声波反射法无损检测技术在水利水电工程锚杆中的应用分析

李树彬

(北票市农业农村局，辽宁 朝阳 122100)

施工过程中必须严格控制锚杆支护等隐蔽工程质量，若出现质量缺陷等问题势必对工程整体质量造成严重影响[1]。因此，为有效避免以上问题保证锚杆施工质量，必须对完成施工的锚杆进行及时检测。目前，检测锚杆受力情况最通用普遍的方法是抗拔试验，但这种破坏性试验存在一定的缺陷，加之受仪器设备的限制试验部位具有一定的局限性，试验数据少且可靠度低[2]。研究表明，握裹长度达到40倍直径时锚杆的握裹力就达到材质的极限抗拉强度，而实际工程中的锚固长度远大于该数值，所以拉拔试验难以客观、全面地反映锚杆施工质量，尤其是无法衡量其锚固饱满度[3-4]。随着水利水电工程中锚杆的广泛使用，锚杆抗拔试验已无法满足锚固质量要求，越来越多的大型水利工程利用无损检测技术检测锚固饱满度和锚杆长度，从而实现锚固质量的全面精准评价。由于试验条件要求低、试验范围广泛适用于洞顶侧或高边坡等部位，加之能够随时开展，对正常施工不造成影响等特点，水利工程中无损检测技术的应用日趋广泛。

1 基本原理

声波反射法无损检测技术的基本原理是依据应力波传播规律，判别周围介质与一维弹性杆体的波阻抗差异，差异越大则越接近理论模型。该理论研究起始于1980s，通过大量试验由瑞典学者最先研制出锚杆无损检测仪；美国矿业管理局于1990s初，设计研发的顶板锚杆黏结力测定仪用以检测锚杆的长度和应变；我国学者汪明武等在1996年研发了MT-1型锚杆检测仪；从2000年，国内学者从应力波的角度深入探讨了锚杆长度、砂浆密实度等参数检测技术，并取得了一定的研究成果[5-7]。声波反射检测设备主要构成有分析仪、信号采集仪、传感器和激振器，在外露锚杆端部通过激振器击打产生声波，反射声波经传感器传输到信号采集与分析仪，并自动生成声波图，通过综合分析频谱、相位曲线、波曲线等检测锚固饱满度和锚杆长度[8-10]。

2 锚杆质量分析

工程中，锚固饱满度和锚杆长度是无损检测的主要内容。一般地，可将围岩、黏结剂、锚杆组成的锚固体系简化成一维变截面均质杆(嵌入围岩)，以杆件截面面积的变化反映锚固饱满度的变化情况，把广义波阻抗的变化表现为锚固饱满度和锚杆长度的变化。

2.1 锚杆长度

锚杆长度直接影响着锚固质量，必须对锚杆长度进行精准地的检测分析。《水利水电工程锚杆无损检测规程》要求关键部位的锚杆不足长度不大于0.2m，实测单根锚杆入孔长度不得小于设计的95%，必须严格执行该规定进行数据检测与分析。

2.2 锚固饱满度

施工工艺在程度上决定着锚杆饱满度，施工不规范、操作不符合要求等会形成锚杆内部的空浆结构，可以利用反射波能量法或计算空浆段长度判定锚杆饱满度。总体而言，采用锚杆无损检测仪综合分析有效长度法和反射波能量法，从而精准评价锚杆饱满度。

2.3 实例分析

辽宁某跨流域长距离引水隧洞工程，设计喷锚支护锚固饱满度≥75%，锚杆长度5.0m，以M25水泥砂浆作为注浆材料，围岩为Ⅳ类。为了保证锚杆施工质量，现无损检测与分析M2+120-M2+150段锚杆。文章选择4根典型的锚杆(如图1)，简要说明无损检测技术要点和流程，检测结果见表1。

(a)全长密室

(b)局部不密室

(c)全长不密室

(d)长度不足

从图1(a)可以看出，这种锚杆全长密实，砂浆与锚杆的杆体较好黏结，砂浆密室且无空浆结构，饱满度较高普遍超过90%。检测波形规则无明显波阻抗界面，波阻抗沿着杆长方向保持不变，杆底可能存在微弱反射信号而杆长深度范围内无反射波，锚杆只有杆底微弱的反射波信号和入射波信号。

从图1(b)可以看出，这种锚杆局部不密室，砂浆与锚杆的大部分杆体能够较好黏结，发现部分少浆或空浆结构。空浆段前后检测到不规则波形，多个波阻抗界面集中分布于杆中，所有界面都会形成负或正相位的反射波，依据杆长范围内检测的端部反射信号确定锚杆长度。

表1 锚杆无损检测统计表

从图1(c)可以看出，这种锚杆全长不密室，砂浆与锚杆的杆体黏结较差，发现大范围少浆或空浆结构。锚杆长度范围内检测波形不规则，新濠博多次反射且每次都为正相位。

从图1(d)可以看出，这种锚杆长度不足，一般这种锚杆的杆底反射波形图为正相位，尤其是反射信号相位间距相同时，设计锚杆长度远远大于计算长度，从而可以判定长度不足。

采用无损检测技术抽验该隧洞锚杆共35根，经计算分析检测结果见表1。设锚杆合格标准为达到Ⅲ级及以上，则锚杆不合格的共计2根，其中锚杆长度不合格和锚杆注浆饱满度不合格的各1根。总体而言，Ⅰ级(优秀)、Ⅱ级(良好)、Ⅲ级(合格)、Ⅳ级(不合格)锚杆分别为7根、19根、7根、2根，所占比例依次为20.0%、42.3%、20.0%、5.7%，该批次锚杆的合格率达到94.3%，符合不低于80%的设计要求，因此可以判定锚杆质量为合格。

深入分析可知，引水隧洞拱底脚处的锚杆大多为Ⅰ级，两侧边墙锚杆以Ⅱ级、Ⅲ级为主，而顶拱位置出现了2处不合格锚杆。研究认为，操作平台、施工难易程度与锚杆的施工质量直接相关，施工条件较差的位置出现锚杆质量不合格的概率较高，而施工条件较好的位置锚杆质量一般良好。所以，现场技术人员必须全过程监控锚杆施工，特别是对顶拱部位的锚杆支护，要实时监控随时记录并做好施工管理工作[11-14]。

3 结 论

锚固饱满度和锚杆长度是无损检测的主要内容，声波反射法无损检测能够全面、精准地测定各部位锚杆质量。文章以辽宁某长距离引水隧洞工程为例，运用声波反射法检测与分析了喷锚支护工程M2+120-M2+150段锚杆，主要结论如下：

1)声波反射法具有无损、精准、快捷、方便等优点，在水利工程中的应用日趋广泛。在分析锚杆波形图时，必须全面掌握不同缺陷特点，综合考虑设计长度、外露长度、波形、频谱、相位等因素合理确定缺陷类型，为锚杆质量判定提供可靠的数据支撑。

2)本次无损检测抽验锚杆共35根，其中Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级锚杆分别为7根、19根、7根、2根，该批次锚杆的合格率达到94.3%，满足不低于80%的设计要求，可以判定该标段锚杆质量为合格。

3)操作平台、施工难易程度与锚杆的施工质量直接相关，为保证整体施工质量，现场技术人员必须全过程监控锚杆施工，特别是对顶拱部位的锚杆支护，要实时监控随时记录并做好施工管理工作。