守口堡水庫膠凝砂礫石壩密實度檢測方法研究

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

守口堡水庫為膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩，位于山西省陽高縣城西北約10km處的黑水河上游段，總庫容980萬m3，屬Ⅳ等小(1)型水庫。大壩主體采用砂礫石料(一般為就地取材)和膠凝材料以一定配合比，經(jīng)拌和、攤鋪、碾壓而成。上下游防滲保護(hù)均采用常態(tài)混凝土。

守口堡水庫大壩主體施工機械及施工碾壓工藝為：膠凝砂礫料采用JGL200專用設(shè)備拌和，15t自卸汽車運輸，SD16型履帶式推土機平料，SSR260單鋼輪大型振動碾壓機碾壓，鋪料厚度每層350～450mm，先無振動碾壓2遍，再振動碾壓6遍，邊角部位采用富漿膠凝砂礫石填筑，用手扶式振動碾碾壓，層間面鋪設(shè)一層1∶3的水泥砂漿，砂漿層厚15mm，采用通倉、連續(xù)碾壓澆筑。

混凝土碾壓質(zhì)量控制是碾壓混凝土施工質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié),直接關(guān)系到大壩安全。碾壓混凝土壓實度降低，混凝土強度會成倍降低，壓實度若下降1%，混凝土強度約下降8%～10%[1]，可見壓實度對碾壓混凝土壩強度的影響非常顯著。碾壓混凝土只有達(dá)到很高的相對壓實度，才能具有預(yù)期的強度、不透水性和拉伸應(yīng)變能力。目前,評定碾壓混凝土壩體壓實度常用的檢測方法主要有試坑灌水法、壓實計法和核子密度濕度儀法等。壓實度又稱夯實度，指的是土或其他筑路材料壓實后的干密度與標(biāo)準(zhǔn)最大干密度之比。為有效控制施工質(zhì)量，本文對守口堡膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩的干(濕)密度采用多種檢測方法進(jìn)行了試驗，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。

1 試驗方案

分別采用試坑灌水法、核子密度濕度儀法和切取立方體試塊稱重法對守口堡膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩試驗場進(jìn)行密度測量，將試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對比分析3種檢測方法在碾壓混凝土重力壩應(yīng)用中的優(yōu)缺點及可靠程度。

依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，確定試驗研究步驟如下：

a.選取與水庫大壩運輸距離相同的壩址上游河床位置作為試驗地點。試驗過程嚴(yán)格按照大壩主體碾壓施工工藝進(jìn)行，試驗時所用膠凝砂礫石料的配合比、拌和方式、養(yǎng)護(hù)方式都與大壩施工完全相同，試驗壩面積為11m×90m，分兩層碾壓。

b.待膠凝砂礫石試驗壩初凝后，隨機選擇3片試驗區(qū)域，在每個試驗區(qū)域先用MC-3型核子密度濕度儀測量，再用試坑灌水法進(jìn)行密度測量，最后從試驗區(qū)域內(nèi)切取立方體(尺寸約為350mm×350mm×350mm)試塊，對其進(jìn)行密度測量。

c.對上述3種檢測方法進(jìn)行優(yōu)缺點對比，對測量得到的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 密度測量試驗結(jié)果

2.1 核子密度濕度儀法測量試驗

核子密度濕度儀是利用同位素放射原理實時檢測土工建筑材料的密度和濕度的電子儀器。核子密度濕度儀的內(nèi)部安置兩種放射源，其中銫137伽馬源發(fā)出伽馬(γ)射線用來測量材料的密度，镅241/鈹中子源用來測量材料的H2O值。核子密度濕度儀測量的是材料的總原子量，即所測材料的總密度，不會受所測材料的化學(xué)成分和物理狀態(tài)的影響。H2O值測量時，中子源放射出的高能中子進(jìn)入所測材料后，所測材料中的高能中子和氫原子互相撞擊后速度減緩，這時儀器探頭內(nèi)的氦-3探測管接收了減速后的慢中子，慢中子的數(shù)量與所測材料中的氫原子數(shù)量成正比例關(guān)系，依據(jù)這個原理就可以準(zhǔn)確測量出所測材料的H2O值。核子密度濕度儀進(jìn)行密度和H2O值測量時，分別采用不同的數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)，使用不同的放射源和不同的射線接收器，因此密度和H2O值檢測互不影響。在中國常用的核子密度濕度儀有MC-S-24 雙桿分層核子密度濕度儀、MC-3核子密度濕度儀和501DR深層核子密度濕度儀[2]，其中MC-3核子密度濕度儀為淺層測量儀比較適合這次檢測試驗。

試驗用已經(jīng)標(biāo)定過的MC-3型核子密度濕度儀進(jìn)行測量。采用直接透射式測量，即在所測材料上打孔進(jìn)行測量，此法雖為有損測量，但測量的精度高。首先對試驗現(xiàn)場3個區(qū)域進(jìn)行整平處理，然后用沖擊鉆垂直向下鉆得直徑2cm、深30cm的孔，每個所選區(qū)域內(nèi)鉆取3個孔，共計9個孔，鉆好后，嚴(yán)格按照核子密度濕度儀操作步驟進(jìn)行測量。

將事先標(biāo)定好的MC-3型核子密度濕度儀預(yù)熱約10min，放射源棒擰出，插入已預(yù)先鉆好的孔內(nèi)，按下開始檢測按鈕，迅速撤到距儀器2m以外的地方，按照設(shè)定的檢測時間進(jìn)行測量(一般設(shè)定為1min)，到達(dá)測定時間后，讀取顯示的各項數(shù)值，并迅速關(guān)機。每個區(qū)域測取3個孔，求得干密度的平均值，測量數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。核子密度濕度儀操作簡單、快速。

2.2 試坑灌水法測量試驗

試驗對三個區(qū)域分別進(jìn)行測量，所用工具主要有鐵環(huán)(外直徑150cm，內(nèi)直徑138cm，高20cm)、水位測針、電子秤(稱重在50kg，精確到g)、儲水桶、邊長大于3m完整結(jié)實的薄塑料布(塑料布大小與試坑相適應(yīng))。

表1 核子密度濕度儀法測量結(jié)果

試坑灌水法具體試驗步驟為：在挖坑前，將鐵環(huán)平穩(wěn)放好，在試坑頂做灌水試驗兩次，用水位測針測試兩次，使灌水量誤差控制在不大于1%的范圍內(nèi)，記錄灌水量(M1)、水位測針的位置和讀數(shù)。由于膠凝砂礫石碾壓混凝土石塊直徑大小不一，開挖困難，試坑開挖直徑約100cm，深度40～60cm,將挖出的石料和砂漿料分別稱重計量(M2)，然后取樣裝袋密封保存，送至實驗室進(jìn)行含水量測試和密度計算。將塑料布平鋪并緊貼試坑內(nèi)側(cè)(塑料布要超出鐵環(huán))，一邊把稱量過的水倒入試坑，一邊把塑料布與試坑之間的空氣排盡，保證試驗的準(zhǔn)確性，當(dāng)達(dá)到?jīng)]有挖坑前水位側(cè)針的讀數(shù)位置時停止灌水，記錄總灌水量(M3)。試坑體積V=(M3-M1)/ρ水，濕密度ρ=M2/V,經(jīng)過試驗測算，得到的試坑部位密度數(shù)據(jù)見表2。試坑灌水法用時較長，一般一天測量2個試驗點，影響工程施工進(jìn)度。

表2 試坑灌水法測量結(jié)果

2.3 切取立方體試塊稱重法測量試驗

為使試驗順利進(jìn)行，可以切割得到完整的膠凝砂礫石試塊，必須在膠凝砂礫石混凝土達(dá)到一定的強度后進(jìn)行試驗，又因為守口堡水庫膠凝砂礫石設(shè)計強度要求為180天達(dá)到6MPa，所以對試驗壩進(jìn)行養(yǎng)護(hù)達(dá)到180天后開始切割試塊。試驗采用大型專業(yè)切割機，分別在三個試驗區(qū)域切取立方體試塊(尺寸約為350mm×350mm×350mm)，在實際切割過程中由于試塊體積較大，若尺寸不太規(guī)整，試塊尺寸有所偏差，應(yīng)進(jìn)行后期打磨加工,再進(jìn)行密度測量。在測量過程中，先計算出立方體試塊體積，然后對立方體試塊稱重，最后用壓力機將其壓碎，取部分碎料測含水率。試驗結(jié)果見表3。切取立方體試塊稱重法工程量大，不僅費工費時，而且需要專業(yè)設(shè)備切割，條件高、周期長、破壞性大。

表3 切割立方體試塊稱重法測量結(jié)果

3 試驗結(jié)果對比分析

對上節(jié)三種檢測干密度數(shù)據(jù)匯總后，繪制不同檢測方法的干密度對比圖，見圖1。

圖1 不同檢測方法的干密度對比

在利用不同檢測方法對守口堡膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩進(jìn)行密度檢測試驗的過程中可以看出：核子密度濕度儀法用時短，方便且易于操作；試坑灌水法比較費工費時，對工程施工進(jìn)度有一定的影響；切取立方體試塊稱重法工程量大，不僅費工費時而且切割所需要的條件高、周期長，不適合碾壓混凝土施工的及時檢測。

分析試驗數(shù)據(jù)可知：3種檢測方法數(shù)據(jù)非常接近，干密度平均值也基本一致，其中核子密度濕度儀法檢測碾壓混凝土重力壩不僅操作簡單用時短，而且試驗數(shù)據(jù)可靠。

4 結(jié) 語

利用3種檢測方法對守口堡膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩的密度進(jìn)行檢測，相互驗證，試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。切取立方體試塊稱重法費工費時且周期長破壞性大，不適合在碾壓混凝土工程中進(jìn)行干密度檢測，但在本次試驗中此法可起到驗證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的作用；試坑灌水法雖然數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但用時長，影響工程施工進(jìn)度；核子密度濕度儀法檢測碾壓混凝土不僅操作簡單、用時短，而且試驗數(shù)據(jù)可靠。因此，在碾壓混凝土的施工質(zhì)量控制中可以廣泛應(yīng)用核子密度濕度儀進(jìn)行密度檢測。