抽水蓄能電站錨索無損檢測試驗研究

嚴良平，周黎明，崔博濤，王柏林，蘆建剛

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

近年來，隨著我國水電水利工程建設的高速發展，根據近20 年相關統計數據表明：我國每年有3 000～3 500 km 的錨索被用在巖土邊坡[1]、地下洞室圍巖加固中。預應力錨索通過為圍巖巖土體提供支護的作用，逐漸被作為解決巖土穩定性問題的最直接、高效和經濟的方法。預應力錨索的應用使巖土體內部的軟弱結構和一些潛在的破裂面的抗剪強度得到顯著的增強。

預應力錨索錨固技術可以減輕結構物自重，能夠保障施工安全和降低工程成本。錨索錨固技術更是在近幾十年的重大水利工程建設中發揮著不可取代的關鍵性作用。例如三峽工程的永久船閘高邊坡工程，通過使用4 000 多根高承載力的錨索來加固不穩定塊體，極大地提高了其穩定性和安全性[2]，兩河口水電站的右岸上壩公路4 號路K2+500?K2+600 的邊坡高山陡坡，采用4 400 束張拉力為2 000 kN 的預應力錨索對高陡邊坡進行支護[3]。

隨著錨索錨固技術在水電水利等大型工程中的推廣使用，錨索錨固質量逐漸引起了行業內的重視。在預應力錨索施工步驟中，設計為150 kN 或者更大的預應力會在錨索張拉過程中加載，錨索中將有極大的勢能，如果錨索錨固質量不佳，勢能在某一瞬間釋放，將會對工程安全性造成嚴重的后果，近十幾年也出現一些由于錨索質量問題造成的工程事故和經濟損失[4]。

錨索錨固工程具有復雜性和隱蔽性的特征，錨固質量同時受地質條件和施工質量的影響[5]。所以錨索錨固質量(錨索長度、注漿密實度和完整性等參數)檢測一直是業界重點關注的問題。目前，普及的檢測方法有2 種：張拉鎖定試驗[6-7]和彈性波檢測技術。張拉鎖定試驗周期長、成本高，而且試驗結果不能得到反映錨固質量的(如錨固體長度、注漿密實度等)關鍵性參數，試驗過程復雜、實施難度大。而彈性波檢測是一種無損檢測技術[8-9]，具有快速、無損等特點，已經在錨桿錨固質量檢測中得到推廣和應用。錨索和錨桿錨固質量評價參數基本一致，但相比于錨桿，錨索結構更加復雜。比如，錨桿長度一般在10 m 以內，而且錨索在一般如交通、礦山等工程中至少為30 m，在大型水電工程中，錨索的長度更長，達到50～80 m。

在我國，從20 世紀90 年代開始錨桿無損檢測技術開始迅速發展，軟、硬件如相關規程規范和推廣應用的商業性儀器都相應研發出來。但是，錨索由于其特點，錨索無損檢測技術發展較為緩慢。近幾十年國內對錨索無損檢測技術的研究主要集中在高校和科研院所的理論基礎研究，例如李青鋒等[10]基于錨索單向拉伸力學特征，建立縱向振動力學模型，重點分析錨索體內應力波的傳播特征，并且在王莊礦進行檢測試驗，取得了一定效果；廖希彥[11]在某公路邊坡錨索檢測中，應用了應力波法檢測錨索長度。目前對錨索長度和錨固質量的檢測技術主要采用應力波法，并且開發了錨索無檢測儀[12-14]。在國內行業中，礦山、交通等行業對錨索錨固質量無損檢測技術的研究相較于其他行業而且較早[15-16]。

現階段，各種不同行業的邊坡、山體加固、隧道工程中的錨索施工工藝和長度都有很大區別。其中，大型水電工程中的邊坡、隧洞施工的錨索長度很長，例如，新疆阜康抽水電站上庫邊坡的錨索長度達60 m。目前廣泛應用的錨桿無損檢測技術能否成功應用到水利水電工程錨索檢測中，需開展進一步研究，這對工程長期運行的安全也非常必要和緊迫的。

本文依托于新疆阜康抽水蓄能電站工程，對60～80 m 長度的錨索錨固質量進行檢測試驗研究，試圖得到錨索長度、注漿密實度等錨固質量參數。這對進一步形成一套完整、成熟的包括現場檢測試驗方法、后期數據處理和檢測資料評判準則在內的錨索錨固質量檢測試驗體系具有重要意義。

1 錨索質量無損檢測原理

現擬采用基于彈性波波動理論[17-18]的彈性波反射法開展錨索質量無損檢測研究。

根據彈性波的運動學和波動力學理論，彈性波根據其質點振動和傳播方向的關系，可分為縱波、橫波和扭轉波等。其中，容易激發形成縱、橫波，質點縱向振動受錨索軸力影響大，質點橫向振動受錨索軸力影響小，但扭轉波的激發比較困難[13]。所以，根據應力波在錨索中的傳播特性，錨索無損檢測主要利用縱波的傳播特征。震源采用在錨索外露段端頭激發瞬間沖擊力，產生縱波。激發的彈性縱波在錨索體內的傳播過程中，當入射波遇到有波阻抗差異的界面時，一部分波回反射回來形成反射波，一部分繼續向前傳播形成透射波。只要錨索體內波阻抗界面兩側不分離，波阻抗界面兩側的質點速度和應力應該相等，即滿足：

式中：vI為入射波波速，vR為反射波波速，vT為透射波波速，σI為入射波應力，σR為反射波應力，σT為透射波應力。依據波動面的動量守恒原理，而且入射波傳播到波阻抗界面之前滿足：速度v+=0，應力σ+=0，聯合式(1)、式(2)，可得：

式中：n為波阻抗比，其中，v1、v2分別為上、下層速度，ρ1、ρ2分別為上、下層的介質密度；T為透射系數，F為反射系數，

由式(3)?式(6)聯合可得，1+F=T。

從透射系數公式可知，T始終為正，所以透射波和入射波始終同相，而反射系數F的正負由不同介質的波阻抗大小決定。當F>0 時，σR和 σI同號，并且|σT|>|σI|；當F<0 時，σR和 σI異號，并且|σT|<|σI|，vR和vI同號；當F=0 時，入射波傳播到波阻抗界面時，不會產生反射，全部透射到第二種介質。

彈性波反射法接收信號為入射波信號和經過不同波阻抗界面的反射波信號。依據接收信號波形特征、反射波傳播時間、入射波和反射波的振幅和相位等信息，計算出錨索長度、錨固段長度以及注漿密實度。

錨索長度計算公式[19]：

式中：Lt為錨固段長度；Lr為自由段長度；vmt為錨固段速度，vmr為自由段速度(錨固段為錨索體內注漿與圍巖耦合良好的部位，自由段為未注漿部位，所以其傳播波速會有差異)；Δtt為錨固段底端反射波到時和入射波到時之差；Δtr為自由段底端反射波到時和入射波到時之差；Δft、Δfr分別為錨固段底部和自由段底部的反射波頻率之差。

也可采用如下公式：

式中：v為錨固體內綜合傳播速度，Δt為錨索底端反射波到時和入射波到時之差。

2 錨索無損檢測試驗

2.1 工程概述

本次試驗場地為新疆阜康抽水電站下庫左右岸邊坡。設計用于邊坡加固處理的錨索一共300 束，錨索最長為80 m，最大錨固噸位為2 000 t。截至2021 年5 月，右岸裂隙深層處理已完成錨索703 束，其中30 束錨索已完成張拉但未封錨，還有8 束錨索沒有施工。

下庫右岸裂隙深層處理區域為本次錨索無損檢測試驗研究的試驗區。利用其中4 束還未施工的錨索進行無損檢測可行性研究，試驗方法為彈性波反射波法(利用反射波信息)。通過以上試驗，對數據采集技術、信號激發與接收方式、數據處理技術以及錨固體彈性波傳播波速等進行系統研究。

本次試驗使用的錨索為無粘結型。錨索分為4 個單元，4 根鋼絞線組成1 個單元。無粘結錨索同1 單元鋼絞線長度一致，不同單元的鋼絞線長度不同。本文定義鋼絞線長度最長的單元為第1 單元，依次為第2 單元、第3 單元，鋼絞線長度最短的單元為第4 單元。采用隔離架分隔開各個單元，單元之間的距離為3 m。每個單元鋼絞線最底端2 m 的鋼絞線(為區別錨固段概念，本文簡稱非自由段)護管被剝去，鋼絞線與砂漿直接耦合；鋼絞線其他部位護管被保留，砂漿和鋼絞線非直接接觸(簡稱錨索彈性段)。錨索錨固段包含每個單元的2 m 長非自由段和1 m 長的彈性段，其長度一般為12 m。有粘結錨索的施工方式為：無護管保護鋼絞線，灌漿時，先對錨固段進行一次注漿，一定齡期后，再對錨固段和自由段同時進行二次注漿，將整個錨索孔內灌滿漿。

2.2 儀器設備安裝

編制錨索前，先對錨索傳感器進行檢查，確定其性能完好。編制錨索時，在錨索鋼絞線外露端端頭安裝1 個錨索傳感器。本次選用無粘接錨索，表1 為錨索傳感器的安裝部位和錨索參數。圖1 為錨索傳感器安裝示意圖。

圖1 錨索傳感器安裝實物Fig.1 Installation drawing of anchor cable sensor

表1 錨索安裝情況Table 1 Installation of anchor cable

2.3 數據采集

本次試驗儀器為樁基動測儀，傳感器為專用錨索傳感器，傳感器為加速度型傳感器，靈敏度為151.8 V/g。試驗數據采集方法為在錨索外露端端頭瞬間沖擊激發產生的彈性波振動信號，信號在錨固體內傳播，遇到波阻抗界面將發生波的反射和透射，安裝在每根鋼絞線附近的錨索傳感器接收到來自不同波阻抗界面的波動信號，傳輸到樁基動測儀，經多次垂直疊加技術，能有效增強有效弱信號，壓制隨機干擾信號，提取不同深度界面的反射波信息，評價錨索錨固體長度和密實度。

如圖2 所示，激振錘包括錘頭和錘體，錘頭是一個半球形鋼制球體，固定在錘體前端，所述激振錘用于敲擊錨索鋼絞線出露端，激發產生波形一致的振動信號，多個錨索傳感器用于分別采集每根錨索鋼絞線因激振錘敲擊發出的多方位振動信號，樁基動測儀用于接收來自錨索傳感器采集的多方位振動信號。

圖2 長錨索信號采集裝置Fig.2 Schematic diagram of long anchor cable signal acquisition device

本次信號采集方式采用多方位布測和垂直疊加技術，能有效降低隨機噪聲，增強弱信號，并且達到將波速量化的目的，具有操作簡單、多方位布測和多次疊加的功能，相比傳統的錨索檢測方法，本次試驗所用裝置可以增強錨索錨固段底部弱信號，實現對多缺陷錨索的缺陷位置進行快速定位，可以適用于多缺陷的長錨索質量無損檢測。

合格數據的標準為：有效波形數大于3 條，并且波形一致性較好。圖3 為合格原始波形曲線，圖4 為1根鋼絞線重復性檢測的原始波形。從圖4 可以看出，測試波形穩定性和一致性好。

圖3 合格原始波形Fig.3 Qualified original waveform diagram

圖4 重復性檢測波形Fig.4 Repeatability detection waveform

2.4 激發部位對比試驗

本次試驗，接收部位固定，即錨索傳感器安裝在錨索中的多根鋼絞線的外露端端頭，如圖5 所示。

圖5 彈性波反射法接收傳感器安裝Fig.5 Schematic diagram of installation of elastic wave reflection receiving sensor

激發[20]分別采用：在鋼絞線外露端端頭；在其他鋼絞線的外露端端頭激發(檢測方式仍為一激一收，只不過激發的鋼絞線和接收傳感器的鋼絞線不為同一根)；錨索托盤上激發。根據這3 種激發方式，開展試驗研究工作。圖6 為同一束錨索中選取2 根鋼絞線進行上述3 種激發部位的測試，并經處理后的典型波形圖。圖6a 為直接在錨索鋼絞線外露端的測試波形，圖6b 為采用圖5 所示的在錨索鋼絞線外露段安裝一個傳感器安裝套管的波形，以使得傳感器和錨索鋼絞線耦合良好，更利于信號的接收，所以圖6b 的波形要優于圖6a 的波形。圖6 中從左至右波形對應的激發部位分別對應在鋼絞線外露端端頭、在其他鋼絞線的外露端端頭和錨索托盤。從圖中可以看出：圖6a 中左邊第1 道波形在波形底部存在弱反射，而其他兩道波形中均無反射波，且右邊道波形中存在明顯的干擾信號；圖6b 中左邊道和右邊道波形，在波形底部存在明顯的反射波，中間道波形在對應部位無反射波。以上研究表明：在鋼絞線外露端端頭激發采集方式獲得的信號能量最大，錨索托盤激發采集方式獲得的信號能量較大，但是采用錨索托盤激發會產生波在托盤中傳播，托盤和鋼絞線的交界面會產生反射波，此反射波為干擾波，所以托盤激發干擾較大，在其他鋼絞線的外露端端頭激發采集方式獲得的信號能量最小。因此，經過對比，后期試驗都采用在鋼絞線外露端端頭激發的采集方式。

圖6 接收部位相同、激發部位不同的典型波形Fig.6 Typical waveforms with the same receiving position and different excitation positions

必須要注意的是：在鋼絞線外露端端頭安裝錨索傳感器方式雖然信號能量強，但是激發方式采集到的信號計算得到的是單根鋼絞線的長度，而不是整個錨固體長度。應該對整個錨固體內的鋼絞線長度進行檢測才能得到準確的錨固體長度。

2.5 錨固體波速研究

通過使用同1 臺設備，設置相同的集采方式(信號激發和接收方式)和采集參數，對預埋的4 根錨索在不同時間進行觀測，此試驗已知條件是錨索長度，未知條件是波速，與下文3.7 節中的試驗錨索不是同一批材料。

利用反射波到達時間和式(12)，獲得了不同階段的錨固體波速值，見表2。

從表2 可以看出，在錨索注漿前，錨固體波速最高，隨著注漿齡期增加，波速呈下降趨勢；在低荷載階段，波速隨著荷載的增加而下降；當荷載達到最大加壓荷載的75%、100%時，1 號、2 號錨索錨固體波速開始增大，3 號、4 號錨索錨固體波速變化不大；張拉后7 d 錨索體波速又增大，該波速小于注漿前的錨索體波速，與預緊時的測試獲得的錨固體波速相當。

表2 利用反射波到達時間計算的不同錨索錨固體波速Table 2 Calculation of wave velocity value of anchorage body by arrival time of reflected wave

2.6 錨固試驗結果分析評價

利用4 束無粘結預埋錨索在張拉后7 d 測試的波形進行分析。測試前，按封錨要求對錨頭長度進行切割處理，選擇單元標志明顯的鋼絞線進行了檢測。圖7 是對試驗原始波形經過處理后的波形圖。彈性波在錨索傳播過程中，會產生反射和透射，當彈性波傳播到錨索體底部，為錨索體和圍巖的交界面，此時兩種介質的波阻抗差異最大，此時在錨索底部出現的波形即為反射波。其中，圖7a 第1、第2 道波形為1 號錨索第1 單元的兩根鋼絞線的測試波形，第3、第4 道波形為1 號錨索第4 單元的兩根鋼絞線的測試波形；圖7b和圖7c 中第1?第4 道波形分別對應2 號和3 號錨索的第1?第4 單元的各1 根鋼絞線的測試波形；圖7d 中第1 道和第2 道分別為4 號錨索第1、第2 單元的各一根鋼絞線的測試波形。

圖7 實測波形經處理后的成果Fig.7 Results of processed measured waveforms

2.6.1 錨固長度評價

理想灌漿情況下，針對單根鋼絞線，其內部應存在2 個界面，分別為鋼絞線非自由段的上部和下部(針對孔口方向)。界面之間如果存在波阻抗差異，則會引起反射波。非自由段的上界面是鋼絞線非自由段和彈性段的分界。由于鋼絞線非自由段直接與砂漿耦合，砂漿對鋼絞線非自由段的約束比對鋼絞線彈性段約束力大，因此，非自由段上界面應存在波阻抗差異，會產生反射波。非自由段下界面為鋼絞線底端和圍巖的接觸面，其波阻抗差異取決于非自由段錨固質量和圍巖質量，波傳播到該界面可能會產生反射波，但由于傳播過程中存在能量的損失衰減，該反射波振幅可能較小。另外，兩界面距離較短，一般為2.0 m，兩界面引起的反射波可能相互疊加，難以區分。

由圖7 可知：所有鋼絞線的波形曲線在底部均只有1 個反射波。認為該反射波為非自由段上下界面共同作用所引起的，讀取的時間為上界面反射波達到時間。這樣，計算的單根鋼絞線長度應為根據反射波到達時間計算的鋼絞線長度與上下界面的間距(即非自由段長度)之和。依據此理論計算錨索鋼絞線的長度，計算結果見表3。

由表3 可知：基于彈性波反射法試驗計算的鋼絞線長度與實際長度最大相差3.00 m，最小相差0.28 m。平均絕對誤差范圍為1.48～2.03 m。

表3 錨索鋼絞線長度計算結果Table 3 Calculation results of cable strand length 單位：m

2.6.2 錨固段密實性評價

由表2 可知，沒有灌漿時，錨固體波速為5 400 m/s左右，隨著灌漿和灌漿齡期增加，錨固體波速降低，這說明，鋼絞線被砂漿握裹后，錨固體波速降低，并且密實度越好，波速越低。依據彈性波反射法的原理，波從波速大的介質進入波速小的介質，反射波和入射波相位同相；相反，波從波速小的介質進入波速大的介質，反射波和入射波相位相反(研究對象為錨固體，在此不考慮介質密度對波速的微弱影響)。對于無粘結錨索，鋼絞線彈性段與砂漿非直接接觸，而鋼絞線非自由段直接與砂漿接觸，砂漿會導致非自由段波速降低更多，錨索錨固結構示意圖如圖8 所示。在不考慮周圍巖體質量情況下，若反射波與入射波同相，表明非自由段鋼絞線與砂漿耦合良好；反之，則表明非自由段鋼絞線與砂漿耦合不佳。如果考慮圍巖質量對相位的影響，圍巖質量由差變好，反射波與入射波相位會從同號變成異號。

圖8 錨索錨固結構Fig.8 Schematic diagram of anchor cable anchoring structure

由圖7 可知：1 號和2 號錨索的反射波與入射波相位同號，則解譯為1 號和2 號錨索砂漿與鋼絞線非自由段握裹良好，注漿質量較好；3 號錨索第1 單元的反射波與入射波相位異號，而第2、第3、第4 單元的入射波和反射波相位同號，則解譯為3 號錨索錨固段砂漿與鋼絞線握裹不佳，注漿密實度較差；4 號錨索第1 單元的反射波與入射波相位異號，第2 單元的反射波與入射波同相，則解譯為4 號錨索錨固段砂漿與鋼絞線握裹不佳，注漿密實度較差。

綜上所述：如果反射波與入射波相位同相，說明鋼絞線非自由段與砂漿耦合良好，而且反射波能量越大，注漿密實度越好；反之，如果反射波與入射波相位異相則表明圍巖質量較好或者注漿質量較差，而且反射波能量越大，表明圍巖質量越好或注漿密實度越差。

3 結 論

a.提出基于彈性波反射法錨索無損檢測方法，采用預埋錨索傳感器，對錨索無損檢測的數據采集、信號激發部位、錨固體波速等方面進行了系統地研究，研究結果表明：該方法可以對錨索長度進行檢測并定量分析。

b.當激發部位為安裝接收傳感器的鋼絞線時，接收信號振幅最大，錨索托盤時接收信號振幅其次，但干擾信號較大；錨索錨固體波速隨著注漿以及注漿齡期和張拉荷載的增加呈降低趨勢。

c.目前研究只能用彈性波反射法對注漿密實度進行定性評價，試驗結果表明：如果反射波與入射波相位同相，說明鋼絞線非自由段與砂漿耦合良好，而且反射波能量越大，注漿密實度越好；反之，如果反射波與入射波相位異相則表明圍巖質量較好或者注漿質量較差，而且反射波能量越大，表明圍巖質量越好或注漿密實度越差。

d.對于深部波阻抗界面引起的反射波，在經長距離傳播過程中的吸收衰減后，信號強度變得非常微弱，甚至沒有反射信號，從而影響判定結果，遠距離傳播信號的數據采集和數據處理將是以后的研究熱點和重點。