抽水蓄能电站锚索无损检测试验研究

严良平，周黎明，崔博涛，王柏林，芦建刚

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010)

近年来，随着我国水电水利工程建设的高速发展，根据近20 年相关统计数据表明：我国每年有3 000～3 500 km 的锚索被用在岩土边坡[1]、地下洞室围岩加固中。预应力锚索通过为围岩岩土体提供支护的作用，逐渐被作为解决岩土稳定性问题的最直接、高效和经济的方法。预应力锚索的应用使岩土体内部的软弱结构和一些潜在的破裂面的抗剪强度得到显著的增强。

预应力锚索锚固技术可以减轻结构物自重，能够保障施工安全和降低工程成本。锚索锚固技术更是在近几十年的重大水利工程建设中发挥着不可取代的关键性作用。例如三峡工程的永久船闸高边坡工程，通过使用4 000 多根高承载力的锚索来加固不稳定块体，极大地提高了其稳定性和安全性[2]，两河口水电站的右岸上坝公路4 号路K2+500−K2+600 的边坡高山陡坡，采用4 400 束张拉力为2 000 kN 的预应力锚索对高陡边坡进行支护[3]。

随着锚索锚固技术在水电水利等大型工程中的推广使用，锚索锚固质量逐渐引起了行业内的重视。在预应力锚索施工步骤中，设计为150 kN 或者更大的预应力会在锚索张拉过程中加载，锚索中将有极大的势能，如果锚索锚固质量不佳，势能在某一瞬间释放，将会对工程安全性造成严重的后果，近十几年也出现一些由于锚索质量问题造成的工程事故和经济损失[4]。

锚索锚固工程具有复杂性和隐蔽性的特征，锚固质量同时受地质条件和施工质量的影响[5]。所以锚索锚固质量(锚索长度、注浆密实度和完整性等参数)检测一直是业界重点关注的问题。目前，普及的检测方法有2 种：张拉锁定试验[6-7]和弹性波检测技术。张拉锁定试验周期长、成本高，而且试验结果不能得到反映锚固质量的(如锚固体长度、注浆密实度等)关键性参数，试验过程复杂、实施难度大。而弹性波检测是一种无损检测技术[8-9]，具有快速、无损等特点，已经在锚杆锚固质量检测中得到推广和应用。锚索和锚杆锚固质量评价参数基本一致，但相比于锚杆，锚索结构更加复杂。比如，锚杆长度一般在10 m 以内，而且锚索在一般如交通、矿山等工程中至少为30 m，在大型水电工程中，锚索的长度更长，达到50～80 m。

在我国，从20 世纪90 年代开始锚杆无损检测技术开始迅速发展，软、硬件如相关规程规范和推广应用的商业性仪器都相应研发出来。但是，锚索由于其特点，锚索无损检测技术发展较为缓慢。近几十年国内对锚索无损检测技术的研究主要集中在高校和科研院所的理论基础研究，例如李青锋等[10]基于锚索单向拉伸力学特征，建立纵向振动力学模型，重点分析锚索体内应力波的传播特征，并且在王庄矿进行检测试验，取得了一定效果；廖希彦[11]在某公路边坡锚索检测中，应用了应力波法检测锚索长度。目前对锚索长度和锚固质量的检测技术主要采用应力波法，并且开发了锚索无检测仪[12-14]。在国内行业中，矿山、交通等行业对锚索锚固质量无损检测技术的研究相较于其他行业而且较早[15-16]。

现阶段，各种不同行业的边坡、山体加固、隧道工程中的锚索施工工艺和长度都有很大区别。其中，大型水电工程中的边坡、隧洞施工的锚索长度很长，例如，新疆阜康抽水电站上库边坡的锚索长度达60 m。目前广泛应用的锚杆无损检测技术能否成功应用到水利水电工程锚索检测中，需开展进一步研究，这对工程长期运行的安全也非常必要和紧迫的。

本文依托于新疆阜康抽水蓄能电站工程，对60～80 m 长度的锚索锚固质量进行检测试验研究，试图得到锚索长度、注浆密实度等锚固质量参数。这对进一步形成一套完整、成熟的包括现场检测试验方法、后期数据处理和检测资料评判准则在内的锚索锚固质量检测试验体系具有重要意义。

1 锚索质量无损检测原理

现拟采用基于弹性波波动理论[17-18]的弹性波反射法开展锚索质量无损检测研究。

根据弹性波的运动学和波动力学理论，弹性波根据其质点振动和传播方向的关系，可分为纵波、横波和扭转波等。其中，容易激发形成纵、横波，质点纵向振动受锚索轴力影响大，质点横向振动受锚索轴力影响小，但扭转波的激发比较困难[13]。所以，根据应力波在锚索中的传播特性，锚索无损检测主要利用纵波的传播特征。震源采用在锚索外露段端头激发瞬间冲击力，产生纵波。激发的弹性纵波在锚索体内的传播过程中，当入射波遇到有波阻抗差异的界面时，一部分波回反射回来形成反射波，一部分继续向前传播形成透射波。只要锚索体内波阻抗界面两侧不分离，波阻抗界面两侧的质点速度和应力应该相等，即满足：

式中：vI为入射波波速，vR为反射波波速，vT为透射波波速，σI为入射波应力，σR为反射波应力，σT为透射波应力。依据波动面的动量守恒原理，而且入射波传播到波阻抗界面之前满足：速度v+=0，应力σ+=0，联合式(1)、式(2)，可得：

式中：n为波阻抗比，其中，v1、v2分别为上、下层速度，ρ1、ρ2分别为上、下层的介质密度；T为透射系数，F为反射系数，

由式(3)−式(6)联合可得，1+F=T。

从透射系数公式可知，T始终为正，所以透射波和入射波始终同相，而反射系数F的正负由不同介质的波阻抗大小决定。当F>0 时，σR和 σI同号，并且|σT|>|σI|；当F<0 时，σR和 σI异号，并且|σT|<|σI|，vR和vI同号；当F=0 时，入射波传播到波阻抗界面时，不会产生反射，全部透射到第二种介质。

弹性波反射法接收信号为入射波信号和经过不同波阻抗界面的反射波信号。依据接收信号波形特征、反射波传播时间、入射波和反射波的振幅和相位等信息，计算出锚索长度、锚固段长度以及注浆密实度。

锚索长度计算公式[19]：

式中：Lt为锚固段长度；Lr为自由段长度；vmt为锚固段速度，vmr为自由段速度(锚固段为锚索体内注浆与围岩耦合良好的部位，自由段为未注浆部位，所以其传播波速会有差异)；Δtt为锚固段底端反射波到时和入射波到时之差；Δtr为自由段底端反射波到时和入射波到时之差；Δft、Δfr分别为锚固段底部和自由段底部的反射波频率之差。

也可采用如下公式：

式中：v为锚固体内综合传播速度，Δt为锚索底端反射波到时和入射波到时之差。

2 锚索无损检测试验

2.1 工程概述

本次试验场地为新疆阜康抽水电站下库左右岸边坡。设计用于边坡加固处理的锚索一共300 束，锚索最长为80 m，最大锚固吨位为2 000 t。截至2021 年5 月，右岸裂隙深层处理已完成锚索703 束，其中30 束锚索已完成张拉但未封锚，还有8 束锚索没有施工。

下库右岸裂隙深层处理区域为本次锚索无损检测试验研究的试验区。利用其中4 束还未施工的锚索进行无损检测可行性研究，试验方法为弹性波反射波法(利用反射波信息)。通过以上试验，对数据采集技术、信号激发与接收方式、数据处理技术以及锚固体弹性波传播波速等进行系统研究。

本次试验使用的锚索为无粘结型。锚索分为4 个单元，4 根钢绞线组成1 个单元。无粘结锚索同1 单元钢绞线长度一致，不同单元的钢绞线长度不同。本文定义钢绞线长度最长的单元为第1 单元，依次为第2 单元、第3 单元，钢绞线长度最短的单元为第4 单元。采用隔离架分隔开各个单元，单元之间的距离为3 m。每个单元钢绞线最底端2 m 的钢绞线(为区别锚固段概念，本文简称非自由段)护管被剥去，钢绞线与砂浆直接耦合；钢绞线其他部位护管被保留，砂浆和钢绞线非直接接触(简称锚索弹性段)。锚索锚固段包含每个单元的2 m 长非自由段和1 m 长的弹性段，其长度一般为12 m。有粘结锚索的施工方式为：无护管保护钢绞线，灌浆时，先对锚固段进行一次注浆，一定龄期后，再对锚固段和自由段同时进行二次注浆，将整个锚索孔内灌满浆。

2.2 仪器设备安装

编制锚索前，先对锚索传感器进行检查，确定其性能完好。编制锚索时，在锚索钢绞线外露端端头安装1 个锚索传感器。本次选用无粘接锚索，表1 为锚索传感器的安装部位和锚索参数。图1 为锚索传感器安装示意图。

图1 锚索传感器安装实物Fig.1 Installation drawing of anchor cable sensor

表1 锚索安装情况Table 1 Installation of anchor cable

2.3 数据采集

本次试验仪器为桩基动测仪，传感器为专用锚索传感器，传感器为加速度型传感器，灵敏度为151.8 V/g。试验数据采集方法为在锚索外露端端头瞬间冲击激发产生的弹性波振动信号，信号在锚固体内传播，遇到波阻抗界面将发生波的反射和透射，安装在每根钢绞线附近的锚索传感器接收到来自不同波阻抗界面的波动信号，传输到桩基动测仪，经多次垂直叠加技术，能有效增强有效弱信号，压制随机干扰信号，提取不同深度界面的反射波信息，评价锚索锚固体长度和密实度。

如图2 所示，激振锤包括锤头和锤体，锤头是一个半球形钢制球体，固定在锤体前端，所述激振锤用于敲击锚索钢绞线出露端，激发产生波形一致的振动信号，多个锚索传感器用于分别采集每根锚索钢绞线因激振锤敲击发出的多方位振动信号，桩基动测仪用于接收来自锚索传感器采集的多方位振动信号。

图2 长锚索信号采集装置Fig.2 Schematic diagram of long anchor cable signal acquisition device

本次信号采集方式采用多方位布测和垂直叠加技术，能有效降低随机噪声，增强弱信号，并且达到将波速量化的目的，具有操作简单、多方位布测和多次叠加的功能，相比传统的锚索检测方法，本次试验所用装置可以增强锚索锚固段底部弱信号，实现对多缺陷锚索的缺陷位置进行快速定位，可以适用于多缺陷的长锚索质量无损检测。

合格数据的标准为：有效波形数大于3 条，并且波形一致性较好。图3 为合格原始波形曲线，图4 为1根钢绞线重复性检测的原始波形。从图4 可以看出，测试波形稳定性和一致性好。

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

图4 重复性检测波形Fig.4 Repeatability detection waveform

2.4 激发部位对比试验

本次试验，接收部位固定，即锚索传感器安装在锚索中的多根钢绞线的外露端端头，如图5 所示。

图5 弹性波反射法接收传感器安装Fig.5 Schematic diagram of installation of elastic wave reflection receiving sensor

激发[20]分别采用：在钢绞线外露端端头；在其他钢绞线的外露端端头激发(检测方式仍为一激一收，只不过激发的钢绞线和接收传感器的钢绞线不为同一根)；锚索托盘上激发。根据这3 种激发方式，开展试验研究工作。图6 为同一束锚索中选取2 根钢绞线进行上述3 种激发部位的测试，并经处理后的典型波形图。图6a 为直接在锚索钢绞线外露端的测试波形，图6b 为采用图5 所示的在锚索钢绞线外露段安装一个传感器安装套管的波形，以使得传感器和锚索钢绞线耦合良好，更利于信号的接收，所以图6b 的波形要优于图6a 的波形。图6 中从左至右波形对应的激发部位分别对应在钢绞线外露端端头、在其他钢绞线的外露端端头和锚索托盘。从图中可以看出：图6a 中左边第1 道波形在波形底部存在弱反射，而其他两道波形中均无反射波，且右边道波形中存在明显的干扰信号；图6b 中左边道和右边道波形，在波形底部存在明显的反射波，中间道波形在对应部位无反射波。以上研究表明：在钢绞线外露端端头激发采集方式获得的信号能量最大，锚索托盘激发采集方式获得的信号能量较大，但是采用锚索托盘激发会产生波在托盘中传播，托盘和钢绞线的交界面会产生反射波，此反射波为干扰波，所以托盘激发干扰较大，在其他钢绞线的外露端端头激发采集方式获得的信号能量最小。因此，经过对比，后期试验都采用在钢绞线外露端端头激发的采集方式。

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

必须要注意的是：在钢绞线外露端端头安装锚索传感器方式虽然信号能量强，但是激发方式采集到的信号计算得到的是单根钢绞线的长度，而不是整个锚固体长度。应该对整个锚固体内的钢绞线长度进行检测才能得到准确的锚固体长度。

2.5 锚固体波速研究

通过使用同1 台设备，设置相同的集采方式(信号激发和接收方式)和采集参数，对预埋的4 根锚索在不同时间进行观测，此试验已知条件是锚索长度，未知条件是波速，与下文3.7 节中的试验锚索不是同一批材料。

利用反射波到达时间和式(12)，获得了不同阶段的锚固体波速值，见表2。

从表2 可以看出，在锚索注浆前，锚固体波速最高，随着注浆龄期增加，波速呈下降趋势；在低荷载阶段，波速随着荷载的增加而下降；当荷载达到最大加压荷载的75%、100%时，1 号、2 号锚索锚固体波速开始增大，3 号、4 号锚索锚固体波速变化不大；张拉后7 d 锚索体波速又增大，该波速小于注浆前的锚索体波速，与预紧时的测试获得的锚固体波速相当。

表2 利用反射波到达时间计算的不同锚索锚固体波速Table 2 Calculation of wave velocity value of anchorage body by arrival time of reflected wave

2.6 锚固试验结果分析评价

利用4 束无粘结预埋锚索在张拉后7 d 测试的波形进行分析。测试前，按封锚要求对锚头长度进行切割处理，选择单元标志明显的钢绞线进行了检测。图7 是对试验原始波形经过处理后的波形图。弹性波在锚索传播过程中，会产生反射和透射，当弹性波传播到锚索体底部，为锚索体和围岩的交界面，此时两种介质的波阻抗差异最大，此时在锚索底部出现的波形即为反射波。其中，图7a 第1、第2 道波形为1 号锚索第1 单元的两根钢绞线的测试波形，第3、第4 道波形为1 号锚索第4 单元的两根钢绞线的测试波形；图7b和图7c 中第1−第4 道波形分别对应2 号和3 号锚索的第1−第4 单元的各1 根钢绞线的测试波形；图7d 中第1 道和第2 道分别为4 号锚索第1、第2 单元的各一根钢绞线的测试波形。

图7 实测波形经处理后的成果Fig.7 Results of processed measured waveforms

2.6.1 锚固长度评价

理想灌浆情况下，针对单根钢绞线，其内部应存在2 个界面，分别为钢绞线非自由段的上部和下部(针对孔口方向)。界面之间如果存在波阻抗差异，则会引起反射波。非自由段的上界面是钢绞线非自由段和弹性段的分界。由于钢绞线非自由段直接与砂浆耦合，砂浆对钢绞线非自由段的约束比对钢绞线弹性段约束力大，因此，非自由段上界面应存在波阻抗差异，会产生反射波。非自由段下界面为钢绞线底端和围岩的接触面，其波阻抗差异取决于非自由段锚固质量和围岩质量，波传播到该界面可能会产生反射波，但由于传播过程中存在能量的损失衰减，该反射波振幅可能较小。另外，两界面距离较短，一般为2.0 m，两界面引起的反射波可能相互叠加，难以区分。

由图7 可知：所有钢绞线的波形曲线在底部均只有1 个反射波。认为该反射波为非自由段上下界面共同作用所引起的，读取的时间为上界面反射波达到时间。这样，计算的单根钢绞线长度应为根据反射波到达时间计算的钢绞线长度与上下界面的间距(即非自由段长度)之和。依据此理论计算锚索钢绞线的长度，计算结果见表3。

由表3 可知：基于弹性波反射法试验计算的钢绞线长度与实际长度最大相差3.00 m，最小相差0.28 m。平均绝对误差范围为1.48～2.03 m。

表3 锚索钢绞线长度计算结果Table 3 Calculation results of cable strand length 单位：m

2.6.2 锚固段密实性评价

由表2 可知，没有灌浆时，锚固体波速为5 400 m/s左右，随着灌浆和灌浆龄期增加，锚固体波速降低，这说明，钢绞线被砂浆握裹后，锚固体波速降低，并且密实度越好，波速越低。依据弹性波反射法的原理，波从波速大的介质进入波速小的介质，反射波和入射波相位同相；相反，波从波速小的介质进入波速大的介质，反射波和入射波相位相反(研究对象为锚固体，在此不考虑介质密度对波速的微弱影响)。对于无粘结锚索，钢绞线弹性段与砂浆非直接接触，而钢绞线非自由段直接与砂浆接触，砂浆会导致非自由段波速降低更多，锚索锚固结构示意图如图8 所示。在不考虑周围岩体质量情况下，若反射波与入射波同相，表明非自由段钢绞线与砂浆耦合良好；反之，则表明非自由段钢绞线与砂浆耦合不佳。如果考虑围岩质量对相位的影响，围岩质量由差变好，反射波与入射波相位会从同号变成异号。

图8 锚索锚固结构Fig.8 Schematic diagram of anchor cable anchoring structure

由图7 可知：1 号和2 号锚索的反射波与入射波相位同号，则解译为1 号和2 号锚索砂浆与钢绞线非自由段握裹良好，注浆质量较好；3 号锚索第1 单元的反射波与入射波相位异号，而第2、第3、第4 单元的入射波和反射波相位同号，则解译为3 号锚索锚固段砂浆与钢绞线握裹不佳，注浆密实度较差；4 号锚索第1 单元的反射波与入射波相位异号，第2 单元的反射波与入射波同相，则解译为4 号锚索锚固段砂浆与钢绞线握裹不佳，注浆密实度较差。

综上所述：如果反射波与入射波相位同相，说明钢绞线非自由段与砂浆耦合良好，而且反射波能量越大，注浆密实度越好；反之，如果反射波与入射波相位异相则表明围岩质量较好或者注浆质量较差，而且反射波能量越大，表明围岩质量越好或注浆密实度越差。

3 结 论

a.提出基于弹性波反射法锚索无损检测方法，采用预埋锚索传感器，对锚索无损检测的数据采集、信号激发部位、锚固体波速等方面进行了系统地研究，研究结果表明：该方法可以对锚索长度进行检测并定量分析。

b.当激发部位为安装接收传感器的钢绞线时，接收信号振幅最大，锚索托盘时接收信号振幅其次，但干扰信号较大；锚索锚固体波速随着注浆以及注浆龄期和张拉荷载的增加呈降低趋势。

c.目前研究只能用弹性波反射法对注浆密实度进行定性评价，试验结果表明：如果反射波与入射波相位同相，说明钢绞线非自由段与砂浆耦合良好，而且反射波能量越大，注浆密实度越好；反之，如果反射波与入射波相位异相则表明围岩质量较好或者注浆质量较差，而且反射波能量越大，表明围岩质量越好或注浆密实度越差。

d.对于深部波阻抗界面引起的反射波，在经长距离传播过程中的吸收衰减后，信号强度变得非常微弱，甚至没有反射信号，从而影响判定结果，远距离传播信号的数据采集和数据处理将是以后的研究热点和重点。