核子密度儀在土石壩礫石土心墻碾壓試驗(yàn)質(zhì)檢檢測(cè)應(yīng)用研究

李福增

【摘要】 在水電建設(shè)工程中，土石壩壩型應(yīng)用廣泛，為使土石壩心墻填筑高質(zhì)量、高效率的完成，需對(duì)心墻摻礫料碾壓后密度進(jìn)行快速檢測(cè)，傳統(tǒng)挖坑法強(qiáng)度大、效率低，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，難以滿足工程建設(shè)需要，因此，運(yùn)營先進(jìn)的密度檢測(cè)方法十分必要。本文通過核子密度儀法在雅礱江兩河口水電站大壩心墻摻礫土料碾壓試驗(yàn)中的應(yīng)用，研究，總結(jié)出一套行之有效的工作流程和方法，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在土石壩心墻摻礫土料填筑工程中應(yīng)用的可行性。

【關(guān)鍵詞】 土石壩心墻摻礫土填筑 核子密度儀法 壓實(shí)密度 質(zhì)量檢測(cè)

1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河匯合口下游約2km河段。兩河口水電站總裝機(jī)容量300萬kW，年發(fā)電量114.91億kW.h，為雅礱江中、下游的"龍頭"水庫電站。水庫正常蓄水位2865.00m，相應(yīng)庫容101.54億m3，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。

大壩壩體主要分區(qū)如下：心墻防滲體頂寬為6m，頂高程2874.00m，心墻上、下游坡均為1：0.2，心墻兩岸岸坡基巖表面設(shè)1m厚的混凝土蓋板，蓋板與心墻連接處鋪設(shè)水平厚度4m的接觸性粘土；心墻上游高程2775.00m以上設(shè)置兩層水平厚度為4m反濾層、高程2775.00m以下設(shè)一層水平厚度8m的反濾層，下游設(shè)兩層水平厚度為6m的反濾層。上、下游反濾層與壩體堆石之間設(shè)置過渡層，過渡層頂高程2865.00m，頂寬6.5m，上、下游坡均為1：0.4。在心墻后的壩基與過渡料之間設(shè)置二層3m厚的水平反濾排水層。上游高程2658.00m以上設(shè)置堆石Ⅰ區(qū)，高程2658.00m以下設(shè)置堆石Ⅱ區(qū)；下游壩殼內(nèi)部高程2630.00m～2804.13m之間設(shè)置為堆石Ⅲ區(qū)，其下游壩殼采用堆石Ⅰ區(qū)料填筑。

1.2 項(xiàng)目簡介

兩河口水電站心墻堆石壩最大壩高295m，屬于超高堆石壩，國內(nèi)目前缺乏在高山峽谷地區(qū)建設(shè)300m級(jí)心墻堆石壩的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。大壩心墻礫質(zhì)土設(shè)計(jì)需用量為429.40萬m3，需接觸粘土料16.40萬m3。筑壩材料研究是兩河口心墻堆石壩關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

1.3核子密度檢測(cè)試驗(yàn)研究的目的和內(nèi)容

1、核子密度儀檢測(cè)研究的目的

通過碾壓試驗(yàn)質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，建立核子密度儀質(zhì)量檢測(cè)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過與傳統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)方法進(jìn)行比較，論證核子密度儀在檢測(cè)中應(yīng)用的可行性。

2、核子密度儀檢測(cè)研究的內(nèi)容

（1） 結(jié)合本項(xiàng)目碾壓試驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)對(duì)核子密度儀表面反射法、鉆孔透射法快速檢測(cè)進(jìn)行研究，對(duì)幾種方法間的差異性及在試驗(yàn)檢測(cè)中的有效性進(jìn)行分析研究；

（2） 通過核子密度儀碾后壓實(shí)密度、含水量的檢測(cè)成果，分析、評(píng)價(jià)碾壓試驗(yàn)的碾壓效果，得出合理的結(jié)論性意見；

（3） 與傳統(tǒng)"挖坑法"進(jìn)行比較分析，評(píng)價(jià)方法的可行性。

1.4試驗(yàn)的基本思路

1、廣泛借鑒學(xué)習(xí)國內(nèi)同類工程核子密度儀檢測(cè)的成熟經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程實(shí)際作出實(shí)施方案；

2、根據(jù)規(guī)范要求通過標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)和現(xiàn)場標(biāo)定對(duì)儀器自身穩(wěn)定性、總體偏差進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)并分析偏差成因；

3、按照現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)施方案做好土料的現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)的壓實(shí)密度以及含水量的檢測(cè)工作，總結(jié)現(xiàn)場實(shí)施操作經(jīng)驗(yàn)；

4、對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，并對(duì)試驗(yàn)中遇到的問題客觀認(rèn)識(shí)、分析。

5、選取代表性的核子密度儀檢測(cè)數(shù)據(jù)與挖坑法進(jìn)行比較，分析偏差率及離散度情況。

1.5執(zhí)行的規(guī)程規(guī)范

《水電水利工程物探規(guī)程》（DL/T5010-2005）

《核子水分-密度儀現(xiàn)場測(cè)試規(guī)程》（SL275-2001）

《水電水利工程礫質(zhì)土心墻堆石壩施工規(guī)范》（DL/T5269-2012）

《碾壓式土石壩施工規(guī)范》（DL/T5129-2001）

2 核子密度儀工作原理

2.1儀器構(gòu)造

核子密度儀由主機(jī)、探頭和其他輔助部件構(gòu)成。儀器的探頭中裝有一個(gè)微量密封的銫137伽馬源，和一個(gè)微量密封的镅241/鈹中子源。

根據(jù)檢測(cè)深度不同，常見的核子密度濕度儀可以分為淺層核子密度濕度儀、雙桿分層核子密度濕度儀、深層核子密度濕度儀幾種，分別滿足不同的現(xiàn)場檢測(cè)要求。圖2-1常見核子密度濕度儀結(jié)構(gòu)圖。

核子密度濕度儀使用的放射源是密封在不銹鋼棒中的，儲(chǔ)運(yùn)和使用過程中不會(huì)產(chǎn)生泄漏物質(zhì)，保養(yǎng)清潔都非常方便。

2.2密度測(cè)試原理

核子密度儀測(cè)量的是材料的總原子量，從而計(jì)算被測(cè)材料的單位體積的總密度，不受被測(cè)材料的物理狀態(tài)和化學(xué)成分的影響。銫137伽馬源發(fā)出伽馬（γ）射線進(jìn)入被測(cè)材料，如果材料的密度較低，較多的γ射線就會(huì)穿過材料，材料吸收的γ射線較少；反之，如果材料的密度較高，高密度的材料吸收了更多的γ射線，較少的γ射線會(huì)穿過材料。裝在儀器內(nèi)的蓋革----密勒計(jì)數(shù)管將會(huì)檢測(cè)到并統(tǒng)計(jì)穿透被測(cè)材料的射線量，被材料反射和吸收的射線量。這些信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大后會(huì)通過傳輸電纜輸送到儀器的數(shù)據(jù)處理器中并與儀器伽馬源的射線發(fā)出量進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，可精確集散被測(cè)材料的密度。

2.3水分測(cè)試原理

核子密度儀測(cè)量的是土工材料的總含水率，包括自由水和結(jié)合水。儀器測(cè)量水分時(shí)，中子源放射的高能中子進(jìn)入被測(cè)材料中，被測(cè)材料中的氫原子和高能中子相碰撞后減速，減速后的慢中子可以被探頭內(nèi)的氦-3探測(cè)管接收到。慢中子的數(shù)目與土壤中的氫原子數(shù)目成正比關(guān)系。根據(jù)這個(gè)原理可以精確測(cè)量出土工材料的總含水率。

3標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)

儀器中的放射源會(huì)緩慢地隨時(shí)間衰變，必須定期地使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)塊對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。每做一次標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，新的計(jì)數(shù)值就會(huì)取代上一次的計(jì)數(shù)值用來計(jì)算現(xiàn)場計(jì)數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)的比值，以補(bǔ)償放射源的衰減。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)值的大小還可以用來檢驗(yàn)儀器的性能。一般情況下應(yīng)每天進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)操作步驟：

（1）選擇開闊平整的場地，，儀器周圍8m以內(nèi)不應(yīng)有放射源，3m以內(nèi)不應(yīng)有大型建筑，測(cè)量人員應(yīng)與儀器保持2m以上距離；

（2）儀器開機(jī)預(yù)熱4min；

（3）將儀器放置在隨儀器配備的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)塊上，對(duì)齊底座，并按下儀器操作界面"標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)"按鈕，然后按"開始"按鈕，儀器自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)時(shí)間一般為256s。

（4）用自動(dòng)連續(xù)多次測(cè)量方法測(cè)取新的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，如新測(cè)取的密度或水分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)符合公式（3-1）的規(guī)定范圍，則該新測(cè)取的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)為合格，否則視為不合格。

（3-1）

式中n為新測(cè)取的密度或水分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，即是一組所有單次測(cè)取的密度或水分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)的平均值；為該組單次測(cè)取的密度或水分標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；f為預(yù)置比例因子。

（5）根據(jù)不同型號(hào)儀器，選擇上述規(guī)定的方法，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)的檢驗(yàn)。如第一次檢驗(yàn)不合格，可再次檢驗(yàn)，其間可讓儀器開機(jī)繼續(xù)穩(wěn)定一段時(shí)間，并檢查標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)測(cè)取條件，如不符合，應(yīng)及時(shí)糾正后再繼續(xù)檢驗(yàn)。如多次檢驗(yàn)仍不合格，則認(rèn)為機(jī)器不能正常工作，需要檢查和修理。

兩河口碾壓試驗(yàn)所用儀器標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)均用儀器自帶標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，通過每日進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)跟蹤測(cè)量表明，儀器標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)值都在規(guī)范要求范圍內(nèi)，儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定。

4核子密度儀快速檢測(cè)方法比較分析

根據(jù)《防滲土料現(xiàn)場摻合及碾壓試驗(yàn)大綱》的要求，對(duì)核子密度儀檢測(cè)的結(jié)果與傳統(tǒng)挖坑注水檢測(cè)密度的成果進(jìn)行比較分析。為了對(duì)表面反射法、鉆孔透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)成果以及挖坑法檢測(cè)的成果有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)，選取一定的樣本進(jìn)行整體平均值、單點(diǎn)差值統(tǒng)計(jì)，這里主要選取土料復(fù)合場的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

平均值的統(tǒng)計(jì)樣本選取的是土料碾壓試驗(yàn)中復(fù)合場的檢測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)的參數(shù)有濕密度、干密度、含水率，統(tǒng)計(jì)成果見表4-1。

單點(diǎn)差值統(tǒng)計(jì)是求得單個(gè)測(cè)點(diǎn)幾種檢測(cè)方法的對(duì)應(yīng)參數(shù)差的絕對(duì)值，然后統(tǒng)計(jì)其在一定范圍內(nèi)的分布狀況，以表示偏差大小，差值統(tǒng)計(jì)分布圖見圖4-1～圖4-2。

（1）表面反射法濕密度平均值為2.13g/cm3，，干密度平均值為2.09g/cm3，含水率平均值為7.4%。鉆孔透射法濕密度平均值為2.29g/cm3，干密度平均值為2.14g/cm3，含水率平均值為7.0%。挖坑法濕密度平均值為2.33g/cm3，干密度平均值為2.13g/cm3，含水率平均值為9.13%。

（2）表面反射濕密度平均值和干密度平均值均小于鉆孔透射法和挖坑法檢測(cè)值，說明土料碾后表層的密度偏低于整體壓實(shí)密度。

鉆孔透射法與挖坑法碾后濕密度平均值與干密度平均值相近，干密度平均值之間的差值為0.01g/cm3，濕密度平均值之間的差值為0.04g/cm3。

從干密度差值分布可以看出：差值絕對(duì)值主要集中在0～0.1 g/cm3范圍內(nèi)，挖坑法和鉆孔透射法干密度值最為接近，差值絕對(duì)值在0 ～0.1 g/cm3的測(cè)點(diǎn)占79.8%；表面反射法分別與挖坑法和鉆孔透射法的差值分布相差不大，表面反射法與挖坑法差值絕對(duì)值在0～0.1 g/cm3的測(cè)點(diǎn)占59.5%，表面反射法與鉆孔透射法差值絕對(duì)值在0～0.1 g/cm3的測(cè)點(diǎn)占57.7%。

從含水率差值絕對(duì)值分布可知：差值絕對(duì)值主要集中在0～2%范圍內(nèi)，表面反射法和鉆孔透射法含水率最接近，表面反射法-鉆孔透射法差值絕對(duì)值在0～2%的測(cè)點(diǎn)占91.7%；其次為表面反射法和挖坑法，含水率差值絕對(duì)值在0～2%的測(cè)點(diǎn)占60.1%，差別較大的為鉆孔透射法與挖坑法，含水率差值絕對(duì)值在0～2%的測(cè)點(diǎn)占48.2%。

5 結(jié)論

核子密度儀檢測(cè)法作為快速檢測(cè)方法之一配合土石壩心墻土料碾壓施工進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)檢測(cè)工作，獲得了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析并與挖坑法進(jìn)行了對(duì)比，研究表明：核子密度儀檢測(cè)法適用于大壩填筑土料的施工碾壓質(zhì)量快速檢測(cè)，通過現(xiàn)場密度和水分檢測(cè)對(duì)碾壓施工過程和質(zhì)量進(jìn)行控制。