兩河口水電站大壩工程招標(biāo)階段填筑料核子密度儀快速檢測(cè)方法研究

施召云，張登平

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司兩河口建設(shè)管理局，四川雅江627450)

兩河口水電站大壩工程招標(biāo)階段填筑料核子密度儀快速檢測(cè)方法研究

施召云，張登平

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司兩河口建設(shè)管理局，四川雅江627450)

堆石壩工程中細(xì)料壓實(shí)度、粗料孔隙率是施工質(zhì)量控制的一個(gè)重要指標(biāo)。從保證測(cè)試精度角度而言，應(yīng)采用大粒徑大試坑人工檢測(cè)為主；但從工程施工角度而言，為加快施工進(jìn)度，減少因質(zhì)量檢測(cè)影響施工時(shí)間，檢測(cè)試坑不宜過(guò)大；因此，施工質(zhì)量檢測(cè)要求與現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度要求存在一定的矛盾。為解決這一矛盾，兩河口水電站大壩工程在招標(biāo)階段碾壓試驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)展了一系列施工質(zhì)量快速檢測(cè)方法研究。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，對(duì)核子密度儀法在摻礫土料、堆石料施工質(zhì)量檢查中的運(yùn)用進(jìn)行了介紹。

礫土料；堆石料；核子密度儀法；礫石土心墻堆石壩；兩河口水電站

1 工程概況

兩河口水電站是雅礱江中下游的控制性工程，壩址控制流域面積6.57萬(wàn)km2，壩址處多年平均流量666 m3/s。水庫(kù)正常蓄水位2 865 m，相應(yīng)庫(kù)容101.54億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站裝機(jī)容量3 000 MW，多年平均發(fā)電量110.00億kW·h，工程為一等大(1)型工程。擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程2 875.00 m，最大壩高295.00 m，壩頂寬度16.00 m，為世界在建的最高的土石壩。上游壩坡坡比1∶2.0，下游壩坡坡比1∶1.9。大壩總填筑方量約4 160.50萬(wàn)m3，其中心墻摻礫土料441.14萬(wàn)m3、堆石料2 939.14萬(wàn)m3。

堆石壩工程的細(xì)料壓實(shí)度、粗料孔隙率是施工質(zhì)量控制的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于最大粒徑≤300 mm粗堆石土的密度測(cè)試方法，根據(jù)NB/T 35016—2013《土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程》[1]、DL/T5355—2006《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[2]、DL/T5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》[3]、SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[4]、DL/T5010—2005《水電水利工程物探規(guī)程》[5]、SL275—2001《核子水分-密度儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》[6]等相關(guān)規(guī)范規(guī)程中試坑尺寸(直徑和深度)規(guī)定為介質(zhì)最大粒徑的3～5倍。從保證測(cè)試精度角度而言，應(yīng)采用大粒徑大試坑人工檢測(cè)為主；但從工程施工角度而言，為加快施工進(jìn)度，減少因質(zhì)量檢測(cè)影響施工時(shí)間，檢測(cè)試坑不宜過(guò)大；因此，施工質(zhì)量檢測(cè)要求與現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度要求存在一定的矛盾。長(zhǎng)期以來(lái)，專業(yè)工程技術(shù)人員探索研究，試圖尋求一種準(zhǔn)確、快捷的方法解決這一問(wèn)題。在兩河口水電站大壩工程招標(biāo)階段碾壓試驗(yàn)過(guò)程中，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)行對(duì)比分析。

2 核子密度儀法工作原理與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)方法

圖1 常見(jiàn)核子密度濕度儀結(jié)構(gòu)示意

2.1 儀器工作原理

2.1.1 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(jiàn)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(chǎng)檢測(cè)要求。圖1為常見(jiàn)核子密度濕度儀結(jié)構(gòu)示意。

2.1.2 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(guò)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(guò)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，通過(guò)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[7]。

2.1.3 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。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)方法

2.2.1 反射法

(1)表面反射法。表面反射法是用淺層核子密度濕度儀對(duì)薄層材料或者材料表層進(jìn)行檢測(cè)的方法，能夠檢測(cè)介質(zhì)表層的密度和含水量值，并可以與透射法檢測(cè)數(shù)據(jù)建立折線圖和差值表來(lái)反映表層碾壓密度與層內(nèi)碾壓密度的差值大小，從而判斷表層碾壓的效果優(yōu)劣?，F(xiàn)場(chǎng)使用儀器為美國(guó)CPN公司生產(chǎn)的MC-3C型核子密度濕度儀。現(xiàn)場(chǎng)操作是將儀器置于被檢測(cè)體表面，密封源位于儀器底部的封閉室內(nèi)，部分射線經(jīng)過(guò)被測(cè)體散射到檢測(cè)器接收器，這樣可以測(cè)量表面約7 cm厚的平均密度。因?yàn)閷?duì)被測(cè)體完全無(wú)損，也稱無(wú)損檢測(cè)法。這種方法主要用于土基施工過(guò)程中的驗(yàn)收。壓好的、平整的土基表面，不會(huì)因檢測(cè)造成損害，且檢測(cè)精度較高。

(2)鉆孔反射法。鉆孔反射法是用深層核子密度濕度儀對(duì)材料較深層部位進(jìn)行檢測(cè)的方法，檢測(cè)深度最大可達(dá)10 m。現(xiàn)場(chǎng)使用儀器為美國(guó)CPN公司生產(chǎn)的501DR深層核子密度濕度儀。檢測(cè)時(shí)需要在檢測(cè)填筑料中鉆檢測(cè)孔，成孔后在檢測(cè)孔中插入檢測(cè)導(dǎo)管以便放入檢測(cè)探頭。

2.2.2 鉆孔透射法

(1)單孔透射法。單孔透射法是用淺層核子密度濕度儀對(duì)材料進(jìn)行透射檢測(cè)的方法，現(xiàn)場(chǎng)使用儀器為美國(guó)CPN公司生產(chǎn)的MC-3C型核子密度濕度儀。檢測(cè)工作前首先用導(dǎo)板確定檢測(cè)點(diǎn)位置，再使用儀器配套專用鈦合金鉆桿、鐵錘在檢測(cè)點(diǎn)處人工錘擊造孔，孔徑為φ18 mm、深度為30 cm。取出鉆桿并拿走導(dǎo)板，最后將帶有密封源不銹鋼探桿放置在檢測(cè)孔孔底，同時(shí)將核子密度儀安置在檢測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行壓實(shí)密度、含水量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)束后記錄數(shù)據(jù)，移動(dòng)復(fù)合放射源至下一點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。使用MC-3C型核子密度濕度儀進(jìn)行單孔透射法檢測(cè)，可按照5 cm的間距檢測(cè)從地表至地下最大30 cm深度范圍被檢測(cè)材料壓實(shí)密度和含水量。單孔透射法具有儀器操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率高，穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

(2)雙孔透射法。雙孔透射法是使用雙桿分層核子密度濕度儀檢測(cè)兩孔之間的材料密度和含水量的檢測(cè)法，現(xiàn)場(chǎng)使用儀器為美國(guó)CPN公司生產(chǎn)的MC-S-24型核子密度儀。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)在檢測(cè)填筑料中鉆2個(gè)檢測(cè)孔，孔間距為30 cm，孔徑為φ18 mm，最大深度為60 cm。該儀器密度源和密度探測(cè)器分別密封在2個(gè)探桿的端頭，2根探桿同步伸入到檢測(cè)材料中，檢測(cè)兩探桿之間每層材料的平均密度和含水量。儀器可對(duì)材料表面至表面以下60 cm深度范圍進(jìn)行間隔為5 cm的分層測(cè)量。雙孔透射法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，對(duì)材料的平整度沒(méi)有要求，采用兩平行探桿，可進(jìn)行垂直分層檢測(cè)，檢測(cè)碾壓層間部位的質(zhì)量。

3 核子密度儀法試驗(yàn)研究成果

核子密度儀法質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)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(guò)與傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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。

3.1 防滲摻礫土料

每個(gè)碾壓層在附加質(zhì)量發(fā)與地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)完成后，選取其中3個(gè)位置分別做表面反射法與鉆孔透射法檢測(cè)。

結(jié)合碾壓試驗(yàn)不同料場(chǎng)土料、各場(chǎng)次、各層核子密度儀法，從鋪土厚度和碾壓遍數(shù)、含水率比選等專項(xiàng)試驗(yàn)中，通過(guò)含水率(干密度)與碾壓遍數(shù)變化關(guān)系、含水率(干密度)與鋪層厚度變化關(guān)系及干密度、含水率與加水量變化關(guān)系等方面進(jìn)行綜合分析，其規(guī)律與坑測(cè)法基本一致，各檢測(cè)成果誤差值較小。土料表面反射法濕密度平均值和干密度平均值均小于透射法和挖坑法檢測(cè)值，說(shuō)明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0.03 g/cm3，濕密度平均值之間的差值為0.04 g/cm3。通過(guò)結(jié)論對(duì)比分析，核子密度儀法較能適應(yīng)于摻礫土料施工質(zhì)量的檢測(cè)評(píng)定。

3.2 堆石料研究成果分析

每個(gè)碾壓層在附加質(zhì)量發(fā)與地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)完成后，選取其中3個(gè)位置分別做表面反射法與鉆孔透射法檢測(cè)。

堆石料采用振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓試驗(yàn)主要包含碾重選擇試驗(yàn)、層厚與碾壓遍數(shù)選擇試驗(yàn)、加水量比選試驗(yàn)、復(fù)核試驗(yàn)等各場(chǎng)次專項(xiàng)試驗(yàn)，從鋪土厚度和碾壓遍數(shù)、含水率比選等專項(xiàng)試驗(yàn)中，通過(guò)含水率(干密度)與碾壓遍數(shù)變化關(guān)系、含水率(干密度)與鋪層厚度變化關(guān)系及干密度、含水率與加水量變化關(guān)系等方面進(jìn)行綜合分析，其規(guī)律與坑測(cè)法基本一致，但各檢測(cè)成果誤差值較大。干密度平均值之間的差值為0.11 g/cm3，濕密度平均值之間的差值為0.15 g/cm3。通過(guò)結(jié)論對(duì)比分析，核子密度儀法不太能適應(yīng)于堆石料施工質(zhì)量的檢測(cè)評(píng)定。

3.3 研究成果分析評(píng)價(jià)

(1)防滲摻礫土料、堆石料核子密度儀法檢測(cè)成果與坑測(cè)法檢測(cè)成果均能建立一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從檢測(cè)成果誤差方面看，防滲摻礫土料子密度儀法檢測(cè)結(jié)果與坑測(cè)法檢測(cè)結(jié)果關(guān)聯(lián)性較好。

(2)核子密度儀檢測(cè)法基本適用于大壩填筑土料及石料的施工碾壓質(zhì)量快速檢測(cè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)密度和水分檢測(cè)對(duì)碾壓施工過(guò)程和質(zhì)量進(jìn)行控制。

(3)核子密度法在測(cè)試過(guò)程中針對(duì)不同的測(cè)試條件，分表面反射法、單孔透射法法、雙孔透射法、單孔反射法。單孔透射法、雙孔透射法可針對(duì)土料進(jìn)行快速檢測(cè)。單孔反射法具有能夠檢測(cè)深層介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，在鋪層較厚的石料碾壓試驗(yàn)中彌補(bǔ)了淺層核子密度儀可檢測(cè)深度有限的問(wèn)題，能夠滿足石料碾壓試驗(yàn)的檢測(cè)需要。表面反射法可在土料、石料碾壓表面針對(duì)表層碾壓質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，但深層檢測(cè)中相對(duì)誤差較大。

4 結(jié) 語(yǔ)

兩河口水電站大壩工程招標(biāo)階段現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)階段，結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程，開(kāi)展了較為詳盡的核子密度法研究工作，通過(guò)在不同性狀土體、堆石體中的各測(cè)點(diǎn)與坑測(cè)法成果進(jìn)行一一對(duì)比分析，得出了核子密度法與坑測(cè)法的成果差異值對(duì)比分析和差異率分析，雖然在檢測(cè)成果絕對(duì)值上存在一定差異，但總體檢測(cè)規(guī)律、成果評(píng)價(jià)是一致的，能作為施工質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)。核子密度法檢測(cè)施工時(shí)間短，且對(duì)填筑體不造成破壞影響，充分體現(xiàn)了快速、無(wú)破壞、較準(zhǔn)確的特點(diǎn)，作為均質(zhì)物質(zhì)、淺層檢測(cè)的快速檢測(cè)方法較優(yōu)，可為實(shí)施階段大壩填筑施工及同類工程建設(shè)提供了良好的借鑒。

[1] NB/T 35016—2013 土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[2] DL/T5355—2006 水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[3] DL/T5356—2006 水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[4] SL237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[5] DL/T5010—2005 水電水利工程物探規(guī)程[S]．

[6] SL275—2001 核子水分—密度儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程[S]．

[7] 李克友, 孫知賢, 杜松. 核子密度儀在土石回填壓實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 貴州水力發(fā)電, 2012, 26(1)： 71- 75．

StudyonNuclearDensityGaugeFastDetectionMethodofFillingMaterialfortheDamProjectofLianghekouHydropowerStationinBiddingStage

SHI Zhaoyun, ZHANG Dengping

(Lianghekou Construction Management Bureau, Yalong River Basin Hydropower Development Co., Ltd., Yajiang 627450, Sichuan, China)

The compaction degree of coarse material and the porosity of rough material are important index of construction quality control in rockfill dam project. From the point of view of ensuring the accuracy of detection, it should be based on manual detection of large-particle large-size test pit, but in order to speed up construction schedule and reduce the influence of quality inspection on construction duration, the test pit should not be too large. Therefore, there is a certain contradiction between the requirements of construction quality inspection and on-site construction progress. For solving this problem, a series of rapid inspection methods for construction quality are carried out based on on-site rolling compaction tests in the bidding stage of dam project of Lianghekou Hydropower Station. Based on on-site rolling compaction tests, the application of nuclear density gauge in construction quality inspection of gravel material and rockfill material rolling are introduced．

gravel material; rockfill material; nuclear density gauge method; gravel soil core wall rockfill dam; Lianghekou Hydropower Station

TV523;TV641.41

A

0559- 9342(2017)09- 0062- 03

2017- 03- 04

施召云(1979—)，男，四川大竹人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事水利水電工程施工技術(shù)與建設(shè)管理方面的工作．

(責(zé)任編輯王 琪)