附加質(zhì)量法在堆石體質(zhì)量控制中的應用

王小利

（山西省水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站 山西太原 030002）

附加質(zhì)量法在堆石體質(zhì)量控制中的應用

王小利

（山西省水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站 山西太原 030002）

文中闡述了堆石壩的發(fā)展，目前堆石體密度的檢測方法及現(xiàn)狀，介紹了附加質(zhì)量法原理以及附加質(zhì)量法檢測堆石體密度的方法及應用，以水布埡電站、糯扎渡水電站等工程為例，闡述了附加質(zhì)量法在堆石體密度檢測中的廣闊應用前景。

附加質(zhì)量法；原理；堆石體密度檢測

0 前言

隨著科技的發(fā)展，施工工藝工法的改進，新材料、新技術的不斷研究，大型機械的出現(xiàn)，以及人們對工程質(zhì)量的高要求和對工程施工進度的要求，都對工程質(zhì)量的檢測手段方法提出了更高的要求。近年來，我國水利水電工程和基礎設施建設發(fā)展迅猛，附加質(zhì)量法作為目前土石壩壓實質(zhì)量檢測的新方法，因其工作效率高、測試精度高、耗資少而得到越來越廣泛的應用。作為砂礫土堆石體密度的測定方法，附加質(zhì)量法替代了傳統(tǒng)的坑測法為大壩堆石體密度檢測提供了一種快速、非破損性的實時測試手段，為堆石體質(zhì)量評定提供了依據(jù)。

1 堆石壩的發(fā)展

在眾多大壩中，以土石壩最為常見，數(shù)量最多，在中東、中國、印度等國家都有存在。堆石壩的發(fā)展經(jīng)歷了早期的拋填堆石階段，這種采用拋投法填筑大壩，大壩壩體會產(chǎn)生嚴重的滲水、發(fā)生較大的大壩變形，使混凝土面板承受過大的應力，從而導致壓性縫開裂；由拋填堆石發(fā)展到碾壓堆石階段的過渡時期，隨著振動碾的出現(xiàn)，填筑方法由拋投法填筑轉(zhuǎn)變?yōu)槟雺禾钪恢钡浆F(xiàn)代階段，堆石體施工采用薄層碾壓的方式，這種采用碾壓填筑技術修建的堆石壩具有變形小、壩體堆石材料范圍廣、壩高限制小可向高壩發(fā)展、壩體運行良好的特點。隨著時間以及科技的發(fā)展，堆石壩筑壩技術也得到了長足的進展，比如填筑標準提高、軟巖筑壩、壩體冬季碾壓、面板趾板防裂、高抗裂耐擠壓的面板結構和材料、防滲止水系統(tǒng)、壩體反滲排水等。

人們在要求工程進度的同時對工程質(zhì)量的要求同樣迫切嚴格。各類堆石體按照規(guī)程規(guī)范的要求均應檢測堆石體內(nèi)部缺陷，壩殼堆石料、過渡料、反濾料的顆粒級配，相對密度，孔隙率等堆石體質(zhì)量指標。堆石體密度作為堆石體質(zhì)量評定的一個重要指標成為壩體工程質(zhì)量的主要組成因素。

2 堆石體密度檢測方法

目前在工程建設中，堆石壩、堆石路基、堆石圍堤等各類堆石體建筑工程大量涌現(xiàn)，工程的質(zhì)量與人們的生命生活息息相關。堆石體的密度是否符合設計要求，這將直接影響到大壩壩體或路基等工程的質(zhì)量，問題嚴重時將會造成壩體等的沉降，甚至對人們的生命財產(chǎn)產(chǎn)生威脅。因此堆石體內(nèi)部缺陷以及密度的檢測就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的對于堆石體密度的檢測方法有直接法和間接法，直接法有坑測灌水法（灌砂法）。間接法包括沉降觀測法、靜彈模法、動彈模法、核子密度法、面波法等?？訙y法檢測結果具有準確可靠性高、試驗方法成熟的優(yōu)點，但該檢測方法工作量大、檢測需要時間長、工作效率低、所需成本高、且屬于破壞性檢測方法，需對工程局部造成破壞，限制了其在目前快速、大規(guī)模、高土石壩、高強度的機械化作業(yè)的填筑施工質(zhì)量控制中的大量應用。面波法對于小范圍內(nèi)的表層信息反應不靈敏、不準確，從而導致不良的測定效果。沉降觀測法等不能定量評價堆石體壓實狀況。核子密度儀法對堆石材料的粒徑有明確要求，報備手續(xù)繁瑣嚴格，外送檢定周期長，且核子密度儀具有放射性，現(xiàn)場防護措施嚴格，對人體環(huán)境有傷害，因此核子密度法的推廣使用有較大的局限性。而作為堆石體填筑碾壓密度施工質(zhì)量控制的新方法附加質(zhì)量法，順應了工程的需要，具有原位、快速、無損、可靠等特點，并適應于不同巖性、粒徑的堆石體，可及時發(fā)現(xiàn)堆石體內(nèi)部缺陷，可以滿足大壩填筑層間間隙的要求，達到控制碾壓施工質(zhì)量的目的。

3 附加質(zhì)量法

作為大壩施工的重要檢測手段，附加質(zhì)量法操作簡單，快速地對施工質(zhì)量進行實時、無損、準確的控制，從而加快工程施工進度。

3.1 附加質(zhì)量法原理

附加質(zhì)量法是將目標堆石體等效為單自由度線性彈簧振動體系，采用附加質(zhì)量求解得到目標堆石體的參振質(zhì)量。再通過檢測目標體動剛度以及其彈性縱波波長，從而求得目標堆石體密度。在動荷載作用下，目標體受壓面積隨深度的增加而增大，于是作用在單位面積上的動應力隨深度的增加而減小，從而土層的動變位也隨之減小。不同的填筑料，其物理力學性質(zhì)存在差異，處于不同工況下的相同填筑料，其物理力學性質(zhì)仍具有差異，這就為采用附加質(zhì)量法測試堆石體密度提供了物理理論前提[1]。

通常在試驗研究中，我們參照理想單自由度線性彈簧振動體系的理論模型（如圖1），將附加質(zhì)量、壓板等效為彈簧，組成理想的理論模型，從而構造出理想的構造數(shù)學模型（如圖2）。構造數(shù)學模型與理想模型的差別在于彈簧體，彈性堆石體具有質(zhì)量和體積，而理想模型彈簧體沒有質(zhì)量和體積，于是，我們需要將振動單子假定為一個可改變的等差質(zhì)量體Δm，作為附加質(zhì)量，根據(jù)垂向振動頻率f0與等差質(zhì)量體Δm的關系，按公式（1），求得參振質(zhì)量m0。建立D-Δm曲線，曲線與橫坐標交點到原點之間的絕對值即為彈性堆石體的參振質(zhì)量m0。假定m0的振動動能相當于附加質(zhì)量板下堆石體振動動能的積分。于是我們可以得到附加質(zhì)量板下堆石體密度公式（2）。

式中：ω=2πf0；

D——測點頻率倒數(shù)的平方；

f0——附加質(zhì)量為零時介質(zhì)的有效頻率；

ρ——測點密度；

m0——物質(zhì)參振質(zhì)量；

h0——等效深度；

A——附加質(zhì)量板面積。

假定附加質(zhì)量板以下堆石體m0所具有的動能薄片動能在無限深度的積分，通過m0，h0可得到堆石體密度公式（3）。按填筑料特性采用m0-ρ密度相關法，求得測點部位目標堆石體密度。

式中：N——率定系數(shù)；

Vρ——介質(zhì)縱波速度。

3.2 附加質(zhì)量法檢測儀

圖1 理論模型

圖2 構造數(shù)學模型

附加質(zhì)量法檢測儀包括設備主機、附加質(zhì)量塊、重錘以及主機內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集與分析軟件。為了快速、準確地檢測大壩堆石體填筑密度，同時做到對大壩堆石體施工填筑質(zhì)量進行實時地控制，長江地球物理探測有限公司從附加質(zhì)量法測試堆石體密度的基本原理以及現(xiàn)場測試方法等方面出發(fā)，進行了大量研究，研究采用相關法求取密度，通過數(shù)據(jù)采集及處理、三維可視化、質(zhì)量控制評價等一系列分析研究，獲得屬于公司自己的一套附加質(zhì)量法檢測堆石體密度的關鍵技術。同時，還利用GPRS實現(xiàn)對工作現(xiàn)場進行遠程施工質(zhì)量控制以及檢測過程做全程數(shù)字化處理，從而實現(xiàn)了堆石體密度檢測的快速、精確化，以及施工填筑質(zhì)量的實時控制。該技術在水布埡電站、糯扎渡水電站等工程中進行了應用，并且取得了很好的工程效果。

4 附加質(zhì)量法檢測儀檢測堆石體密度的應用

附加質(zhì)量法測試堆石體密度是一種原位、快速的無損檢測技術，具有高效、快速、準確的特點，從現(xiàn)場檢測到提交對實體密度檢測成果，時間不超過1 h，這就解決了堆石體檢測評定與施工進度的矛盾。事實上，采用附加質(zhì)量法檢測大壩堆石體密度已經(jīng)成為坑測法檢測壩體壓實效果測試指標及質(zhì)量評定的有效補充，并可作為單元工程驗收評定的依據(jù)。

4.1 現(xiàn)場檢測布置

檢測點應遵照合同的要求，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理或相關物探檢測人員按檢測單元形狀隨機布點，檢測盡量選取在艙面交界處或填筑單元邊界部分，可疑部位和關鍵部位。

對于過渡料或細堆石料在開展檢測工作時，應逐層分單元，并按單元面積確定檢測點數(shù)量，進行檢測工作。堆石料包括堰壩結合部在開展檢測工作時，同樣需要逐層分單元，再進一步按單元面積控制檢測點進行檢測工作。分單元后，應確保每個單元布置一個測點。

在進行檢測工作時，需要與坑測法進行同位比對試驗的測點，需要先進行附加質(zhì)量法做現(xiàn)場測試，附加質(zhì)量法檢測結束后及時在質(zhì)量塊四周做好標識，再進行坑測，完成比對試驗。

4.2 附加質(zhì)量法研究試驗

試驗人員依據(jù)不同的附加質(zhì)量塊、不同錘擊距離等比對頻譜的頻差，試驗結果顯示采用6塊質(zhì)量塊試驗第四級與第五級頻差更合理，且前五級的頻差較均勻，檢測結果精度越高；在錘擊距離500 mm處頻差變化合理，且與坑測結果最接近，誤差最??；檢測結果易受周圍振動（干擾信號）的影響；檢測對象中大塊石以及雨水均會對檢測造成影響。

施工中，我們經(jīng)常需要根據(jù)施工用料的特點分析其特性以及采用附加質(zhì)量法測試的參數(shù)與壩料的顆粒級配分布規(guī)律。并通過附加質(zhì)量法與坑測法檢測成果的比對，驗證附加質(zhì)量法檢測堆石體密度結果的真實性和可靠性，并建立相關性。

在復核碾壓階段進一步對附加質(zhì)量法的檢測成果進行驗證，得到其可靠、適用的結論。從而達到應用該技術全面控制施工質(zhì)量的目的。

通常堆石體密度求解方法有率定系數(shù)法和m0-ρ密度相關法。率定系數(shù)法由于填筑料物理性質(zhì)差異對求解結果影響較大，m0-ρ密度相關法需要數(shù)量大、范圍廣的坑測樣本值。在工程實際中，由于工程進度以及檢測樣品數(shù)量有限等因素的影響，在以減少樣本數(shù)量，縮短檢測復合時間，且確保計算精度的目的下，在檢測實施過程中引入計算間接量代密度。通過堆石體坑測值和附加質(zhì)量測值進行分析，代入密度與坑測密度值之間建立相關回歸關系，測試堆石體實際密度即可由代密度推算獲得。建立關系式如下[2]：

式中：ρ——坑測法測得濕密度；

N——率定系數(shù)；

ρ代——附加質(zhì)量法測試值；

b——相關常數(shù)。

4.3 測試成果對比分析

測試數(shù)據(jù)來源于2016年11月堆石壩碾壓施工質(zhì)量控制新技術交流會華能瀾滄江水電有限公司和長江地球物理探測有限公司的交流文件。

密度測試成果往往采用相對誤差進行對比分析。水布埡水電站某段施工時間內(nèi)，共對已有的249個挖坑灌水法檢測的成果和附加質(zhì)量法檢測的成果進行了比對分析（見表1），附加質(zhì)量法測試成果與實際挖坑灌水法檢測成果比對結果基本相符，吻合率為93.6%。在復核階段時對10個測點的挖坑灌水法檢測成果和附加質(zhì)量法檢測成果進行了比對分析（見表2），附加質(zhì)量法測試結果與坑測法的測值相比，堆石體密度差值最大值0.13 g/cm3，堆石體密度相對誤差最大值5.80%，平均相對誤差1.95%。

表1 附加質(zhì)量法與坑測法對比統(tǒng)計

表2 附加質(zhì)量法與坑測法測試成果比對統(tǒng)計

糯扎渡水電站某段施工時間內(nèi)，共對307個測點的挖坑灌水法檢測成果和附加質(zhì)量法檢測成果進行了比對分析，附加質(zhì)量法測試成果與挖坑灌水法檢測成果比對結果基本相符，吻合率為92.2%，堆石體密度平均相對誤差為1.68%。見表3。

表3 附加質(zhì)量法與坑測法測試成果分析

從比對分析結果看，附加質(zhì)量法測試結果與坑測法測試結果基本相符，反應的結果一致，這說明附加質(zhì)量法檢測堆石體密度完全可以滿足大壩施工期快速質(zhì)量檢測，并保證檢測結果準確、可靠的要求。

5 結論

從附加質(zhì)量法檢測對實體密度在水布埡電站、糯扎渡水電站等工程的應用情況來看，使用附加質(zhì)量檢測法檢測堆石體的干密度是完全適合的，并可作為單元工程驗收評定的依據(jù)，為大壩填筑碾壓施工提供了驗收依據(jù)；對堆石體內(nèi)部質(zhì)量缺陷可做到及時消除，達到控制質(zhì)量和指導施工的目的；附加質(zhì)量檢測法檢測堆石體干密度大大提高了施工速度，使大壩填筑完工時間比施工計劃時間節(jié)點提前，節(jié)約了工程投資，解決了堆石體檢測評定與施工進度的矛盾；是坑測法壓實效果指標檢測及質(zhì)量評定的有益補充。因此建議大壩及路基等工程堆石體采用附加質(zhì)量法進行質(zhì)量檢測控制。

［1］蔡加興，張志杰.附加質(zhì)量法用于測定大壩堆石體密度應用效果分析與評價［J］.長江科學院院報，2008（10）：186-187.

［2］朱燕梅，等.堆石體密度附加質(zhì)量法計算方法研究［J］.水利規(guī)劃與設計，2016（10）：100-101.

Application of Additional Mass Method in Rockfill Quality Control

WANG Xiao-li

The development of rockfill dam，the rockfill density detection method and current situation were elaborated in this paper.The principle of additional mass method，method and application of detecting rockfill density using additional mass method were introduced.The Shuibuya Hydropower Station and the Nuozhadu Hydropower Station were taken as examples to elaborate the broad application prospect of additional mass method in rockfill density detection.

additional mass method；principle；rockfill density detection

TV641

B

1006-8139（2017）02-038-04

2017-02-15

2017-03-06

王小利（1980-），女，2012年碩士研究生畢業(yè)于太原理工大學，工程師。