探析灌水法檢測堆石壩填筑質(zhì)量的影響因素與誤差控制

王 紅，古今用，張 濤

(1.貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550001；2.貴州資環(huán)工程勘察設(shè)計有限公司，貴州 貴陽 550001)

堆石壩填筑質(zhì)量直接影響工程質(zhì)量與大壩安全，而密度作為衡量堆石壩填筑工程質(zhì)量的重要參數(shù)，在堆石壩填筑質(zhì)量評價中占有重要地位[1]。測定堆石壩填筑密度的方法較多，又以灌水法的使用率最高，該方法不僅操作簡單，且結(jié)果準(zhǔn)確，但在檢測過程中容易受到多種因素影響產(chǎn)生誤差[2]。本文以下把比水庫堆石壩填筑密度檢測為實(shí)例，以灌水法檢測堆石壩填筑質(zhì)量試驗(yàn)原理與步驟為基礎(chǔ)，分析影響試驗(yàn)結(jié)果的影響因素，并給出了相應(yīng)的誤差控制措施，旨在明確影響因素的前提下，制定有效的誤差控制措施，從而提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

下把比水庫位于龍里縣東北部，距離龍里縣約55km，距離洗馬鎮(zhèn)約6km。水庫位于洗馬河支流沙田溪溝上，壩址集雨面積4.5km2，多年平均徑流量234萬m3，多年平均流量為0.074m3/s。

水庫校核洪水位1204.33m，總庫容181萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。水庫正常蓄水位為1202.00m，相應(yīng)庫容164萬m3，死水位1171.00m，相應(yīng)庫容18.8萬m3，興利庫容145.2萬m3。下把比水庫壩型為面板堆石壩，壩軸線方位角為N4.651°E，壩頂高程為1205.30m，大壩趾板基礎(chǔ)置弱風(fēng)化上部，河床趾板建基面高程為1148.00m，最大壩高57.3m。壩頂寬6.0m，上下游壩面坡比均為1∶1.4，壩頂軸線長145.8m。大壩采用右岸岸坡開敞式溢洪道泄洪，堰頂高程1202.00m，堰寬8m，取水建筑物布置于右岸。

2 灌水法試驗(yàn)原理與步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

灌水法作為壩體填筑質(zhì)量的一種最基礎(chǔ)的密度測定方法，廣泛應(yīng)用于控制壩體填筑質(zhì)量中[3]。此法在依據(jù)相關(guān)技術(shù)要求下進(jìn)行試坑開挖、土料的稱重，土料含水率、干質(zhì)量以及試坑體積的測定等，最后利用干質(zhì)量與試坑體積的比值作為此次堆石壩填筑的干密度。根據(jù)DL/T5129—2001《碾壓式土石壩施工規(guī)范》，灌水法操作過程中涉及的主要儀器及設(shè)備包括套環(huán)、臺秤、薄膜以及溫度計等。

2.2 試驗(yàn)步驟

(1)檢測地點(diǎn)選定及率定。依據(jù)設(shè)計或DL/T5129—2001規(guī)定選定檢測地點(diǎn)后，將套環(huán)固定在所檢測位置，并鋪設(shè)薄膜后注水，注水結(jié)束后，記錄水位測針讀數(shù)、所注水的質(zhì)量以及水溫等數(shù)據(jù)[4]。

(2)試坑的開挖。將套環(huán)內(nèi)的水排干，并將薄膜取出，依據(jù)DL/T5129—2001技術(shù)要求進(jìn)行試坑開挖。在套環(huán)開挖直徑相對較小的試坑，然后向外緩慢修整試坑的尺寸直至完全符合規(guī)范，隨即對挖出的試料進(jìn)行稱量。此次墊層料試坑直徑為最大粒徑的4倍，試坑深度為碾壓厚度；過渡料試坑直徑為最大粒徑的3～4倍，試坑深度為碾壓厚度；堆石料試坑直徑為最大粒徑的2～3倍，試坑直徑最大不超過2m。特別要求試坑開挖過程中，注意開挖力度，不得擠壓坑壁，不與套環(huán)發(fā)生碰撞，試坑開挖結(jié)束后鋪設(shè)薄膜[5]。

(3)灌水法測試坑體積。向試坑內(nèi)注水，同時記錄注水質(zhì)量，當(dāng)注水達(dá)到預(yù)定水位位置時，以水位測針針尖與水面接觸的位置為準(zhǔn)，記錄試坑水總量與水溫。需要注意的是，在注水的同時，對塑料薄膜進(jìn)行撫平，盡可能消除塑料薄膜與試坑壁之間的空隙，仔細(xì)觀察塑料薄膜是否存在漏水情況，若存在漏水情況則立即停止注水，將試坑中水排干后，換新塑料薄膜后繼續(xù)注水，此外，不要流到套環(huán)外，以免影響注水體積。

(4)含水率的測定。分別小于20mm與20～100mm的試樣進(jìn)行含水率的測定，試樣大于100mm的含水率可以忽略不計。

(5)待所有現(xiàn)場檢測工作完成后，將土料混合填筑到試坑中，碾壓直至密實(shí)。

3 試驗(yàn)影響因素與誤差控制

3.1 下把比水庫灌水試驗(yàn)結(jié)果

下把比水庫壩體填筑共檢測樣品9個，墊層料、過渡料、堆石料各3個。檢測結(jié)果見表1—3和圖1—3。從檢測結(jié)果來看，所檢測的9個樣品的干密度、孔隙率與墊層料的滲透系數(shù)均滿足設(shè)計指標(biāo)要求；而墊層料XBBSK-DLC1#試坑小于5mm，顆粒含量不滿足要求，如圖1所示，3個樣品試坑小于0.075mm顆粒含量也不滿足設(shè)計指標(biāo)要求。根據(jù)SL49—2015《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》：“取樣所測定的干密度，其平均值不小于設(shè)計值，標(biāo)準(zhǔn)差不宜大于0.05g/cm3。當(dāng)樣本數(shù)小于20組時，應(yīng)按合格率不小于90%，不合格點(diǎn)的干密度不低于設(shè)計干密度的95%控制”，本次下把比水庫填筑檢測的試坑墊層料、過渡料、主堆石料組數(shù)均小于20組，合格率為100%，滿足規(guī)范合格率90%的要求，干密度評價為合格。

圖1 墊層料顆粒大小分布圖

表1 墊層料試驗(yàn)結(jié)果

此外，除了對該試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，還應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果影響因素進(jìn)行分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而提出盡可能減小其誤差的控制措施。

表2 過渡料試驗(yàn)結(jié)果

圖2 過渡料顆粒大小分布圖

表3 堆石料試驗(yàn)結(jié)果

圖3 堆石料顆粒大小分布圖

3.2 試驗(yàn)影響因素與誤差控制

3.2.1挖坑過程影響測試精度因素分析與控制

(1)試坑開挖是在套環(huán)內(nèi)進(jìn)行的，前期應(yīng)該對套環(huán)進(jìn)行固定，固定后不允許移動或者擾動，開挖時不能與套環(huán)發(fā)生碰撞，否則會大大影響測試的精度[6]。此外值得注意的是，在挖坑時應(yīng)由中心開始不斷向下挖出直徑相對較小的試坑，然后再緩慢向外增加試坑直徑，直至試坑開挖達(dá)到規(guī)定要求為止。如果挖坑過程中遇大塊石，將其周圍的細(xì)料挖出后，可借助扒桿將其從試坑中移出；當(dāng)塊石過大時，對其量好尺寸后進(jìn)行分解與開挖，總重計入該塊石顆粒粒徑篩余量[7]。

(2)試坑尺寸需要根據(jù)粒徑來確定[8]。試坑尺寸受堆石體填料最大粒徑的影響，由于其顆粒較多、分布不均勻等造成檢測結(jié)果與實(shí)際值差異較大，碾壓過后的堆石體一般呈現(xiàn)上密下松的情況，試坑深度太淺，造成密度檢測值偏大。故根據(jù)相關(guān)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)，試坑直徑應(yīng)不小于坑內(nèi)壩料最大粒徑的3倍，其中，墊層料4倍，過渡料3～4倍，主堆石區(qū)2～3倍。

(3)試坑形狀應(yīng)近似呈U字形，試坑壁形狀的規(guī)整度則會對坑壁與塑料薄膜的貼合度造成影響，從而影響測試結(jié)果精度。故當(dāng)試坑開挖接近U字形時，注意開挖力度，緩慢并仔細(xì)進(jìn)行修正，直至符合規(guī)范要求為止[9]。如果遇見塊石分布而影響試坑形狀，導(dǎo)致坑壁極不規(guī)整或者越出套環(huán)外時，從而導(dǎo)致塑料薄膜無法與坑壁貼合，造成對測試精度的影響，故此試坑應(yīng)予廢棄，重新選擇測點(diǎn)[10]。

3.2.2材料誤差分析與控制

(1)套環(huán)。套環(huán)剛度不夠、用鋼材料不足等原因，在試驗(yàn)中易產(chǎn)生變形或者滑移；此外，在套環(huán)高度達(dá)不到要求的情況下，會導(dǎo)致所注水量有所偏差，同時影響塑料薄膜與套環(huán)壁間的貼合度。這些因素均會影響試驗(yàn)精度，因此，試驗(yàn)前期應(yīng)對套環(huán)的剛度、高度以及原材料檢測，以確保套環(huán)質(zhì)量達(dá)到試驗(yàn)要求。建議采用#20槽鋼來進(jìn)行套環(huán)加工，以達(dá)到試驗(yàn)要求[11]。

(2)水位測針。在試驗(yàn)中，通常一些檢測單位不使用測針，將水灌滿套環(huán)時直接用肉眼觀察，測試過程極為隨意，直接影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在試驗(yàn)過程中，應(yīng)選擇水工模型試驗(yàn)用的水位測針，測針精度要求達(dá)到0.1mm以上，這樣才能確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性[12]。

(3)塑料薄膜。試驗(yàn)中用于測量體積的塑料薄膜的選擇同樣會影響試驗(yàn)精度，特別是塑料薄膜的材質(zhì)與膜厚。塑料薄膜太厚，則會影響其與試坑壁間的貼合度，造成脫空，所測得的試坑體積偏小，導(dǎo)致密度測量結(jié)果偏大[13]。塑料薄膜太薄易損壞，造成漏水，從而致使試驗(yàn)無法繼續(xù)。所以，一般采用厚度為0.1mm、柔性良好的聚乙烯塑料薄膜，但測試結(jié)果與實(shí)際值相比偏小，因此，需要對其進(jìn)行校正，校正公式為：

(1)

式中，V—試坑體積，cm3；m1—套環(huán)中注水的質(zhì)量，g；m2—試坑與套環(huán)的注水總質(zhì)量,g；K—校正系數(shù)；ρw—水密度,g/cm3[14]。

塑料薄膜在鋪設(shè)過程中也要仔細(xì)，理順?biāo)芰媳∧さ鸟薨櫍送?，在灌水過程中應(yīng)在注水的同時排空塑料薄膜與坑壁之間的氣體，避免塑料薄膜與試坑壁間存在脫空。

(4)臺秤。實(shí)驗(yàn)精度受臺秤的影響最大，其中臺秤精度、擺放位置等對稱量結(jié)果造成影響[15]。因此，要定期對臺秤進(jìn)行檢查、維護(hù)及校準(zhǔn)，在使用前期應(yīng)選擇精度滿足要求的臺秤，特別是機(jī)械臺秤，應(yīng)及時做好臺秤的基本檢查與維護(hù)。此外，在試驗(yàn)過程中臺秤必須放置平穩(wěn)，減少移動，因稱量次數(shù)越多，累積誤差則越大，故稱量時應(yīng)盡量仔細(xì)，防止漏稱或者重復(fù)稱量等，每次稱量結(jié)束后，應(yīng)將容器中的泥土傾倒干凈，確保臺秤對試驗(yàn)精度的影響減到最小。另外，當(dāng)含水量較大時，少量的泥土?xí)车椒Q量所用的筐壁，因此，稱量時應(yīng)注意當(dāng)筐前后的質(zhì)量差為1kg時，應(yīng)及時更換稱量筐或者將筐壁泥土除去。

(5)試驗(yàn)用水。在試驗(yàn)過程，因試坑體積較大，注水量較多，水的密度與水體積的測量精度同樣會影響試驗(yàn)結(jié)果，因此，應(yīng)盡量選擇無雜質(zhì)的純凈水作為試驗(yàn)用水，且使用精度高的流量計測水體積或者臺秤測水的質(zhì)量；此外，也可使用儲水箱來測水體積，同時測量水的溫度，然后對水的密度進(jìn)行換算[16]。

3.2.3水位測量時的誤差分析與控制

測針應(yīng)盡量細(xì)而尖，這樣容易觀察測針針尖與水面接觸時的接觸點(diǎn)，確保參考水平面在試驗(yàn)過程中依舊保持一致。在試驗(yàn)過程中，禁止觸碰測針，避免水位變化而影響試坑體積。此外，在試驗(yàn)過程中，因挖坑時間較長，很難避免會觸碰到水位測針，影響水位測針的位置，故建議采用雙水位測針記錄水位，同時盡量保持同一個人同一個視角來觀察，確保試坑體積誤差減小到最小。

4 結(jié)語

試坑灌水法作為最基本的密度檢測方法，廣泛應(yīng)用于壩體填筑質(zhì)量檢測中。灌水法檢測堆石壩填筑密度時，結(jié)果會受到諸多因素的影響，絕大部分因素會造成所測試試坑體積偏小，干密度偏大，其檢測結(jié)果可能會合格，但實(shí)際上未達(dá)到設(shè)計要求而出現(xiàn)誤判的情況，如此，直接造成工程質(zhì)量安全。本文通過對檢測結(jié)果分析，總結(jié)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在試驗(yàn)操作中，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)具有高度責(zé)任感，嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求執(zhí)行操作，對其檢測結(jié)果仔細(xì)分析求證，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性及準(zhǔn)確性。此外，每次試驗(yàn)過后應(yīng)及時總結(jié)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，多交流、多思考、多試驗(yàn)，以確保在試驗(yàn)中最大限度地避免或減少操作中的誤差。