抽水蓄能電站錨桿支護質量無損檢測應用

董瑞靖,周黎明,鄧良超,耿文浩,張光亮

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司,烏魯木齊 830000；2.長江水利委員會長江科學院,武漢 430000)

0 前 言

抽水蓄能作為中國電力系統最可靠、最經濟、壽命最長、容量最大的儲能裝置，承擔著重要的調峰調荷功能，對保障電源端大型火電或核電機最優狀態運行作用較大。近年來得到了大力發展[1-2]，相關工程技術不斷進步，特別是隨著碳達峰和碳達標目標的提出，越來越多的抽水蓄能項目將相繼開工建設，我國核工業企業主導的第一個抽水蓄能項目也已經上馬。錨桿支護工程作為抽水蓄能電站的重要安全措施，其支護質量直接關乎人員、設備安全及電站持續穩定運行，其質量檢測技術也得到了相應長足的發展。

錨桿無損檢測技術由于其快速、準確且沒有損傷的特點，在水電行業得到大量應用推廣[3-6]，在新版水電行業單元工程質量驗評標準[7]中已經將錨桿長度及注漿密實度加入到主控項，并明確其應進行錨桿無損檢測。本文結合阜康抽水蓄能電站交通洞模型錨桿無損檢測實例，從錨桿無損檢測工作原理、模型錨桿試驗、檢測成果分析及結論4部分進行總結歸納及分析，為同類工程提供借鑒。

1 工作原理

錨桿無損檢測主要采用聲波反射法，由錨桿端部瞬態激發產生經桿體向錨桿內傳播的應力波，同時在錨桿端部安裝接收探頭采集直達波和反射波信號。由于錨桿鋼筋直徑都要遠小于錨桿鋼筋長度，因此，在錨桿錨固后，可以將桿體和注漿體以及圍巖組成的組合體簡化為一維桿件[6]，同時依據小應變測樁方法[8]，應力波在沿桿體向下傳播過程中，當遇到砂漿和圍巖界面時會發生反射和透射。如果錨桿注漿密實，波阻抗差較小，反射回來的反射波能量較弱，接收信號則主要是由直達波組成，信號總體反應衰減較快。反之，則反射波能量較強，接收信號有明顯的波形畸變，此時則主要是由直達波和反射波疊加組成，總體反應信號能量變強，衰減較慢。孔底在注漿密實的情況下，其波阻抗界面為鋼筋與砂漿圍巖組成。因此，可以依據接收信號判別錨桿、錨固系統的錨固質量。

當錨桿錨固質量有缺陷時，接收信號波形圖振幅發生變化，在錨桿錨固質量缺陷處同時產生相位畸變。因此，通過分析接收信號的相位畸變的位置可以判斷出錨固缺陷位置，同時依據孔底反射信號可以計算出錨桿長度。

依據現行水電行業規范標準[9]，錨桿注漿的飽滿度有兩種評判方法：一種是有效長度法；一種是反射能量法。由于反射能量法受錨桿外露長度的影響較大，其是錨固質量的一種綜合表現形式，本文主要采用有效長度法。有效長度法是將錨桿孔中有效粘結長度計算密實度，即孔中無缺陷段的總長度占設計孔中粘結長度的百分比[9]。密實度是檢測錨桿注漿工藝是否達標、注漿效果是否良好的重要指標。判別錨桿錨固密實度方法主要有波形綜合判別法、能量法、時域判別法和頻譜分析判別法等。

由于抽水蓄能電站工程的錨桿數量大，建設施工周期長，依據現行水電行業規范要求宜進行錨桿模擬試驗[9]，下面將先介紹模型錨桿部分。

2 模擬錨桿試驗

阜康抽水蓄能電站交通洞模型錨桿采用武漢長盛工程檢測技術開發有限公司生產的JL-MG(D)型錨桿質量檢測儀進行檢測，該儀器由超磁致發射震源、采集儀、接收信號探頭等部分組成。采用超磁致發射震源可以減少人為敲擊差異的影響，檢測信號波形一致性好、現場檢測效率高。

圖1為模型錨桿示意圖，其均為全長粘結型錨桿，模擬材料采用PVC塑料管，錨桿先注漿后插桿，模型錨桿規格見表1。在進行模擬注漿前將PVC塑料管一端用封閉塞封堵密實，內徑不大于90 mm，PVC長度比錨桿長1 m以上，水平固定在排架上，待在室內現場養護3天以后用JL-MG(D)型錨桿質量檢測儀進行檢測。

圖1 模擬錨桿示意圖

表1 模擬錨桿規格

結合現場剖管，選取典型檢測波形圖進行對比。

圖2～5為典型模擬錨桿實測波形圖，這4根錨桿底部均與PVC管形成的反射界面，其波阻抗較大，反射波能量很強，通過剖管發現與實際相符，桿底無砂漿。其中圖2和5中應力波波形規則，呈指數快速衰減，且持續時間短，桿體無明顯缺陷，錨桿注漿密實。同時根據實測錨桿長度反算出桿系波速為4 300 m/s，其余錨桿均按照此速度解釋。而圖3及4中，其局部注漿不密實，反射波較為明顯，波形持續時間變長，能量衰減較慢。因此注漿密實的錨桿波形規則，呈指數型衰減，波形持續時間短，桿中反射波微弱,然而對于注漿局部不密實的錨桿，波形不規則，波形持續時間變長，剖管結果也與實際相對應。

圖2 注漿密實模擬錨桿實測波形圖

圖3 注漿不密實模擬錨桿實測波形圖

圖4 注漿不密實模擬錨桿實測波形圖

圖5 注漿密實模擬錨桿實測波形圖

通過分析模擬錨桿，本次注漿工藝采取水平注漿，局部仍有缺陷，實際施工中拱頂采取垂直注漿，出現桿底無漿或者少漿，施工時應加強注漿壓力，做好孔口漿液封堵工作。同時得出以下經驗總結：

(1) 錨固質量較好的錨桿，反射波波形規則，振幅衰減快，波形最終回歸基線，底端反射微弱或無反射，頻譜曲線也只有一個主頻；錨固質量差的錨桿，不密實段往往表現為相位輕微變化或產生正反相疊加現象，在其頻譜曲線中會出現多個主頻，多個主頻之間的差值越小，需進行濾波處理[7-8]。

(2) 通過模型錨桿試驗表明，錨桿缺陷能夠在錨桿的波形曲線形態和相位分析圖上有效地反映出來，當錨桿中出現缺陷時，在相應的位置會發生波形缺陷形態突變，缺陷程度越嚴重，波形變形越嚴重。

(3) 桿底反射是判斷錨桿長度的有效手段，但由于模型錨桿孔底與實際工程中差異較大，應采用弱信號提取方法提取孔底反射波，從而計算錨桿長度。

通過模擬錨桿獲取檢測及資料處理經驗后，下面進行現場工程錨桿實測。

3 檢測成果分析

選取交通洞6個單元錨桿進行無損檢測，按照10%的比例進行抽檢，共抽檢253根。按照現行規范進行操作[8]。采集前先去除錨桿端部的砂漿并進行磨平，以確保得到干擾較弱或者沒有干擾的有效檢測數據，采集后對數據進行分析與處理，可以定量分析注漿飽滿度與錨桿長度。依據實際工程應用過程中錨桿孔底段無砂漿情況反算，以及類似工程經驗，錨桿桿系波速取值5 120 m/s，結合模型錨桿試驗缺陷拾取規律方法，對錨桿進行缺陷拾取，以下是常見波形信號。

圖6為某根錨桿無損檢測原始記錄圖及其解釋。由圖可見，6道記錄一致性很好，且波形規則，呈指數衰減，持續時間短，桿底反射不明顯，未見不規則反射波。該原始資料信噪比高，可不經過處理，分析計算其注漿密實，長度合格，綜合評定為Ⅰ級錨桿。

圖6 錨桿無損檢測原始記錄及其解釋圖

圖7為某單根具有缺陷錨桿無損檢測原始記錄圖及其解釋圖，從圖上可以看出，6道波形一致性很好，波形較規則，呈指數衰減，可見1處缺陷，經過處理分析，注漿局部不密實，長度合格，依據有效長度法計算其錨桿注漿飽滿度為87.5%，綜合評定為Ⅱ級錨桿。

圖7 錨桿無損檢測原始記錄及其解釋圖

圖8為某單根具有多個缺陷錨桿無損檢測原始記錄圖及其解釋圖，該錨桿所在區域地質條件較差，從圖上看出，6道波形一致性很好，波形欠規則，呈逐步衰減，持續時間較長。經過分析處理，得出3個缺陷，長度合格，其中孔底段反射波明顯，反射波能量強，依據有效長度法計算其錨桿注漿飽滿度為76.6%，綜合評定為Ⅲ級錨桿，在常規永久性錨桿中其屬于不合格錨桿，已下發不合格通知單。

圖8 錨桿無損檢測原始記錄及其解釋圖

圖9為2根不同外露段長度錨桿無損檢測原始記錄及其傅氏變換圖，圖9(a)和(c)中單根原始記錄中波形六道記錄一致性很好，且波形規則，呈指數衰減，圖9(a)比(c)持續時間短，桿底反射均不明顯，未見不規則反射波。由圖9(b)及(d)可以得出，外露段長度對其原始信號影響較大，外露段長度過長，其低頻信號成為優勢信號，壓制高頻信號，從而導致淺部錨桿注漿信息被掩蓋，而深部錨桿注漿信息則被放大。經過多個實測錨桿數據統計發現，外露段長度大于20 cm時影響較為明顯。

圖9 不同錨桿外露長度錨桿無損檢測原始記錄及其傅氏變換圖

通過大量數據分析處理，得到影響錨桿錨固質量的重要因素如下：

(1) 采用超磁致發射震源獲取的原始信號一致性好，可為真實錨固質量評價提供有力保證；

(2) 外露長度大于20 cm影響采集錨桿數據質量；

(3) 根據單元錨桿質量統計分析，上傾角度大于45°的錨桿底部易出現注漿不密實；

(4) 錨桿周圍圍巖地質條件較差時，采用常規注漿方式會導致注漿不密實。

4 結 論

抽水蓄能電站錨桿支護點多面廣，特別是對于一些重要部位，需要采取精細處理，內業顯得尤為重要。本文將模型試驗缺陷拾取與現場剖管發現缺陷的對應關系進行總結，提高了檢測及資料處理效率，也為類似工程提供了依據。得出以下結論：

(1) 將模型試驗與工程實際相結合，得出反射波波形曲線的形狀、頻譜曲線的特征、相位特征和能量變化，可以很好地反映錨桿中的具體信息。錨固質量優的錨桿信號波形規律，振幅呈指數衰減，主頻唯一，反之則會有多個主頻，錨固質量越差，主頻差越小。當出現缺陷時，相應的位置會出現在波形曲線形態和相位圖上。

(2) 將錨桿端頭砂漿去除及端頭抹平等準備工作完成后，采集的原始資料不應濾波處理，以免丟失有效信號。

(3) 由于錨桿外露端長度較長時，其檢測波形低頻信號成為優勢信號，導致桿中高頻信號被壓制，對檢測工作影響較大，目前在檢測原理、方法上暫無相關改進和發展的情況下，陳世孝[10]等采用輔助鋼筋方法進行檢測，取得了一定效果，后續設備震源激發研究可能是一個重要突破點，以此解決工程實際問題。