關于附加質(zhì)量法數(shù)據(jù)采集方法改進的探討

李先高，王洪巖，杜愛明，余燦林

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明，650214；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京，100024；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明，650041）

關于附加質(zhì)量法數(shù)據(jù)采集方法改進的探討

李先高1，王洪巖2，杜愛明3，余燦林3

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南昆明，650214；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京，100024；3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明，650041）

附加質(zhì)量法是一種準確、快捷、無損的檢測堆石體密度方法。通過梨園水電站大壩堆石體密度附加質(zhì)量法測試，在測試中不斷摸索與實踐，改進了檢波器與附加質(zhì)量塊的連接方法。檢波器與附加質(zhì)量塊的連接采用磁鐵連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絲口連接，大大提高了工作效率，并有效保護了儀器設備。實踐證明，磁鐵連接后采集信號質(zhì)量沒有降低，測試成果未受到影響。

附加質(zhì)量法；傳統(tǒng)連接；磁鐵連接；對比

0 引言

附加質(zhì)量法測試大壩堆石體密度，給大壩填筑施工提供了一種十分重要的檢測手段。它不僅可以在施工過程中對施工質(zhì)量進行實時檢測，以達到控制填筑質(zhì)量的目的，同時，還可以給建成后的大壩建立密度數(shù)據(jù)庫和三維密度分布圖形。所以，從水電站大壩施工過程質(zhì)量控制和安全運行的角度來看，采用附加質(zhì)量法測試堆石體密度具有十分重要的意義。梨園水電站大壩填筑具有填筑量大、工期緊等特點，檢測過程干擾又大，要求檢測的時間又短，如何提高檢測速度是附加質(zhì)量法急待解決的問題。在實際檢測過程中，為了提高檢測速度，改進了檢波器與附加質(zhì)量塊的連接方法，即采用磁鐵連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絲口連接。與傳統(tǒng)連接方式相比，改進后的方法大大提高了附加質(zhì)量法的工作效率，而且沒有影響到測試精度。

1 大壩填筑料密度檢測情況

大壩施工填筑階段為全面檢測階段，該階段跟蹤檢測填筑驗收單元，檢測時逐層分單元進行。附加質(zhì)量法測試部位由現(xiàn)場監(jiān)理工程師指定或由檢測人員隨機選取，檢測數(shù)量采取按單元面積進行測點數(shù)控制的方法，粗堆石料按單元面積2 000 m2一個測點進行測點數(shù)控制，細堆石料按單元面積500 m2一個測點進行測點數(shù)控制，但至少保證每個單元布置2個測點。施工填筑過程中，一個單元驗倉完畢就進行現(xiàn)場檢測，現(xiàn)場提交成果單，及時反饋檢測信息，對檢測不合格的部位要求及時進行補碾，補碾后用坑測法或附加質(zhì)量法進行復測，復測合格后才允許上一層填筑。

從2011年9月大壩開始填筑到2013年5月，應用附加質(zhì)量法共測試6 115點。為了保證每一層第一個單元均有測試數(shù)據(jù)，實際檢測頻率是根據(jù)施工進度控制的，有時幾天沒有測試工作，有時一天要測試幾個單元的數(shù)據(jù)，因此，更加要依靠附加質(zhì)量法無損、快速、準確的優(yōu)勢，達到控制質(zhì)量的要求。

2 附加質(zhì)量法工作原理

附加質(zhì)量法又稱為Δm法，該方法的基本思路為：第一，將測點抽象為“質(zhì)彈體系”振動模型；第二，用附加質(zhì)量法測量測點處的地基剛度K和地基土參振質(zhì)量m0；第三，用體積相關法求解地基填筑體的濕密度ρω；第四，用等體積法求取測點地基填筑體的干密度ρd；第五，利用濕密度ρω和干密度ρd求解含水率ω。

2.1 K、m0的測量

地基剛度和地基參振質(zhì)量是反映地基物理力學特性的兩個重要參數(shù)，因此地基剛度（K）及地基參振質(zhì)量（m0）的測量是求解地基土密度（ρ）的首要環(huán)節(jié)。附加質(zhì)量法是將一定面積以下的填筑體等效為單自由度線性彈性體系，用附加質(zhì)量（Δmi）的方法求解堆石（土）體剛度（K）及參振質(zhì)量（m0），見圖1。

圖1 附加質(zhì)量法測試原理示意圖Fig.1 Principle of the additional mass method

從（2）式可以看出，如果在地基上加一級質(zhì)量△m1，可測到一個ω1，這樣一個方程中仍有兩個未知量K、m0，還是沒有唯一解；只有加兩級質(zhì)量△m1、△m2，得到兩個相應的頻率ω1、ω2，方程（2）才有唯一解，見（3）、（4）式。為了消除測量誤差，加上一系列質(zhì)量△m1、△m2、…，可以測到相應的ω1、ω2、…，作（ω-2-△m）曲線，其反斜率即為K，如（5）式；曲線在m0軸上的截距即為地基土參振質(zhì)量m0，如（6）式。

2.2 填筑體密度（ρ）的計算

K、m0測量的最終目的是為了計算填筑體密度ρ，根據(jù)ρ與K、m0的不同情況，第三代技術提出了解析法、相關法和神經(jīng)網(wǎng)絡法三種密度反演方法。此次試驗采用體積相關法求解填筑體密度ρ。所謂“體積相關法”，即參振質(zhì)量m0除以坑測密度ρ坑得m0相應的體積V0，并利用回歸分析的辦法建立V0與m0關系。

總之，利用K、m0以及相應的坑測密度ρ坑選取一個樣本，只要樣本有足夠的代表性（樣本量足夠大、范圍足夠?qū)挘?，就一定能夠得到V0與m0的較佳關系，利用此關系，即可準確地計算出密度來。干密度ρd的求解可利用V0-m0和V0-md關系求得，md為參振質(zhì)量m0脫水后的參振質(zhì)量。

3 附加質(zhì)量法設備及采集過程

3.1 附加質(zhì)量法設備

附加質(zhì)量法設備主要包括：振動信號分析儀、傳感器、附加質(zhì)量塊、激振錘、電纜等。相關設備的相關儀器參數(shù)如下：

（1）振動信號分析儀：要求有較佳的頻率細化功能和繪圖功能；

（2）60～80 Hz的速度型傳感器1～3只；

（3）剛性附加質(zhì)量塊（以鐵餅為宜）80 kg×5塊；

（4）激振錘一個，50 kg左右；

（5）電纜5～10 m。

3.2 附加質(zhì)量法數(shù)據(jù)采集過程

附加質(zhì)量法數(shù)據(jù)采集主要過程如下：

（1）選點：根據(jù)工程要求選定點位；

（2）在測點處找平鋪砂；

（3）將鐵餅或承壓板平置在測點上；

（4）在測點處承壓板（或鐵餅）中心埋置一只傳感器，并與儀器連接；

（5）激震測點旁土，由儀器記錄傳感器輸入儀器的信號，并分析、顯示、保存。

4 附加質(zhì)量法采集方法的改進

4.1 改進后的連接與傳統(tǒng)連接

傳統(tǒng)檢波器與附加質(zhì)量塊之間的連接方法見圖2，主要靠絲牙連接，改進后檢波器與附加質(zhì)量塊之間的連接方法見圖3，主要靠磁鐵連接。傳統(tǒng)絲牙連接方法有以下弊端：

圖2 傳統(tǒng)檢波器連接方法Fig.2 Traditional connection of the detector

圖3 改進后的檢波器連接方法Fig.3 Improved connection of the detector

（1）測試點數(shù)過多，時間過長的話，絲牙特別容易損壞，也容易損壞檢波器。

（2）絲牙口經(jīng)常堵，易進粉塵、泥垢之類臟物，影響檢波器與附加質(zhì)量塊的耦合。

（3）在將檢波器轉(zhuǎn)進絲牙的過程中，時間長了，容易損傷電纜，而附加質(zhì)量法對電纜的要求特別高。

（4）每次都需要轉(zhuǎn)動檢波器，較浪費時間。

如果采用改進后的磁鐵連接方法，以上所有弊端都可以避免，磁鐵連接的測試效果如下文所述。

4.2 方法改進后論證

為了驗證檢波器與附加質(zhì)量塊連接方法改進后的有效性，有必要對改進后方法進行有效性論證。論證分以下步驟進行：

（1）對墊層區(qū)2A料、過渡區(qū)3A料、主堆石區(qū)3B料各測試一個點；

（2）分五級、四級、三級、二級、一級附加質(zhì)量塊分別測試；

（3）各級塊上進行傳統(tǒng)連接與改進后磁鐵連接測試；

（4）改進后的磁鐵連接分正中間、半徑中點與半徑最外側測試；

（5）對比各種情況測試的頻率值。

4.2.1 墊層區(qū)2A料

墊層區(qū)2A料最大粒徑80 mm，在附加質(zhì)量塊為五級時，傳統(tǒng)直接絲牙連接時檢波器在附加質(zhì)量塊正中間，改進后的磁鐵連接時檢波器在附加質(zhì)量塊上的正中間、半徑中點及兩處半徑最外側，這五種情況時分別測試頻率，并進行誤差分析。同樣，當附加質(zhì)量塊為四塊、三塊、二塊和一塊時，分別進行以上五種情況頻率分析。

通過測試分析，最終墊層區(qū)2A料在不同連接情況下的測試信號頻率分析成果見表1。

當改進后用磁鐵連接時，只要檢波器在附加質(zhì)量塊半徑中點以內(nèi)，其測試信號頻率和傳統(tǒng)絲牙直接連接時的信號頻率相對誤差都比較小，相對誤差最大值3.70%，最小值0.54%，平均值1.99%。

4.2.2 過渡區(qū)3A料

過渡區(qū)3A料最大粒徑300 mm，與墊層區(qū)2A料進行同樣的分析，過渡區(qū)3A料采用不同附加質(zhì)量塊不同連接情況下的測試成果見表2。

當改進后用磁鐵連接時，只要檢波器在附加質(zhì)量塊半徑中點以內(nèi)，其測試信號頻率和傳統(tǒng)絲牙直接連接時的信號頻率相對誤差都比較小，相對誤差最大值3.92%，最小值0.00%，平均值1.56%。

4.2.3 主堆石區(qū)3B料

主堆石區(qū)3B料最大粒徑800 mm，與墊層區(qū)2A料、過渡區(qū)3A料進行同樣的分析，主堆石區(qū)3B料采用不同附加質(zhì)量塊不同連接情況下的測試成果見表3。

當改進后用磁鐵連接時，只要檢波器在附加質(zhì)量塊半徑中點以內(nèi)，其測試信號頻率和傳統(tǒng)絲牙直接連接時的信號頻率相對誤差都比較小，相對誤差最大值5.57%，最小值0.00%，平均值1.66%。

通過以上不同分區(qū)、不同最大粒徑料源在不同連接情況下的頻率分析，可得出如下結論：只要檢波器在附加質(zhì)量塊半徑中點以內(nèi)，其測試信號頻率和傳統(tǒng)絲牙直接連接時的信號頻率相對誤差都比較小。

表2 過渡區(qū)3A料測試信號頻率分析成果表Table 2 Analysis result of the test signal frequency for the 3A material in the transition area

4.3 方法改進后實測值與坑測值對比

梨園水電站大壩自2011年8月份開始填筑，隨即用附加質(zhì)量法開始進行檢測，至2013年6月份共檢測6 100點左右。附加質(zhì)量法數(shù)據(jù)采集按上述方法是從2012年1月開始，2012年1月～2013年5月共檢測5 029個點，此期間業(yè)主第三方試驗共進行坑測法669個點，將此期間附加質(zhì)量法與坑測法檢測成果匯總，得到成果表4。

從表4可看出，不同分區(qū)、不同料源的附加質(zhì)量法與坑測法的干密度相對誤差值非常小，相對誤差最大值2.00%，最小值0.08%，平均值0.93%。不同分區(qū)、不同料源的附加質(zhì)量法與坑測法干密度的

表3 主堆石區(qū)3B料測試信號頻率分析成果表Table 3 Analysis result of the test signal frequency for the 3B material in the main rockfill area

表4 附加質(zhì)量法檢測與坑測法檢測情況匯總表Table 4 Results by additional mass method and pit measurement method

標準差也十分接近，說明兩種方法測試成果的離散程度也非常接近。

5 結語

在附加質(zhì)量法測試中，對于檢波器與附加質(zhì)量塊的連接方式，通過對不同最大料徑料源、檢波器在不同位置等各種情況下的頻率分析，結果表明只要檢波器在附加質(zhì)量塊半徑中點以內(nèi)，改進后的磁鐵連接方式比傳統(tǒng)的絲牙連接方式具有更高的工作效率，也大大地減少了儀器設備的損傷率。通過兩年的現(xiàn)場實際測試數(shù)據(jù)分析，將改進后的附加質(zhì)量法與坑測法數(shù)據(jù)進行比對，也充分說明了改進后的附加質(zhì)量法與坑測法相對誤差非常小。附加質(zhì)量法檢波器連接方式的改進更加體現(xiàn)了準確、快捷、無損等特點。■

[1]李丕武，冷元寶，袁江華.堆石體密度測定的附加質(zhì)量法[J].地球物理學報,1999,42(3)：423-427.

[2]孫繼曾,范吉,陶惠珍,等.堆石壩壓實密度快速無損檢測新技術[J].水利水電技術,1996(1)：22-28.

[3]郭慶國,蔣華安.測原位密度的附加質(zhì)量法在小浪底工程中的應用與評價[J].水利水電科技進展,1999,19(5)：46-48.

[4]黃榮榮,宋先海.附加質(zhì)量法在清江水布埡面板堆石壩堆石體密度測定中的應用[J].水利水電快報,2003,24(7)：23-25.

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Improvement of data collection in application of additional mass method

LI Xian-gao,WANG Hong-yan,DU Ai-ming and YU Can-lin//Huaneng Lancang River Hydropower Co.,Ltd.

Additional mass method is fast,accurate and non-destructive for density measurement of rockfill body.Combined with the case of Liyuan hydropower station,the connection between detector and additional mass block is improved,in which magnetic connection is adopted instead of thread connection.In this way,efficiency is enhanced and the instruments are well protected.The practical application shows that the magnetic connection doesn't exert adverse influence on collection signal and the test result is not effected.

additional mass method;traditional connection;magnetic connection;comparison

TV523

A

1671-1092（2017）03-0026-06

2016-05-20；收回日期：2016-12-19

李先高（1981-），男，貴州遵義人，工程師，主要從事水電工程安全質(zhì)量及環(huán)保管理工作。

作者郵箱：bjjcwhy@163.com