抽水蓄能电站锚杆支护质量无损检测应用

2021-09-22董瑞靖周黎明邓良超耿文浩张光亮

西北水电 2021年4期

董瑞靖,周黎明,邓良超,耿文浩,张光亮

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司,乌鲁木齐 830000；2.长江水利委员会长江科学院,武汉 430000)

0 前言

抽水蓄能作为中国电力系统最可靠、最经济、寿命最长、容量最大的储能装置，承担着重要的调峰调荷功能，对保障电源端大型火电或核电机最优状态运行作用较大。近年来得到了大力发展[1-2]，相关工程技术不断进步，特别是随着碳达峰和碳达标目标的提出，越来越多的抽水蓄能项目将相继开工建设，我国核工业企业主导的第一个抽水蓄能项目也已经上马。锚杆支护工程作为抽水蓄能电站的重要安全措施，其支护质量直接关乎人员、设备安全及电站持续稳定运行，其质量检测技术也得到了相应长足的发展。

锚杆无损检测技术由于其快速、准确且没有损伤的特点，在水电行业得到大量应用推广[3-6]，在新版水电行业单元工程质量验评标准[7]中已经将锚杆长度及注浆密实度加入到主控项，并明确其应进行锚杆无损检测。本文结合阜康抽水蓄能电站交通洞模型锚杆无损检测实例，从锚杆无损检测工作原理、模型锚杆试验、检测成果分析及结论4部分进行总结归纳及分析，为同类工程提供借鉴。

1 工作原理

锚杆无损检测主要采用声波反射法，由锚杆端部瞬态激发产生经杆体向锚杆内传播的应力波，同时在锚杆端部安装接收探头采集直达波和反射波信号。由于锚杆钢筋直径都要远小于锚杆钢筋长度，因此，在锚杆锚固后，可以将杆体和注浆体以及围岩组成的组合体简化为一维杆件[6]，同时依据小应变测桩方法[8]，应力波在沿杆体向下传播过程中，当遇到砂浆和围岩界面时会发生反射和透射。如果锚杆注浆密实，波阻抗差较小，反射回来的反射波能量较弱，接收信号则主要是由直达波组成，信号总体反应衰减较快。反之，则反射波能量较强，接收信号有明显的波形畸变，此时则主要是由直达波和反射波叠加组成，总体反应信号能量变强，衰减较慢。孔底在注浆密实的情况下，其波阻抗界面为钢筋与砂浆围岩组成。因此，可以依据接收信号判别锚杆、锚固系统的锚固质量。

当锚杆锚固质量有缺陷时，接收信号波形图振幅发生变化，在锚杆锚固质量缺陷处同时产生相位畸变。因此，通过分析接收信号的相位畸变的位置可以判断出锚固缺陷位置，同时依据孔底反射信号可以计算出锚杆长度。

依据现行水电行业规范标准[9]，锚杆注浆的饱满度有两种评判方法：一种是有效长度法；一种是反射能量法。由于反射能量法受锚杆外露长度的影响较大，其是锚固质量的一种综合表现形式，本文主要采用有效长度法。有效长度法是将锚杆孔中有效粘结长度计算密实度，即孔中无缺陷段的总长度占设计孔中粘结长度的百分比[9]。密实度是检测锚杆注浆工艺是否达标、注浆效果是否良好的重要指标。判别锚杆锚固密实度方法主要有波形综合判别法、能量法、时域判别法和频谱分析判别法等。

由于抽水蓄能电站工程的锚杆数量大，建设施工周期长，依据现行水电行业规范要求宜进行锚杆模拟试验[9]，下面将先介绍模型锚杆部分。

2 模拟锚杆试验

阜康抽水蓄能电站交通洞模型锚杆采用武汉长盛工程检测技术开发有限公司生产的JL-MG(D)型锚杆质量检测仪进行检测，该仪器由超磁致发射震源、采集仪、接收信号探头等部分组成。采用超磁致发射震源可以减少人为敲击差异的影响，检测信号波形一致性好、现场检测效率高。

图1为模型锚杆示意图，其均为全长粘结型锚杆，模拟材料采用PVC塑料管，锚杆先注浆后插杆，模型锚杆规格见表1。在进行模拟注浆前将PVC塑料管一端用封闭塞封堵密实，内径不大于90 mm，PVC长度比锚杆长1 m以上，水平固定在排架上，待在室内现场养护3天以后用JL-MG(D)型锚杆质量检测仪进行检测。

图1 模拟锚杆示意图

表1 模拟锚杆规格

结合现场剖管，选取典型检测波形图进行对比。

图2～5为典型模拟锚杆实测波形图，这4根锚杆底部均与PVC管形成的反射界面，其波阻抗较大，反射波能量很强，通过剖管发现与实际相符，杆底无砂浆。其中图2和5中应力波波形规则，呈指数快速衰减，且持续时间短，杆体无明显缺陷，锚杆注浆密实。同时根据实测锚杆长度反算出杆系波速为4 300 m/s，其余锚杆均按照此速度解释。而图3及4中，其局部注浆不密实，反射波较为明显，波形持续时间变长，能量衰减较慢。因此注浆密实的锚杆波形规则，呈指数型衰减，波形持续时间短，杆中反射波微弱,然而对于注浆局部不密实的锚杆，波形不规则，波形持续时间变长，剖管结果也与实际相对应。

图2 注浆密实模拟锚杆实测波形图

图3 注浆不密实模拟锚杆实测波形图

图4 注浆不密实模拟锚杆实测波形图

图5 注浆密实模拟锚杆实测波形图

通过分析模拟锚杆，本次注浆工艺采取水平注浆，局部仍有缺陷，实际施工中拱顶采取垂直注浆，出现杆底无浆或者少浆，施工时应加强注浆压力，做好孔口浆液封堵工作。同时得出以下经验总结：

(1) 锚固质量较好的锚杆，反射波波形规则，振幅衰减快，波形最终回归基线，底端反射微弱或无反射，频谱曲线也只有一个主频；锚固质量差的锚杆，不密实段往往表现为相位轻微变化或产生正反相叠加现象，在其频谱曲线中会出现多个主频，多个主频之间的差值越小，需进行滤波处理[7-8]。

(2) 通过模型锚杆试验表明，锚杆缺陷能够在锚杆的波形曲线形态和相位分析图上有效地反映出来，当锚杆中出现缺陷时，在相应的位置会发生波形缺陷形态突变，缺陷程度越严重，波形变形越严重。

(3) 杆底反射是判断锚杆长度的有效手段，但由于模型锚杆孔底与实际工程中差异较大，应采用弱信号提取方法提取孔底反射波，从而计算锚杆长度。

通过模拟锚杆获取检测及资料处理经验后，下面进行现场工程锚杆实测。

3 检测成果分析

选取交通洞6个单元锚杆进行无损检测，按照10%的比例进行抽检，共抽检253根。按照现行规范进行操作[8]。采集前先去除锚杆端部的砂浆并进行磨平，以确保得到干扰较弱或者没有干扰的有效检测数据，采集后对数据进行分析与处理，可以定量分析注浆饱满度与锚杆长度。依据实际工程应用过程中锚杆孔底段无砂浆情况反算，以及类似工程经验，锚杆杆系波速取值5 120 m/s，结合模型锚杆试验缺陷拾取规律方法，对锚杆进行缺陷拾取，以下是常见波形信号。

图6为某根锚杆无损检测原始记录图及其解释。由图可见，6道记录一致性很好，且波形规则，呈指数衰减，持续时间短，杆底反射不明显，未见不规则反射波。该原始资料信噪比高，可不经过处理，分析计算其注浆密实，长度合格，综合评定为Ⅰ级锚杆。

图6 锚杆无损检测原始记录及其解释图

图7为某单根具有缺陷锚杆无损检测原始记录图及其解释图，从图上可以看出，6道波形一致性很好，波形较规则，呈指数衰减，可见1处缺陷，经过处理分析，注浆局部不密实，长度合格，依据有效长度法计算其锚杆注浆饱满度为87.5%，综合评定为Ⅱ级锚杆。

图7 锚杆无损检测原始记录及其解释图

图8为某单根具有多个缺陷锚杆无损检测原始记录图及其解释图，该锚杆所在区域地质条件较差，从图上看出，6道波形一致性很好，波形欠规则，呈逐步衰减，持续时间较长。经过分析处理，得出3个缺陷，长度合格，其中孔底段反射波明显，反射波能量强，依据有效长度法计算其锚杆注浆饱满度为76.6%，综合评定为Ⅲ级锚杆，在常规永久性锚杆中其属于不合格锚杆，已下发不合格通知单。

图8 锚杆无损检测原始记录及其解释图

图9为2根不同外露段长度锚杆无损检测原始记录及其傅氏变换图，图9(a)和(c)中单根原始记录中波形六道记录一致性很好，且波形规则，呈指数衰减，图9(a)比(c)持续时间短，杆底反射均不明显，未见不规则反射波。由图9(b)及(d)可以得出，外露段长度对其原始信号影响较大，外露段长度过长，其低频信号成为优势信号，压制高频信号，从而导致浅部锚杆注浆信息被掩盖，而深部锚杆注浆信息则被放大。经过多个实测锚杆数据统计发现，外露段长度大于20 cm时影响较为明显。