基于瞬態(tài)瑞利波檢測技術的水庫土石壩壩體填筑質量研究

李金峰

(桓仁世元工程質量檢測有限公司，遼寧 本溪 117200)

0 引 言

水庫土石壩的安全施工與填筑質量檢測之間存在密切關系，當前最為常見的檢測方法有現(xiàn)場鉆孔、挖坑試驗等技術。然而，這些方法存在破壞性強、耗資大、費時費力、代表性低及檢測效率低等特點，對土石壩填筑速度和工程施工產(chǎn)生明顯的制約作用。為了從根本上解決常規(guī)檢測技術存在的問題，非常有必要發(fā)展形成一種無損、簡便、經(jīng)濟、快速的檢測技術。當前，傳統(tǒng)的土石壩壩體填筑質量檢測技術已無法適應水利水電工程建設發(fā)展的新要求[1]。因此，本研究結合壩體填筑質量檢測實踐經(jīng)驗探討了瞬態(tài)瑞利波檢測技術原理，通過對瞬態(tài)瑞利波檢測技術的研究分析了填筑材料的質量狀況和波速特征，在此基礎上提出瑞利波反演分析結果和各測點頻散曲線；根據(jù)現(xiàn)場取樣實驗室檢測數(shù)據(jù)和瞬態(tài)瑞利波檢測的干密度值，揭示了波速與干密度之間的關系，以期為水庫土石壩施工質量監(jiān)控及無損檢測提供一種新的技術手段[2-10]。

1 土石壩壩體填筑質量檢測方法

1.1 技術原理

瞬態(tài)瑞利波檢測是一種綜合應用波的動力學、運動學等特征實現(xiàn)材料質量檢測的新方法。在瞬態(tài)激振作用下，將形成一種垂直于自由界面的波型，在傳播過程中波的質點震動界面垂直于波傳播方向，且隨著深度的增大振波呈指數(shù)型衰減區(qū)級，質點在震動軌跡為沿傳播方向上作橢圓形逆時針或順時針轉動。工程質量檢測與瑞利波有關的特征為瞬態(tài)瑞利波檢測技術的根本依據(jù)，主要包括3個方面，即：①瑞利波在分層介質中的頻散特性較為顯著，所以瑞利波波速在不同地質分界層處存在較大變化，由此實現(xiàn)準確分層工程地質的目標；②瑞利波的穿過深度因波長的不同而不同，地層深度低于某一1/2波長的物性與該波長的波速密切相關，按照此關系可對地質層厚度及深度測定；③介質的物理力學性質為決定瑞利波在介質中傳播速度的重要因素，介質的存在狀態(tài)和物理力學特性可以利用瑞利波速度值的大小反映，并作為介質密度值的主要判定依據(jù)。

1.2 工作方法

通過人工的方式將瞬時沖擊力施加于地面，能夠在地面附近形成由多個簡諧波組成的一定頻率區(qū)間的瞬態(tài)瑞利波，這些簡諧波以一定的相速度vR脈沖式向前傳播，在疊加作用下每一諧波的vR為頻率f的函數(shù)。采用炸藥、落重或錘擊作為震源，選取單排列多道觀測系統(tǒng)為瞬態(tài)瑞利波檢測的工作方法。根據(jù)檢測區(qū)物性條件、地勢地貌和地質特征，合理選擇儀器工作參數(shù)、各道之間的距離、激振方式、傳感器主頻、第1道傳感器與激振點的偏移距離等，為獲取最佳的觀測效果選取合適的瑞利波觀測窗口。

沿傳播方向將用于觀測的多道檢波器布置于檢測地面，通過處理所收集的各現(xiàn)場測點信息，按照不同的頻率對各測點的瑞利波進行分離處理，在此基礎上建立瑞利波頻散曲線，即隨著深度的變化瑞利波波速曲線。采用反演分析法對各測點的實測頻散曲線分析，通過各測點速度層位的準確劃分，求解出各層介質中每一測點的瑞利波速度值VR。土石壩壩體不同部位的填筑質量按照壩體中每個測點的頻散曲線分析確定，如壩基-壩體的接觸情況、填筑材料的均勻性及密實性等。根據(jù)頻散曲線的異常情況描述壩基壩體接觸效果及填筑材料的均勻性、密實性等，如判定離散性、低速拐點等情況。

1.3 干密度檢測技術

壩體填筑材料的干密度利用瑞利波波速計算時，利用下式反映介質密度與瑞利波傳播速度的關系，即：

(1)

式中：G、VR為剪切模量和瑞利波速度，Pa、m/s；ρ為材料密度，kg/m3。

較密度的增大速度剪切模型明顯較快，因此隨著瑞利波波速的增加密度值也會增大，對此可建立特定介質的密度ρ與速度VR關系式，壩體填筑材料干密度采用瑞利波速度計算確定。試驗研究和理論模型表明，瑞利波波速VR與介質密度ρ存在的關系式如下：

(2)

式中：A、B為待定系數(shù)，根據(jù)指數(shù)回歸分析法和對比分析已知填筑材料干密度試驗確定。

根據(jù)如下流程計算確定填筑材料的干密度：①采用瑞利波頻散曲線反演分析實測土石壩壩體填筑材料，通過速度層位的劃分求解各層介質中壩體每一測點的瑞利波速度值；②根據(jù)現(xiàn)場取樣實驗室檢測數(shù)據(jù)和瞬態(tài)瑞利波檢測的干密度值，建立干密度與波速關系式，在此基礎上完成各層壩體材料每一測點的干密度計算。

2 瞬態(tài)瑞利波檢測技術的應用

2.1 工程概況

遼寧省某水利樞紐工程位于大凌河干流，主要由排減泵站、自動化管理系統(tǒng)、引供水河道、防水扎、堤壩、泵閘、節(jié)制閘、交通橋、景觀綠化及管理區(qū)等組成，是一座集城市供水、防洪排澇、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游觀光等功能于一體的大(1)型水利工程。水庫堤壩型式為均質土壩，堤頂構造為綠化帶加7m寬瀝青混凝土路面，高程位于6.0-6.2m范圍。粉土為壩體主要填筑材料，其含水量、干密度等主要物理力學指標為25.2%-32.0%和1.41-1.57g/cm3，選用土方?jīng)_挖填法對堤壩壩體填筑施工。結合質量檢測站相關資料和現(xiàn)場實地調查結果，該水庫大壩的填筑材料密實性良好、質量均勻穩(wěn)定，基巖未發(fā)現(xiàn)沉渣現(xiàn)象且整體保存良好，可以滿足工程設計和施工要求。在土石壩壩體施工過程中，技術管理人員結合項目實際需要建立了系統(tǒng)、完善的填筑碾壓技術控制體系，根據(jù)質量控制目標和技術規(guī)范要求保證了填筑施工的整體實效性；同時，施工人員具有認真負責的態(tài)度和高度的責任感，能夠及時有效處理填筑施工過程中存在的問題，保證了各建設階段吹填粉土填筑碾壓的順利實施[11-13]。

2.2 檢測方法

水庫壩體吹填粉土填筑質量的檢測利用多波列數(shù)字圖像完成，壩體填筑檢測樁號為8+085-8+152，檢測段長和堤頂高程為67m、6.2m，粉土填筑深為5.0m，將12個檢測點按照6m等間距布設于測線上。在壩頂測線檢測點兩側對稱埋置現(xiàn)場檢測中的傳感器，應保持同一直線上排列傳感器與振源點，采用18磅大鐵錘激發(fā)振源并選取主振頻率為4Hz的傳感器。工程勘探多波列檢測和數(shù)字圖像系統(tǒng)的工作參數(shù)設置為：采集偏移距為5m、道間距為1m的12個采集道，采樣點數(shù)和采樣時間間隔為1022點、0.5ms，以全通過作為通頻寬帶；瑞利波檢測儀、信號傳輸電纜、傳感器和振源等為工程勘探多波列檢測和數(shù)字圖像系統(tǒng)的主要組成。

2.3 瞬態(tài)瑞利波檢測結果分析

1)壩體填筑質量的均勻性和密實性。瑞利波頻散曲線在壩體樁號為8+145和8+081測點時如圖1所示，瑞利波波速剖面圖在吹填粉土壩體8+081-8+147樁號段如圖2所示。其中，橫、縱坐標代表距8+081樁號和壩頂?shù)木嚯x。

(a)樁號為8+145測點處

圖1 瑞利波頻散曲線圖

從圖1(a)可知，頻散曲線在樁號8+145測點處為連續(xù)光滑，波速值為發(fā)現(xiàn)明顯的離散點和低速拐點，變化量較小且處于正常范圍，可見該點處存在均勻性、密實性良好的壩體吹填粉土，整體存在較好的施工質量。根據(jù)圖1(b)可知，樁號8+081測點處深度為1.60、3.70m左右的瑞利波頻散曲線存在較為顯著的低速拐點，波速下降幅度較為明顯，可見壩體吹填粉土在1.60、3.70m深左右的均勻性和密實性較差，因此軟弱疏松帶可能存在于該位置處。根據(jù)剖面圖可以看出，瑞利波速度在樁號8+081-8+147段的吹填粉土壩體處較高，存在較好的均勻性和密實性，局部吹填粉土瑞利波速度在壩頂以下2m左右范圍內(nèi)較低，其均勻性和密實性較差?？傮w而言，壩體吹填粉土可能存在疏松、軟弱的部位及其密室情況了依據(jù)瑞利波速度剖面圖反映，由此能夠較為系統(tǒng)、全面的掌握壩體填筑施工質量。

2)壩基-壩體接觸效果。在深度為5m左右處各監(jiān)測點瑞利波頻散曲線不存在明顯的離散點或低速拐點，曲線的連續(xù)性較好，由此表明各監(jiān)測點處的吹填粉土壩基-壩體具有良好的接觸效果，壩體清基比較干凈。結合瑞利波波速在樁號8+081-8+147段的吹填粉土壩體剖面圖，壩基-壩體吹填粉土在壩體檢測段范圍內(nèi)的低速變化區(qū)域不明顯，可見壩體檢測段區(qū)間內(nèi)壩體基礎較為干凈，壩基-壩體的吹填分布存在良好的接觸效果。

3)波速VR與干密度ρd之間的關系。檢測點的選取位置為壩體施工現(xiàn)場，結合現(xiàn)場實際情況選取4個鉆孔點，各樣本之間的深度間隔為0.5m，干密度試驗在實驗室完成。通過對比分析4個檢測點處的干密度試驗值和速度大小，利用指數(shù)回歸法建立速度VR與干密度ρd關系式，見圖2。壩體吹填粉土VR與ρd在壩體填筑檢測段8+081-8+147的關系式為：

ρd=0.3265VR0.3012

(3)

式中：相關系數(shù)取值為0.90；根據(jù)上式可知，壩體吹填粉土干密度ρd可依據(jù)現(xiàn)場實測的VR值計算確定。

4)壩體填筑材料干密度。吹填粉土為該水庫大壩的填筑材料，各層吹填粉土在8+095測點處的干密度計算值和瑞利波波速值見表1。

表1 吹填粉土干密度值及瑞利波速度

結合測點處的干密度計算值和波速大小，吹填粉土的干密度取值區(qū)間為1.245-1.671g/cm3，其中90%以上的層位的干密度值超過1.380g/cm3，僅有少部分層位低于1.380g/cm3。計算得到的密度值>1.380g/cm3為該水利樞紐工程的設計要求，因此壩體吹填粉土干密度值利用瞬態(tài)瑞利波檢測法得到的合格率為92.4%，可見具有較好的施工質量。

根據(jù)不同層位上干密度檢測結果可知，瑞利波波速值在一定程度上隨著吹填分布干密度的增大而增加，結合指數(shù)回歸法建立速度VR與干密度ρd關系，波速值在干密度設計要求不低于1.380g/cm3以上時應控制在120m/s以上。

3 結 論

1)根據(jù)指數(shù)回歸法建立速度VR與干密度ρd關系，波速值在干密度設計要求不低于1.380g/cm3以上時應控制在120m/s以上，控制水庫大壩壩體吹填粉土干密度質量的有效方法為利用瞬態(tài)瑞利波檢測吹填粉土的瑞利波波速值。

2)對于壩體填筑材料的干密度、壩基-壩體接觸效果、填筑材料均勻性和密實性均可利用瞬態(tài)瑞利波檢測技術快速檢測，檢測結果能夠較為準確、客觀的反映填筑材料的實際狀況，可為全面評價和監(jiān)控填筑工程質量提供一種新的手段。

3)瞬態(tài)瑞利波檢測壩體填筑質量較常規(guī)的檢測方法，存在代表性好、檢測結果可靠性高、適用范圍廣、信息量豐富等優(yōu)點。采用瞬態(tài)瑞利波檢測技術可實現(xiàn)快速、簡便、高精度無損檢測，在水利行業(yè)質量檢測中的應用將越來越廣泛。