在水利水电工程的堤坝、边坡、隧洞的建设过程中经常需要大量采用喷锚支护技术，锚杆的施工质量的好坏直接影响着洞室或边坡的安全。然而锚杆的施工属于隐蔽工程，它的有效长度、砂浆的密实度及砂浆的灌注缺陷越来越受到工程技术人员的关注。传统的测试方法是用抗拔力来检验，但这种方法并不能完全确定其施工质量。试验证明，当锚固长度达到锚杆直径的42倍时，握裹力不再随锚杆长度的增加而增加，工程锚杆的长与直径比有时达到了200～500，仅用抗拔力来检验施工质量是不完善的，因此，必须采用声频应力波对锚杆的锚固质量进行无损检测和抗拔力试验，才能对锚杆的锚固质量进行很好地分析和评价。工程锚杆主要有锚固型、摩擦型及全长粘结型锚杆三种，《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）要求对锚固型和摩擦型锚杆须进行一定数量的原位抗拔试验，以检验锚杆的抗拔力，同时应对锚杆检查砂浆密实度，且注浆密实度大于75%为合格。因此，在水利水电工程中何检验锚固型锚杆的有效锚固长度及注浆密实度是值得我们研究和完善的迫切课题。

 

　　2检测方法的基本原理

 

　　2.1工作原理

 

　　在护边坡上与隧洞内的锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的三合一系统中，密实状态下的锚固剂凝固后，在锚杆孔中，其与锚杆杆体紧密握裹，可近似为一个组合杆件。又因锚杆与锚固剂的强度明显大于护边坡与遂洞的围岩，故可把其密实组合体近似看作为嵌入围岩的一维杆状体。当工程的锚杆构件的尺寸为圆柱体且其直径d远远小于其长度L时，则此锚杆完全可以作为弹性波中的一维杆件理论分析处理。由锚杆端部发射的声频应力波经杆体向里传播，当遇到存在波阻抗差异的界面（如空洞、锚杆与砂浆等界面），将发生反射、透射或散射。在实际工程中透射波不易测得，但反射波可在其传至锚杆顶时，通过固定在锚杆顶部的传感器(加速度型或速度型)测得，由于反射波携带锚固系统内的信息，将其放大、滤波和数据处理，识别来自不同部位的反射信息根据这些反射信息，结合其他工程资料，可判断锚固系统不同部位的质量类别。

 

　　2.2方法分析原理

 

　　在一维弹性杆件体系中，应力波法是基于一维杆件的波动理论，应力波从一种介质向另一种介质传播时，根据波在锚杆中传播的一维波动方程及波在上、下界面处质点位移的连续条件和力的平衡条件，得出计算公式：波阻抗比；反射系数

 

　　式中Z=ρVcA；ρ：杆件材料密度（kg/m3）；Vc：杆件中应力波传播速度（m/s）；

 

　　A：杆件的横截面积（m2），σr：反射波应力σt：透射波应力

 

　　1）当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z减小，即Z1>Z2，则F>0，此时反射波相位与入射波相位相同。

 

　　2）当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z增大，即Z1可以看出，在变截面杆的顶端施加一个初始扰动时，就产生应力波并沿杆体传播杆中某一截面面积或材料性质发生改变时，入射波将在该截面处发生反射和透射，其反射和透射波的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。与变截面杆相类似，在锚杆体系中 ，锚杆、砂浆、和围岩三者之间浇灌均匀密实时，应力波的能量大部分透射到围岩体中，只有小部分能量反射回来，且反射信号极有规律。当砂浆浇灌不均匀、密实时，在砂浆中出现空穴，在空穴处将出现不同程度的波阻抗变化面。表现在原有的信号中迭加了强度不同的反射信号，或在不应出现反射波处有反射信号，根据反射波位置和反射信号的强弱，分析所检测反射波的旅行时间、波幅、频率、相位和能量，可以判定锚杆的长度和砂浆密实度及其位置，就可以确定锚杆锚固质量并为其分级。

 

　　(a)变截面杆中的入射波、反射波和透射波

 

　　(b)锚固体系模型示意图

 

 

　　3.1仪器设备

 

　　某抽水蓄能电站上库进出水口护边坡及a#、b#隧洞的锚杆设计长度为3～6.0m，锚杆长度及砂浆密实度的无损检测使用岳阳奥成科技公司的HX-GMM-S45C型超磁致声波发射震源激发高能脉冲声波，用RS-ST01C非金属声波检测仪接收声波信号，采取在外露钢筋端部进行端发端收的观测方式。超磁致声波震源系统具有激发能量强、信号稳定、一致性好、可控等优点；RS—ST01C非金属声波检测仪具有计时精度高、声幅准确、分析处理功能全等特点且自带数据处理系统，能对采集信号进行实时处理；试验表明检测锚杆长度在1.5～6.0m间，选择l00Hz的加速度传感器比较合适。

 

　　3.2现场检测条件

 

　　①现场检测可选择端发端收、侧发侧收或端发侧收，锚杆外露长度宜为0.3m左右，杆头宜平整、无浮浆。有挂网或喷射混凝土层时，宜将其与检测的锚杆分开。

 

　　②每一锚杆应重复测试3次，3次信号应基本一致。

 

　　3.3成果分析的评判依据

 

　　根据检测数据的反射波旅行时间、波幅、频率、相位和能量的变化特征，结合各种锚杆施工工艺的特点，把锚杆的质量分为四个等级。具体分级评判标准见下表（一）。

 

　　表（一）锚杆无损检测质量分级评判标准

 

　　锚杆质量等级 评判标准

 

　　Ⅰ 优 砂浆密实度≥90%，长度符合

 

　　Ⅱ 良 90%＞砂浆密实度≥80%，长度符合

 

　　Ⅲ 合格 80%＞砂浆密实度≥75%，长度符合

 

　　Ⅳ 不合格 砂浆密实度<75%或锚杆长度比设计值短5%以上

 

　　3.4不同锚固质量类型的锚杆检测数据曲线分析

 

　　在室内通过弹性波波动理论对锚杆的锚固质量的数据进行处理和分析，根据接收到的弹性波波形特征，对锚杆的锚固质量作出分类评价，其评价标准见上表(一)。 本次测试中各种不同锚固质量类型的锚杆检测数据代表曲线。

 

　　1检测波形所对应的的锚杆实际长度为4.51m，测量长度约为4.49m，从图中可以看出波在锚固系统中衰减较快，且锚杆底端反射微弱，波形最后回归基线，总密实度>90%，证明该锚杆锚固质量很好。

 

　　2检测波形所对应的锚杆实际长度为6.92m，测量长度约为6.90m，从图中可知波在该锚固系统中衰减变慢，且锚杆底端反射明显，波形最后趋近基线，密实度一般（2.6～5.2m内局部缺浆），证明该锚杆锚固质量一般。

 

　　3检测波形所对应的锚杆实际长度为5.31m，测量长度约为5.29m，从记录波形来看，锚杆底端反射不明显，中间存一个异常信号，缺陷位置在2.8m左右，密实度较好，说明该锚杆锚固质量良好。

 

　　4检测波形所对应的锚杆实际长度为6.0m，测量长度约为5.99m，从该锚杆的实测记录波形来看，波在锚杆的锚固体系中衰减很慢，且锚杆底端反射十分明显，波形难以回归基线，波形变化规律与自由锚杆类同。经现场拉拔试验验证，抗拔力不符合设计要求，综合判定该系统锚固质量差。

 

　　4结论

 

　　水利水电工程中的护边坡与隧洞工程常大量采用锚杆对围岩进行加固处理，加固好的锚杆质量检测迫切需要得到很好的解决。通过本工程实验检测结果说明声频应力波法无损检测作为一种工程质量检测手段，不管从原理上和还是从方法上都是可行的，且现场操作简单，所需人力少、时间短，不影响工程进度，同时能够定量反映工程锚杆注浆质量，从而为水利水电隧洞和边坡工程建设提供更好的质量保障。在实际数据采集过程中，影响数据质量的因素较多，应注意如下几方面：

 

　　1）测试前锚杆端头是否清理干净，检测时尽量减少噪音干扰，还有安装传感器的粘接剂不要弹性太好或太厚，同时用扎带绑牢，以免影响测试信号。

 

　　2）采集信号时选取效果较好的信号存取，所采集的较好信号应该是：a、多次采集的波形重复性好；b、波形光滑，不应含毛刺或振荡波形；c、波形最后趋近于基线。

 

　　3）对于锚杆灌浆体内部孔洞、裂隙、“蜂窝”等缺陷的探测，可用声时、幅值、波形、频谱等参数综合起来作为判断的依据；把信号的能量特征与相位特征结合起来考虑，可使判断更为可靠，从而对锚杆长度及锚固状态作出综合而准确的评判。