，通過激振器在外露錨桿的端部進行一次擊打產(chǎn)生聲波，然后在該處端頭由傳感器傳輸反射聲波到信號采集與分析儀中生成波形圖。通過波曲線、相位曲線、頻譜綜合分析錨桿長度和錨固飽滿度。

2 錨桿錨固質(zhì)量評價

錨桿質(zhì)量無損檢測的內(nèi)容為錨桿長度和錨固飽滿度。在由錨桿、粘結(jié)劑、圍巖組成的錨固體系中可將錨固體系簡化為嵌入圍巖的一維均質(zhì)變截面桿。錨固飽滿度的變化表現(xiàn)為桿件截面面積的變化，錨桿長度為材質(zhì)的變化，無論錨桿長度和錨固飽滿度的變化均表現(xiàn)為廣義波阻抗的變化。

2.1 錨桿長度

錨桿長度對實際工程錨固質(zhì)量影響較大，在檢測過程中必須認真、仔細、實事求是地分析該數(shù)據(jù)。根據(jù)《水電水利工程錨桿無損檢測規(guī)程》(DL/T 5424—2009)中規(guī)定：單根錨桿的實測入孔長度必須大于等于設(shè)計長度的95%，且關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)錨桿不足長度不超過0.2 m[4]，因此，數(shù)據(jù)分析中應嚴格按照此規(guī)定進行。

2.2 錨固飽滿度

錨桿飽滿度與施工工藝密切相關(guān)，較差的施工工藝會導致錨桿體內(nèi)部出現(xiàn)空漿結(jié)構(gòu)，可以通過空漿段長度計算錨桿飽滿度，也可以通過反射波能量法確定錨桿飽滿度。此次試驗所用的錨桿無損檢測儀，是通過反射波能量法與有效長度法綜合分析錨固飽滿度。

3 工程實例分析

新疆某引水隧洞錨噴支護工程，錨桿設(shè)計長度為4.5 m，錨固飽滿度≥75%，圍巖等級為Ⅳ類，注漿材料為M25水泥砂漿?，F(xiàn)對K3+121～K3+151段錨桿進行無損檢測并分析，評價該段的施工質(zhì)量。從這批錨桿中找出4根具有代表性的錨桿進行具體分析(見圖1～4)，并將所有錨桿檢測結(jié)果匯總(見表1)。

圖1為全長密實錨桿，此類錨桿的桿體與砂漿粘結(jié)較好，無空漿結(jié)構(gòu)，砂漿密實，飽滿度較高，一般都在90%以上。檢測波形規(guī)則，沿桿長方向波阻抗相同，沒有明顯的波阻抗界面[5]，在桿長深度范圍內(nèi)沒有反射波，只在桿底可能產(chǎn)生微弱的反射信號，錨桿的波形信號只有入射波信號或微弱的桿底反射波信號。

圖2為局部不密實錨桿，此類錨桿的桿體和砂漿大部分粘結(jié)較好，有少部分空漿或少漿結(jié)構(gòu)。檢測波形中空漿段的前后波形不規(guī)則，在桿中存在多個波阻抗界面，每個界面均會產(chǎn)生正相位或負相位的反射波，在桿長范圍內(nèi)有多個反射信號，根據(jù)端部反射確定錨桿長度。

圖3為全長不密實錨桿，此類錨桿的桿體與砂漿粘結(jié)較差，大部分為空漿或少漿結(jié)構(gòu)。檢測波形不規(guī)則，在錨桿長度范圍內(nèi)形成多次反射，每次反射波信號均為正相位。

圖4為長度不足錨桿，此類錨桿波形圖桿底反射信號一般為正相位，特別是會出現(xiàn)多個等間距相位的反射信號時，計算錨桿長度明顯小于設(shè)計錨桿長度，由此判斷該錨桿長度不足。

該隧洞錨桿無損檢測共抽檢32根，經(jīng)分析計算，檢測成果分析情況見表1。其中錨桿注漿飽滿度不合格1根，錨桿長度不合格1根，共計2根錨桿不合格。總體評價為：Ⅰ級錨桿6根，占總數(shù)的18.75%；Ⅱ級錨桿16根，占總數(shù)的50.00%；Ⅲ級錨桿8根，占總數(shù)的25.00%；Ⅳ級錨桿2根，占總數(shù)的6.25%；Ⅳ級以上錨桿為合格，因此，該試驗單元的錨桿合格率為93.75%>80%，故該單元工程錨桿質(zhì)量評定為合格。

圖1 全長密實錨桿示意

圖2 局部不密實錨桿示意

圖3 全長不密實錨桿示意

表1 錨桿質(zhì)量一覽

錨桿編號設(shè)計長度/m實測長度/m飽滿度/%飽滿度等級錨固質(zhì)量評價14.54.4191.1AⅠ合格24.54.5082.3BⅡ合格34.54.4184.8BⅡ合格44.54.4388.6BⅡ合格54.54.4686.3BⅡ合格64.54.4087.5BⅡ合格74.54.4298.4AⅠ合格84.54.4279.6CⅢ合格94.54.5788.0BⅡ合格104.54.7378.8CⅢ合格114.54.7189.7BⅡ合格124.54.4679.7CⅢ合格134.54.3886.7BⅡ合格144.54.4697.4AⅠ合格154.54.5784.8BⅡ合格164.54.5386.7BⅡ合格174.54.3697.9AⅠ合格184.54.3676.4CⅢ合格194.54.3577.1CⅢ合格204.54.3097.7AⅠ合格214.54.5185.1BⅡ合格224.53.0491.3DⅣ不合格234.54.4788.2BⅡ合格244.54.3977.6CⅢ合格254.54.6387.5BⅡ合格264.54.4587.9BⅡ合格274.54.6088.1BⅡ合格284.54.6857.0DⅣ不合格294.54.4876.5CⅢ合格304.54.2877.1CⅢ合格314.54.5392.2AⅠ合格324.54.5388.1BⅡ合格

通過對該批錨桿分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ級錨桿主要分布在拱底腳處，Ⅱ、Ⅲ級錨桿主要分布在兩側(cè)邊墻，Ⅳ級不合格錨桿出現(xiàn)在頂拱位置。由此可見，錨桿的施工質(zhì)量與施工條件的難易程度密切相關(guān)，施工條件良好的地方錨桿質(zhì)量較好，而在施工條件較差的地方，錨桿的質(zhì)量就會下降，甚至出現(xiàn)不合格錨桿。因此，現(xiàn)場施工員要嚴格監(jiān)控施工質(zhì)量，對于頂拱位置要格外關(guān)注隨時記錄，做好現(xiàn)場管理工作。

4 結(jié)語

錨桿無損檢測技術(shù)主要檢測內(nèi)容為錨桿長度及錨固飽滿度，通過聲波反射法進行測定。本文通過對新疆某引水隧洞錨噴支護工程K3+121～K3+151段錨桿進行無損檢測并對波形分析可知：

1) 聲波反射法具有方便、快捷、準確、無損等特點，在錨桿無損檢測中得到了廣泛的應用。

2) 通過對典型錨桿波形圖分析可知，在進行錨桿分析時，應根據(jù)波形、相位、頻譜、外露長度、設(shè)計長度等因素綜合分析，確定不同缺陷類型特點，為錨桿無損檢測分析提供參考。

3) 本次共檢測錨桿32根，其中Ⅰ級錨桿6根，Ⅱ級錨桿16根，Ⅲ級錨桿8根，Ⅳ級錨桿2根，合格率為93.75%>80%，故該單元工程錨桿施工質(zhì)量評定為合格。