河南五岳抽水蓄能電站錨桿無損檢測模擬試驗研究

李國瑞 魏樹滿

1 工程概況

河南五岳抽水蓄能電站位于河南省信陽市光山縣殷棚鄉(xiāng)及羅山縣定遠(yuǎn)鄉(xiāng)，開發(fā)任務(wù)主要是承擔(dān)河南電網(wǎng)的調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用等。電站裝機(jī)容量1 000 MW，裝設(shè)4臺單機(jī)容量為250 MW的水泵水輪發(fā)電電動機(jī)組，機(jī)組額定水頭241.00 m。樞紐工程主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及地面開關(guān)站、下水庫等組成。上水庫位于牢山寨北坡近頂部山坳處的牢山林場，下水庫利用已建的五岳水庫。本工程為II等大（2）型工程，上水庫擋水建筑物為1級建筑物，輸水系統(tǒng)建筑物、發(fā)電廠房建筑物級別為2級。

本工程錨桿具有數(shù)量多、桿體復(fù)雜等特點（系統(tǒng)錨桿數(shù)量166 049根，錨桿長度有3、4.5、5、6、7、9、12 m，錨桿直徑有Φ22、Φ25、Φ28、Φ32、Φ36），檢測前應(yīng)宜進(jìn)行錨桿模擬試驗專題研究[1-2]。

2 模擬試驗內(nèi)容

2.1 模擬錨桿制作

模擬錨桿孔采用PE套管，其內(nèi)徑等于或接近工程設(shè)計錨桿孔徑，模擬錨桿底端距離PE套管底端1 m。錨桿采用與工程錨桿相同類型的砂漿錨桿，錨桿外露段長度與工程錨桿設(shè)計相同且外露桿頭加工平整。

模擬試驗在鋼筋加工場附近進(jìn)行，模擬錨桿共3種規(guī)格，即Φ25L=4.5 m、Φ28L=6.0 m、Φ32L=9.0 m砂漿錨桿；錨桿質(zhì)量類型包括缺陷錨桿（如圖1所示）和完整錨桿，施工工藝與工程錨桿相同；缺陷錨桿水平設(shè)置，共制作6組，每組1根；完整錨桿制作向上傾斜45°、90°和水平角度的各3組，每組3根，試驗錨桿參數(shù)見表1。

圖1 模擬缺陷錨桿示意圖

表1 模擬試驗錨桿參數(shù)匯總表

2.2 現(xiàn)場無損檢測

錨桿無損檢測采用聲波反射法，利用應(yīng)力波一維波動理論[3]。使用錨桿質(zhì)量檢測儀JL-MG（D），通過手錘或超磁震源在錨桿頂部施加脈沖激振，產(chǎn)生彈性應(yīng)力波從錨桿頂部發(fā)射出去，沿錨桿軸向傳播并向錨桿周圍輻射能量，遇到波阻抗差異的界面發(fā)生反射、透射或散射。當(dāng)錨桿、砂漿與圍巖三者之間接觸的均勻密實時，應(yīng)力波反射能量較弱，若三者之間膠結(jié)不均勻、不密實，或產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，則應(yīng)力波反射能量較強(qiáng)。根據(jù)反射波的位置、強(qiáng)弱及波形特征來確定錨桿長度以及注漿飽滿度和缺陷位置。

錨桿長度按外露段長度與錨固段長度之和計算，公式如下：

式中L——錨桿總長；

L1——外露段長度；

L2——錨固段長度；

C1——外露段平均波速；

Δt1——外露段波行時間；

C2——固結(jié)段平均波速；

Δt2——固結(jié)段波行時間。

實際檢測時，錨桿長度可根據(jù)儀器采集的波形圖中錨桿底部反射的位置確定，外露段長度現(xiàn)場一般可直接用尺測量[4-5]。

錨桿缺陷位置依據(jù)反射波形運動學(xué)和動力學(xué)特征綜合判斷。一般錨固密實的錨桿波形規(guī)則，呈指數(shù)快速衰減，持續(xù)時間短，桿底反射前無缺陷反射波，頻率集中。錨固質(zhì)量較差的錨桿往往具備以下特征中的一種或多種：（1）桿底反射之前出現(xiàn)波形衰減異常（振幅變大、衰減較慢）；（2）出現(xiàn)多次反射波；（3）桿系波速明顯偏大；（4）頻率分散[6]。

錨固缺陷主要分為不飽滿和空漿，空漿會使計算得到的桿系波速明顯偏大，空漿段越長，桿系波速越接近裸桿波速。局部不飽滿和空漿都會改變應(yīng)力波傳播路徑上介質(zhì)的波阻抗，從而導(dǎo)致波形圖上出現(xiàn)缺陷反射，甚至出現(xiàn)多次反射，可根據(jù)缺陷反射波判斷缺陷位置。值得注意的是，錨桿中的第1缺陷在應(yīng)力波的反射曲線上一般都可識別，而存在兩個及以上缺陷時，第2、第3缺陷反射的強(qiáng)弱，要視第1缺陷反射的影響。錨桿中缺陷反射強(qiáng)烈時，往往會影響到桿底反射的識別，使其較難分辨[7]。

錨固飽滿度定性評價可結(jié)合錨桿飽滿度波形特征評判標(biāo)準(zhǔn)以及施工資料、地質(zhì)條件綜合判定。定量評價時，可采用有效錨固長度法和反射波能量法計算錨桿飽滿度，因有效錨固長度法精度較高，一般應(yīng)用較多，計算公式如下[8-9]：

式中Lr——錨固段長度；

Lx——缺陷段長度。

2.3 剖桿驗證

注漿完成7 d后，進(jìn)行現(xiàn)場剖桿驗證。在相關(guān)方的共同見證下，采用切割設(shè)備將PE管兩側(cè)縱向切開，取下PE管，復(fù)核、檢查、測量、記錄每根試驗錨桿的實際情況，并與無損檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3 模擬試驗成果

3.1 試驗錨桿無損檢測結(jié)果

通過試驗錨桿現(xiàn)場無損檢測結(jié)果和剖桿驗證量測結(jié)果對比（見表2），發(fā)現(xiàn)儀器測試結(jié)果基本準(zhǔn)確，砂漿錨桿缺陷類型多為空漿或不飽滿。

表2 模擬試驗錨桿無損檢測成果表

1～6組模擬缺陷試驗錨桿無損檢測桿長與剖桿后測量的桿長一致，檢測誤差均值0.006 m；無損檢測的錨桿飽滿度與剖桿后測量飽滿度相吻合，檢測誤差均值0.9%。

7～15組完整錨桿檢測桿長與剖桿后測量桿長基本一致，檢測誤差均值0.015 m；無損檢測的錨桿飽滿度與剖桿后測量飽滿度相吻合，檢測誤差均值0.4%。

3.2 試驗錨桿桿體波速、桿系波速

根據(jù)試驗錨桿檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)整理計算得到試驗錨桿的桿體波速、桿系波速見表3。

表3 試驗錨桿桿體波速、桿系波速 m/s

3.3 無損檢測的時間效應(yīng)及最佳檢測齡期

自PE管注漿結(jié)束后，試驗錨桿在自然養(yǎng)護(hù)條件下，桿系波速會隨砂漿強(qiáng)度增長而逐漸變大。以Φ28L=6.0 m試驗錨桿為例論述。

3.3.1 桿系波速時間效應(yīng)

從圖2看出，桿系波速在3～5 d齡期間增長較快、日變化量相對較大，在5～9 d齡期增幅較緩、日變化量相對較小。

圖2 Φ28 L=6.0 m試驗錨桿平均桿系波速—齡期曲線圖

3.3.2 無損檢測波形圖時間效應(yīng)

從圖3看出，試驗錨桿在3～4 d齡期檢測波形桿底反射信號清晰，但中間雜波較多；在5～9 d齡期檢測波形桿底反射信號非常清晰，中間雜波逐漸被壓制，波形規(guī)則，桿系完整。

圖3 Φ28 L=6.0 m試驗錨桿不同齡期的檢測波形圖

3.3.3 最佳檢測齡期

分析Φ28L=6.0 m試驗桿的桿系波速和檢測波形的時間效應(yīng)可知：在當(dāng)前的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，試驗錨桿在5 d齡期后的桿系波速變化平緩，檢測波形逐漸變好，中間雜波逐漸被壓制直至消失。綜合考慮無損檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量和工期進(jìn)度，工程錨桿無損檢測的最佳齡期宜為注漿結(jié)束后的第5 d。

3.4 試驗錨桿典型圖譜

對無損檢測波形圖和剖桿驗證結(jié)果對比分析，得到本工程普通砂漿試驗錨桿典型圖譜（圖4），包括：注漿飽滿度100%、注漿飽滿度不小于90%、注漿飽滿度80%～90%、注漿飽滿度＜75%的典型波形圖像。從圖4中可以看出，無缺陷錨桿即注漿飽滿度100%的錨桿，波形規(guī)則，快速衰減，桿底反射信號非常清晰，中間無雜波。缺陷錨桿，缺陷反射明顯，且隨缺陷長度增加，中間雜波逐漸增多。

3.5 檢測參數(shù)設(shè)置、檢測精度及有效范圍

3.5.1 JL-MG（D）錨桿質(zhì)量檢測儀參數(shù)設(shè)置

（1）需手動設(shè)置錨桿長度L和桿系波速Ct，儀器根據(jù)公式：最佳采樣間隔為3 472L/Ct自動計算并設(shè)置。

（2）儀器帶通頻率一般設(shè)為：500～10 000 Hz。

（3）激震方式有超磁聲波發(fā)射震源和手錘2種，工程錨桿檢測宜采用2種激震方式，每種方式保存3個波形（3個波形基本一致方可保存），每根錨桿保存6個波形。

3.5.2 檢測精度及有效范圍

試驗錨桿無損檢測與剖桿后測量的桿長，檢測誤差介于0～0.052 m之間，均值0.015 m，最大相對誤差0.79%。本次試驗最長錨桿為9 m，無損檢測的波形規(guī)則、桿底反射清晰宜讀，檢測結(jié)果經(jīng)剖桿驗證準(zhǔn)確可靠。進(jìn)行研究，以完善模擬試驗成果。

4 結(jié)語

錨桿支護(hù)屬于基礎(chǔ)隱蔽性工程，其質(zhì)量關(guān)乎其他后續(xù)工程施工、工程運營的安全，為抽水蓄能電站建設(shè)的重要節(jié)點，為確保錨桿錨固質(zhì)量，必須進(jìn)行錨桿無損檢測。大中型水利水電工程，工程錨桿無損檢測前應(yīng)進(jìn)行錨桿模擬試驗。通過模擬試驗成果，可指導(dǎo)工程錨桿檢測、資料處理、缺陷分析和錨固飽滿度綜合評定，從而保證工程施工質(zhì)量。

鑒于場地、工期等因素，本次錨桿模擬試驗只進(jìn)行了室內(nèi)試驗，建議有條件時繼續(xù)對現(xiàn)場試驗