筑壩堆石體密度附加質(zhì)量法檢測(cè)技術(shù)與裝備研究及應(yīng)用

張建清，蔡加興，馬圣敏，嚴(yán) 俊

(長(zhǎng)江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010)

1 引 言

在堆石壩工程建設(shè)過(guò)程中，筑壩堆石體施工質(zhì)量是大壩質(zhì)量控制的關(guān)鍵，直接關(guān)系到工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)安全，而筑壩堆石體質(zhì)量控制的重要指標(biāo)就是堆石體密度，堆石體密度不符合設(shè)計(jì)要求，可能會(huì)引起壩體變形、破壞，滲漏甚至潰壩，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)威脅。因此，通過(guò)科學(xué)手段準(zhǔn)確測(cè)定筑壩堆石體密度，從而控制筑壩堆石體碾壓施工質(zhì)量，對(duì)保障大壩工程安全具有重要意義。

工程中常用筑壩堆石體密度測(cè)定方法大致分為兩類:直接法和間接法。直接法為坑測(cè)法(即挖坑，稱重，量體積)，該方法是一種有損檢測(cè)方法，測(cè)定結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確可靠，但檢測(cè)效率低，取樣頻次受限、施工干擾大、代表性差。同時(shí)由于大壩填筑工程量大，又是分層填筑施工，使得坑測(cè)法在大壩填筑質(zhì)量檢測(cè)中無(wú)法大規(guī)模使用，只能采用針對(duì)性的抽樣檢測(cè)，這種以點(diǎn)代面的檢測(cè)方式難以真實(shí)、全面地反映大壩填筑整體質(zhì)量。間接法主要包括壓實(shí)沉降觀測(cè)法、振動(dòng)碾裝加速度計(jì)法、控制碾壓參數(shù)法、靜彈模法、動(dòng)彈模法、面波法、核子密度法及附加質(zhì)量法等。其中，前六種檢測(cè)方法均只能定性地評(píng)價(jià)堆石體的壓實(shí)程度；核子密度法由于具有放射性，現(xiàn)場(chǎng)要求嚴(yán)格的防護(hù)措施，且檢測(cè)壩料粒徑要求小于4 cm，實(shí)際應(yīng)用局限性很大。由于目前大型堆石壩工程大多是高強(qiáng)度填筑，大粒徑、大方量、多料源填筑施工作業(yè)，采用什么快速、有效的方法來(lái)快速、無(wú)損地檢測(cè)筑壩堆石體密度，確保滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)又不影響筑壩工作進(jìn)程，是堆石體密度檢測(cè)的迫切需求[1-4]。

實(shí)踐應(yīng)用證明，比較可行的方法是動(dòng)力參數(shù)法，即通過(guò)測(cè)定堆石體的動(dòng)力參數(shù)(彈性模量、地基剛度、彈性波速度、泊松比)來(lái)獲取填筑堆石體密度，動(dòng)力參數(shù)與介質(zhì)密度存在密切相關(guān)關(guān)系，而附加質(zhì)量法是一種測(cè)定地基剛度及參振質(zhì)量的簡(jiǎn)捷有效方法。由于早期應(yīng)用附加質(zhì)量法檢測(cè)堆石體密度的提出與應(yīng)用還存在一些問(wèn)題，其后一段時(shí)期，未在大型堆石壩工程檢測(cè)中開(kāi)展過(guò)應(yīng)用，對(duì)該方法的研究工作也基本停滯。直到2008年，張建清等將附加質(zhì)量法檢測(cè)堆石體密度技術(shù)在糯扎渡水電站心墻堆石壩工程中系統(tǒng)應(yīng)用后，附加質(zhì)量法才從方法技術(shù)研究及試驗(yàn)性應(yīng)用階段進(jìn)入了大型堆石壩工程系統(tǒng)應(yīng)用的新階段[5]。

由于早期附加質(zhì)量法方法不完備、測(cè)試技術(shù)不成熟，具有數(shù)據(jù)采集精度低、采集結(jié)果離散性大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，導(dǎo)致該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展受限，筑壩堆石體密度快速無(wú)損檢測(cè)難題并未得到實(shí)質(zhì)性解決。因此，針對(duì)存在的問(wèn)題，筆者團(tuán)隊(duì)從理論方法、測(cè)試技術(shù)、技術(shù)裝備、智慧管控、成果展示等方面對(duì)附加質(zhì)量法開(kāi)展系統(tǒng)研究，根本解決了筑壩堆石體質(zhì)量控制難題，并成功地在多個(gè)大中型水利水電工程中進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣，取得了良好的應(yīng)用效果[6-8]。

2 附加質(zhì)量法檢測(cè)方法技術(shù)研究

2.1 理論模型研究

2.1.1 質(zhì)彈模型

附加質(zhì)量法質(zhì)彈模型是指忽略堆石體阻尼的影響，將堆石體的振動(dòng)等效為單自由度無(wú)阻尼自由振動(dòng)體系。堆石體和附加質(zhì)量塊的質(zhì)量為彈簧的振子質(zhì)量m，彈簧的剛度為K，則可以得到下列運(yùn)動(dòng)方程:

(1)

K=ω2m

(2)

其中,

Z=Zmsin(ωt+φ)

(3)

(4)

由于沒(méi)有考慮阻尼影響，系統(tǒng)簡(jiǎn)化為等周期振動(dòng)，永不停息。設(shè)堆石體的參振質(zhì)量為m0、附加質(zhì)量為Δm，根據(jù)疊加原理可得到：

(5)

K=ω2(Δm+m0)

(6)

當(dāng)附加質(zhì)量Δm=0時(shí)，則有

(7)

式(5)～式(7)中，ω和ω0分別為系統(tǒng)的固有頻率和參振堆石體的固有頻率(rad/s)；m0為參振堆石體的參振質(zhì)量(kg)。

從式(6)可知，如果在堆石體上加一級(jí)質(zhì)量Δm1，可測(cè)到一個(gè)ω1,這樣一個(gè)方程中仍有兩個(gè)未知量K、m0，還是沒(méi)有唯一解；只有加兩級(jí)Δm1、Δm2，得到兩個(gè)相應(yīng)的頻率ω1、ω2，方程(6)才有唯一解，得到參數(shù)如下：

(8)

(9)

為了消除測(cè)試誤差，加上一系列質(zhì)量Δm1、Δm2、…、Δmi,可以測(cè)到相應(yīng)的ω1、ω2、…、ωi，作(ω-2～Δm)直線，求其斜率即為剛度K；直線在Δm軸上的截距，即為堆石體參振質(zhì)量m0。這樣，通過(guò)直線的截距，就可以求得堆石體的自振頻率ω0和參振質(zhì)量m0。質(zhì)彈模型等效體系如圖1所示。

圖1 質(zhì)彈模型等效體系Fig.1 Equivalent system of mass elastic model

2.1.2 質(zhì)彈阻模型

有阻尼振動(dòng)體系下的質(zhì)彈阻模型基本方程可由下式表示：

(10)

且

(11)

圖2 質(zhì)彈阻模型等效體系Fig.2 Equivalent system of mass elastic resistance model

質(zhì)彈阻模型和質(zhì)彈模型相比主要是增加了堆石體的阻尼參數(shù)，這里對(duì)阻尼參數(shù)的影響進(jìn)行分析。阻尼是指任何振動(dòng)系統(tǒng)在振動(dòng)中，由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動(dòng)幅度逐漸下降的特性。土石壩中，通常采用阻尼比來(lái)描述堆石體的動(dòng)力特性。目前，大量試驗(yàn)結(jié)果表明，阻尼比隨著堆石體動(dòng)應(yīng)變的減小而減小。附加質(zhì)量法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，對(duì)兩河口堆石體的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試阻尼比在0.1左右，通過(guò)公式(11)可以求得，ωd≈0.99ω。這是由于測(cè)試過(guò)程中，震源能量較小，導(dǎo)致土體的振幅較小，相應(yīng)的堆石體動(dòng)應(yīng)變也較小，因而阻尼比數(shù)值也較小，求得的自振頻率也接近。由于無(wú)論采用哪種理論模型，對(duì)于堆石料密度求解精度有一定影，后續(xù)研究工作中也相應(yīng)地提出了堆石體密度求解方法[9-11]。

2.2 密度求解方法研究

2.2.1 率定系數(shù)法

由質(zhì)彈模型推導(dǎo)附加質(zhì)量法的密度計(jì)算公式為：

(12)

即

(13)

率定系數(shù)法是依據(jù)該公式求取堆石體密度的一種方法，N是在質(zhì)彈模型時(shí)引入的一個(gè)數(shù)值，它是一個(gè)與堆石體性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，解決方法是針對(duì)某一料區(qū)的堆石體，由坑測(cè)法的密度值進(jìn)行率定，即由已知的坑測(cè)密度值求出不同料區(qū)試驗(yàn)點(diǎn)的N值，故N為率定系數(shù)。

在實(shí)際工作中，通過(guò)試驗(yàn)利用坑測(cè)干密度值和公式(13)求取率定系數(shù)N，建立不同壩料和不同施工碾壓參數(shù)對(duì)應(yīng)的率定系數(shù)矩陣。

首先，建立率定系數(shù)矩陣。如糯扎渡壩I料附加質(zhì)量法測(cè)試結(jié)果與坑測(cè)結(jié)果建立率定系數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)試波速VP的范圍為535～643 m/s,平均值為587 m/s測(cè)試頻率f0的范圍為74.22～79.83 Hz,平均值為77.29 Hz;測(cè)試的m0的范圍為2 949～3 694 kg,平均值為3 419 kg;率定系數(shù)N值的范圍為2.260～2.492,平均值為2.357。

然后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)根據(jù)率定系數(shù)計(jì)算堆石體密度。如糯扎渡壩I料中部分附加質(zhì)量法測(cè)試測(cè)點(diǎn)結(jié)果與坑測(cè)結(jié)果對(duì)比統(tǒng)計(jì)表(表2)。

從實(shí)際工程應(yīng)用可見(jiàn)，率定系數(shù)法需要大量的對(duì)比測(cè)點(diǎn)才能建立完整的率定系數(shù)矩陣，且局部范圍波速難以準(zhǔn)確測(cè)定，由于壩料的復(fù)雜性和施工參數(shù)的多樣性，這種率定的方法往往會(huì)導(dǎo)致率定系數(shù)之間產(chǎn)生沖突，反算求取附加質(zhì)量法密度值誤差大。

2.2.2 數(shù)字量板法

率定系數(shù)法因堆石體波速測(cè)試穩(wěn)定性差，同時(shí)受壩料復(fù)雜性、施工參數(shù)的多樣性影響，不同的率定系數(shù)矩陣易產(chǎn)生沖突，計(jì)算過(guò)程效率較低，導(dǎo)致率定系數(shù)法求取密度誤差大。為了解決率定系數(shù)法存在的問(wèn)題，提出了數(shù)字量板法。

實(shí)際堆石體是質(zhì)彈阻模型，質(zhì)彈阻模型計(jì)算堆石體密度公式如下：

(14)

由式(14)可得：

(15)

(16)

將式(15)代入式(16)可得到：

(17)

式中：r為壓板半徑(m)；VS為基底介質(zhì)的橫波波速(m/s)；μ為泊松比；ω為角頻率(rad/s);K為動(dòng)剛度(N/m)。

(18)

或

(19)

式中,V0為壓板下參振體系的體積(m3)。

利用相關(guān)法建立密度與動(dòng)力學(xué)參數(shù)(單參數(shù)或多參數(shù))的關(guān)系，不需要進(jìn)行速度測(cè)試和確定率定系數(shù)，只要通過(guò)試驗(yàn)并建立密度與動(dòng)力學(xué)參數(shù)(單參數(shù)或多參數(shù))的關(guān)系。工程實(shí)踐表明，附加質(zhì)量法測(cè)試參數(shù)動(dòng)剛度K和參振質(zhì)量m0與密度ρ的相關(guān)性較好，采用基于動(dòng)剛度K和參振質(zhì)量m0與堆石體密度ρ的相關(guān)法。主要方法是通過(guò)附加質(zhì)量法測(cè)試獲取參振質(zhì)量m0和動(dòng)剛度K， 坑測(cè)的干密度ρ0進(jìn)行率定、確定參振體積V0，計(jì)算求取干密度ρ0?；谝欢ǖ臉颖玖?，可形成動(dòng)剛度K和參振質(zhì)量m0與密度ρ0的相關(guān)系數(shù)參振體積V0等值線圖，通過(guò)該等值線圖來(lái)計(jì)算堆石體的密度。

實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)參振體積V0等值線圖計(jì)算動(dòng)剛度K和參振質(zhì)量m0所對(duì)應(yīng)的參振體積V0，再計(jì)算堆石體密度，即建立了一套基于動(dòng)剛度K和參振質(zhì)量m0參數(shù)量取堆石體密度的量板，即數(shù)字量板(圖3)。

圖3 構(gòu)建的數(shù)字量板Fig.3 Built digital measuring board

2.2.3 理論量板法

目前采用的數(shù)字量板法由于制作量板過(guò)程中沒(méi)有用到數(shù)學(xué)模型，所以不存在模型誤差。但由于沒(méi)有數(shù)學(xué)模型依據(jù)，因而量板無(wú)法擴(kuò)展，導(dǎo)致在實(shí)測(cè)過(guò)程中對(duì)于量板數(shù)據(jù)之外的點(diǎn)難以計(jì)算。針對(duì)數(shù)字量板存在的問(wèn)題，提出了理論量板法，即一種新的量板構(gòu)建方法——參數(shù)對(duì)等法。該方法通過(guò)參數(shù)對(duì)等建立量板，通過(guò)公式計(jì)算得到參數(shù)對(duì)等圖，進(jìn)而利用該量板圖求解堆石體的密度。該方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單，參數(shù)對(duì)等靈活等優(yōu)點(diǎn)，并且與數(shù)字量板法相比，很容易進(jìn)行量板擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)堆石體密度測(cè)量范圍的全覆蓋。

基于歷史工程測(cè)試數(shù)據(jù)中堆石體上每個(gè)測(cè)點(diǎn)的參振質(zhì)量、堆石剛度、濕密度、參振體積、干密度和含水率，建立在濕密度—參振質(zhì)量坐標(biāo)系下的參振體積直線圖和濕密度—干密度坐標(biāo)系下的含水率直線圖；建立堆石剛度和濕密度的參數(shù)對(duì)等關(guān)系，并將參振體積直線圖和所述含水率直線圖進(jìn)行網(wǎng)格化覆蓋，得到附加質(zhì)量法理論量板；在待檢測(cè)大壩堆石體上，選取測(cè)點(diǎn)，通過(guò)附加質(zhì)量法采集得到堆石體的堆石剛度K和參振質(zhì)量m，在所述附加質(zhì)量法理論量板上匹配對(duì)應(yīng)的參振體積V0和含水率w，并基于所述參振體積V0和含水率w得到堆石體的濕密度ρ和干密度ρd，從而計(jì)算堆石體密度(圖4)。

圖4 添加含水率的理論量板法參數(shù)對(duì)等圖Fig.4 Parameters equivalent diagram of theoretical measuring plate method with added moisture content

附加質(zhì)量法理論模型是通過(guò)假定堆石體為一維單自由度運(yùn)動(dòng)體系進(jìn)行求解，測(cè)試實(shí)體與理論模型是一定程度的近似，其近似程度一般是無(wú)法量化表示的，因此，難以用一個(gè)系數(shù)做量化處理，即難以修正。數(shù)字量板可以在一定程度上綜合理論誤差的不足，但理論不嚴(yán)密，使用上受一定限制。若將理論量板與數(shù)字量板融為一體，則可以達(dá)到互相取長(zhǎng)補(bǔ)短、延拓求解范圍和提高求解精度的目的，因此二者是相容的，而不是相排斥的。

2.3 附加質(zhì)量法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)研究

附加質(zhì)量法理論基礎(chǔ)為線彈性質(zhì)彈模型，然而附加質(zhì)量法檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜，施工干擾因素較多，附加質(zhì)量法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有何影響，有待研究；此外，堆石壩多處于高山峽谷地帶，堆石體密度受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懭绾?，在測(cè)試中存在哪些問(wèn)題，仍有待完善。為了完善附加質(zhì)量法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，提高測(cè)試精度，開(kāi)展了相關(guān)研究[12,13]。

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)工作參數(shù)研究

附加質(zhì)量法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，堆石體與附加質(zhì)量塊組成線彈性體系，通過(guò)施加一個(gè)外力使該體系產(chǎn)生共振，從而獲得該體系的共振頻率。而如何施加這一外力，對(duì)附加質(zhì)量法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試精度有重要影響。一般情況下，重錘的高度、激震距離、重量均能影響外力的施加過(guò)程，但據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，重錘的高度對(duì)主頻影響可忽略不計(jì)。因此，有必要對(duì)重錘的激震距離、重量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，以確定最優(yōu)的測(cè)試參數(shù)，獲取高精度的主頻數(shù)據(jù)。

2.3.1.1 激震距離現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

為了分析錘擊點(diǎn)距中心點(diǎn)激震距離對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法對(duì)糯扎渡水電站1-11-2-69-1號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)設(shè)置錘擊點(diǎn)距離質(zhì)量塊中心的激震距離分別為50 cm、75 cm、100 cm、125 cm、150 cm，重錘重量為50 kg。通過(guò)對(duì)比不同激震距離的頻譜曲線、ω-2與Δm相關(guān)性、測(cè)試分析結(jié)果來(lái)分析最優(yōu)的錘擊距離。檢測(cè)工作布置圖見(jiàn)圖5。

圖5 檢測(cè)工作布置Fig.5 Inspection work layout

距離質(zhì)量塊中心的激震距離為50 cm、75 cm、100 cm、125 cm、150 cm的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從分析結(jié)果中可以看出，距離質(zhì)量塊中心的激震距離為75 cm處的頻譜分析圖清晰，形態(tài)一致，激震距離為50 cm時(shí)次之。依據(jù)ω-2與Δm的相關(guān)性，距離質(zhì)量塊中心50 cm、75 cm、100 cm、125 cm、150 cm處測(cè)試所得的頻率及頻差進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3所示，激震距離為75 cm時(shí)ω-2與Δm線性相關(guān)性最優(yōu)，激震距離為50 cm時(shí)次之。

對(duì)不同激震距離的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與坑測(cè)法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4所示。激震距離為50 cm處的干密度值與坑測(cè)值2.13 g/cm3誤差最小，激震距離為75 cm時(shí)次之。通過(guò)綜合比選，激震距離為50～75 cm為最優(yōu)的測(cè)試范圍。

表4 測(cè)試的結(jié)果

2.3.1.2 重錘重量試驗(yàn)研究

分別選取36 kg、50 kg的重錘進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，檢測(cè)信號(hào)測(cè)試見(jiàn)圖6所示。通過(guò)對(duì)比分析可知，36 kg重錘測(cè)試信號(hào)頻譜分析分布圖不清晰、余振多、頻差大。50 kg重錘錘擊測(cè)試信號(hào)頻譜圖主頻清晰、頻差一致性好，激發(fā)測(cè)試信號(hào)主頻清晰。通過(guò)試驗(yàn)可知，50 kg重錘可滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。

圖6 36 kg和50 kg重錘錘擊測(cè)試信號(hào)頻譜Fig.6 Frequency spectrum of heavy hammer test signals with 36 kg and 50 kg

2.3.2 抗干擾研究

要獲取高質(zhì)量的測(cè)試成果，人、機(jī)、料、法、環(huán)缺一不可。其中，環(huán)境對(duì)附加質(zhì)量法測(cè)試精度的影響不可忽視。如堆石體力學(xué)性質(zhì)的改變、體系的擾動(dòng)、振動(dòng)源干擾，均會(huì)對(duì)堆石體與附加質(zhì)量組成線彈性振動(dòng)體系造成影響，從而影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。通常，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)堆石體力學(xué)性質(zhì)影響較大的因素主要為雨水天氣，體系的擾動(dòng)主要體現(xiàn)在質(zhì)量塊周圍人和物的近距離干擾，振動(dòng)源干擾主要來(lái)自于施工現(xiàn)場(chǎng)各類施工機(jī)械或車輛。為了分析這些因素對(duì)附加質(zhì)量法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所造成的影響，開(kāi)展了振動(dòng)干擾影響以及質(zhì)量塊旁重物對(duì)主頻的影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2.3.2.1 振動(dòng)干擾影響試驗(yàn)

為了分析現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)附加質(zhì)量法測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的干擾源，如運(yùn)料車、振動(dòng)碾進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)干擾源與測(cè)點(diǎn)之間的距離變化來(lái)分析采集信號(hào)的質(zhì)量，從而研究干擾源的影響距離。

1)運(yùn)料車干擾試驗(yàn)。當(dāng)單個(gè)運(yùn)料車經(jīng)過(guò)距檢測(cè)點(diǎn)距離約30 m時(shí)，出現(xiàn)干擾信號(hào)，隨著距離的逐步減少，干擾信號(hào)逐步增強(qiáng)。待運(yùn)料車經(jīng)過(guò)以后，距離逐步增大，信號(hào)逐步恢復(fù)正常，直至無(wú)干擾信號(hào)，如圖7所示。因此可以得出，運(yùn)料車距測(cè)點(diǎn)距離大于30 m不影響附加質(zhì)量法的數(shù)據(jù)采集。

圖7 運(yùn)料車經(jīng)過(guò)時(shí)和經(jīng)過(guò)后的測(cè)試信號(hào)Fig.7 Test signals when and after the hopper car passes

2)振動(dòng)碾壓車干擾試驗(yàn)。當(dāng)單個(gè)振動(dòng)碾壓車輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，距離測(cè)點(diǎn)約50 m時(shí)出現(xiàn)干擾信號(hào)，隨著信號(hào)的逐步增強(qiáng)，采集信號(hào)完全被振動(dòng)碾的信號(hào)所取代，如圖8所示。待碾車遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)，且距離大于50 m時(shí)信號(hào)恢復(fù)正常，無(wú)干擾信號(hào)。由此可知，振動(dòng)碾壓車距測(cè)點(diǎn)距離大于50 m時(shí)不影響附加質(zhì)量法的采集工作。

綜上所述，施工運(yùn)料車和振動(dòng)碾壓車的干擾是可以通過(guò)了解與干擾源的距離來(lái)避免，不同的干擾源其影響距離、影響程度不同，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)應(yīng)時(shí)刻關(guān)注施工干擾源的位置，從而有效提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.3.2.2 質(zhì)量塊旁重物對(duì)主頻的影響

為了研究附加質(zhì)量塊重物對(duì)附加質(zhì)量法測(cè)試的影響程度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析放置不同質(zhì)量重物對(duì)采集信號(hào)頻譜分析圖的形態(tài)特征以及重物與質(zhì)量塊距離對(duì)主頻的影響[14]。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，選取糯扎渡水電站01-19-1510-3測(cè)點(diǎn)某一級(jí)附加質(zhì)量(質(zhì)量為Δm)進(jìn)行測(cè)試，在旁邊放置重為Δm′的質(zhì)量塊，二者距離為d，如圖9所示。通過(guò)改變?chǔ)和Δm′以及d值以研究當(dāng)附加質(zhì)量塊旁不同距離放置重量大于、等于、小于它的重物對(duì)頻譜分析的影響情況。Δm和Δm′的取值如表5所示[15,16]。

圖9 附加質(zhì)量塊旁放置重物的測(cè)試示意圖Fig.9 Test diagram of placing heavy objects beside the added mass block

表5 Δm和Δm′的取值

1)當(dāng)d=0時(shí)：從測(cè)試信號(hào)的頻譜分析圖可知，當(dāng)Δm質(zhì)量大于Δm′時(shí)(1、2、3組)，所采集的信號(hào)頻譜分析圖與正常情況一致。而當(dāng)Δm=150 kg，Δm′=300 kg，d=0時(shí)，信號(hào)的頻譜分布圖呈現(xiàn)如圖10 (a)所示的形態(tài)，存在一個(gè)幅值相對(duì)較小的“次峰”。隨著Δm′的逐步增加，“次峰”的幅值甚至?xí)笥趫D10 (a)中主頻對(duì)應(yīng)的幅值，形成如圖10 (b)所示的頻譜分布圖。在這種情況下，在緊挨著質(zhì)量塊的位置放置重量大于質(zhì)量塊的重物會(huì)嚴(yán)重影響主頻值，對(duì)數(shù)據(jù)分析與處理造成嚴(yán)重影響。

圖10 Δm=150 kg，Δm′=300 kg，d=0時(shí)的頻譜分布Fig.10 Spectrum distribution when Δm=150 kg，Δm′=300 kg，d=0

2)當(dāng)d≠0時(shí)：對(duì)每一組Δm和Δm′分別按d=0 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm、120 cm、140 cm采集一定數(shù)量的樣本，計(jì)算其主頻數(shù)據(jù)，并通過(guò)t檢驗(yàn)準(zhǔn)則剔除異常數(shù)據(jù)后取平均值，形成如圖11所示主頻平均值隨距離變化的圖。由圖11看到，質(zhì)量塊與重物的距離對(duì)主頻的影響較為明顯，尤其是當(dāng)重物的重量大于等于質(zhì)量塊的重量，且距離為0時(shí)；而當(dāng)兩者之間的距離增加，其影響逐漸減弱；當(dāng)距離達(dá)到1.2 m時(shí)，其影響可忽略不計(jì)。

圖11 平均主頻隨d的變化曲線Fig.11 Average dominant frequency curve vary with d

因此，建議在利用附加質(zhì)量法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在距離質(zhì)量塊1.2 m區(qū)域內(nèi)不宜放置重物，尤其是重量接近或超過(guò)質(zhì)量塊的重物。

3 附加質(zhì)量法智能裝備研發(fā)

附加質(zhì)量法需要根據(jù)不同附加質(zhì)量下系統(tǒng)的固有頻率計(jì)算出測(cè)點(diǎn)范圍參振堆石體的固有頻率ω0和體系動(dòng)剛度K值。系統(tǒng)固有頻率測(cè)量是采用地震波共振檢測(cè)法，針對(duì)不同堆石體，如何有效激發(fā)共振，是震源研發(fā)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)研究成果，ΔM-N質(zhì)彈采集系統(tǒng)的每級(jí)高質(zhì)量獲取的固有頻率且保證各級(jí)固有頻率ω-2與附加質(zhì)量ΔM有較高的線性相關(guān)性，是計(jì)算體系動(dòng)剛度K、求解堆石體的密實(shí)度的關(guān)鍵。因此，附加質(zhì)量法智能裝備系統(tǒng)研究主要圍繞準(zhǔn)確獲取信號(hào)主頻來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

3.1 自動(dòng)化可控震源研發(fā)

常用的振動(dòng)激勵(lì)震源包括人工震源、炸藥、可控震源、氣槍震源等，根據(jù)附加質(zhì)量法堆石體密度快速、無(wú)損、穩(wěn)定、精確的檢測(cè)特點(diǎn)，綜合傳統(tǒng)激勵(lì)震源的優(yōu)點(diǎn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)專門為附加質(zhì)量法研發(fā)了一款自動(dòng)化機(jī)械重錘激勵(lì)震源，見(jiàn)圖12。該震源既有人工震源的方便靈活，也有可控震源的穩(wěn)定性和可控高度激勵(lì)的一致性。

圖12 研發(fā)的自動(dòng)化可控震源Fig.12 Developed automatic vibrator

為了將震源與采集系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行全智能化采集，設(shè)計(jì)了無(wú)線控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、半齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。無(wú)線控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供傳動(dòng)力，半齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生自動(dòng)錘擊動(dòng)作，電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)給系統(tǒng)提供電力。通過(guò)采集主機(jī)的無(wú)線wifi控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟停來(lái)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)鏈輪、鏈條來(lái)帶動(dòng)提升半齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，提升半齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與提升齒條的嚙合，提升齒條在嚙合作用下作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)錘擊重錘,錘擊重錘在向下運(yùn)動(dòng)時(shí)錘擊地面，產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，線性導(dǎo)向軸保證錘擊重錘的運(yùn)動(dòng)方向，錘擊激勵(lì)過(guò)程全部自動(dòng)完成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高運(yùn)行速度可達(dá)30轉(zhuǎn)/min,2 s即可完成一次激勵(lì)。

3.1.1 自動(dòng)化激勵(lì)。

考慮到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)使用條件的限制，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化激勵(lì)，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)工作，為可控震源提供動(dòng)力。自動(dòng)化可控震源系統(tǒng)的運(yùn)行和停止，受智能采集系統(tǒng)的控制，震源內(nèi)部設(shè)計(jì)有wifi信號(hào)接收和處理電路。智能采集系統(tǒng)通過(guò)wifi無(wú)線發(fā)送運(yùn)行或者停止命令，震源內(nèi)部的控制接收到命令后，通過(guò)控制輸出引腳的高低電平來(lái)控制繼電器的閉合和斷開(kāi)，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。

3.1.2 穩(wěn)定可控激勵(lì)實(shí)現(xiàn)

對(duì)比了幾種常用的傳動(dòng)系統(tǒng)，由于要求傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和一致性，以及震源能量的大小可控，采用齒輪與齒條相互嚙合的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)激勵(lì)效果。

3.1.2.1 能量大小穩(wěn)定可控

提升高度是決定能量大小的關(guān)鍵，既要激勵(lì)能力足夠大，又要震源系統(tǒng)重量輕、體積小，利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮彈簧積聚能量的方式，在彈簧被壓縮的過(guò)程中達(dá)到重錘震源提升的目的。提升高度與半齒輪有齒弧長(zhǎng)相等，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終固定。因此，重錘下落的高度和彈簧壓縮量固定，每次激勵(lì)的能量大小必然一定，保證了激勵(lì)信號(hào)能量的穩(wěn)定性和一致性。針對(duì)不同的堆石壩料，可能需要不同的激勵(lì)能量，可以通過(guò)置換不同弧長(zhǎng)的半齒輪來(lái)調(diào)整震源重錘提升高度和彈簧壓縮長(zhǎng)度，激勵(lì)能量大小也能隨之改變。

3.1.2.2 主頻穩(wěn)定控制

試驗(yàn)表明，激勵(lì)中心點(diǎn)的位移會(huì)導(dǎo)致主頻發(fā)生一定改變，從而給采集信號(hào)主頻帶來(lái)一定誤差。自動(dòng)化震源為了保證重錘錘擊點(diǎn)固定，需保證齒條和重錘震源運(yùn)動(dòng)方向的完全垂直。齒條采用雙邊軸承固定運(yùn)動(dòng)方向，軸承在固定齒條的同時(shí)又不會(huì)影響齒條的垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)。錘擊重錘兩邊應(yīng)用高強(qiáng)度線性導(dǎo)軌控制移動(dòng)方向，使得錘擊重錘只能上下運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，將壓縮彈簧安裝在線性導(dǎo)向軸上面，用導(dǎo)向軸保護(hù)壓縮彈簧，既可以提高彈簧的使用壽命，又限制彈簧壓力的方向。三種方式的聯(lián)合作用使得激勵(lì)位移很小，保證了激勵(lì)信號(hào)共振主頻的穩(wěn)定性。

3.1.3 震源性能測(cè)試分析

3.1.3.1 激勵(lì)信號(hào)一致性測(cè)試與分析

選取3個(gè)不同的檢測(cè)點(diǎn)，用自動(dòng)化可控震源與智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)采集。圖13分別為3個(gè)不同點(diǎn)的采集波形。每個(gè)采集點(diǎn)的波形中，1號(hào)和2號(hào)波形同為5級(jí)附加質(zhì)量的重復(fù)采集波形，3號(hào)和4號(hào)波形同為4級(jí)附加質(zhì)量的重復(fù)采集波形，5號(hào)和6號(hào)波形同為3級(jí)附加質(zhì)量的重復(fù)采集波形，7號(hào)和8號(hào)波形同為2級(jí)附加質(zhì)量的重復(fù)采集波形，9號(hào)和10號(hào)波形同為1級(jí)附加質(zhì)量的重復(fù)采集波形。

圖13 震源激震采集波形Fig.13 Waveform of source excitation acquisition

由3個(gè)不同檢測(cè)點(diǎn)的波形圖可見(jiàn)，相同檢測(cè)點(diǎn)的同級(jí)附加質(zhì)量系統(tǒng)的2次采集波形形態(tài)基本完全一致，證明自動(dòng)化可控震源的激發(fā)一致性非常高。

3.1.3.2 震源主頻穩(wěn)定性測(cè)試與分析

隨機(jī)選取1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，用自動(dòng)化可控震源與智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)采集，在相同附加質(zhì)量級(jí)別進(jìn)行10次激勵(lì)，進(jìn)行主頻穩(wěn)定性分析，計(jì)算主頻平均值64.072 Hz作為該檢測(cè)點(diǎn)5級(jí)附加質(zhì)量的主頻值，10次采集的主頻值與平均主頻的絕對(duì)誤差值小于0.2 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 智能數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)研發(fā)

3.2.1 智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括高性能工控電腦、北斗定位模塊以及控制電動(dòng)震源的無(wú)線控制模塊和采集軟件，采集軟件主要由智能避噪采集、頻譜細(xì)化、主頻自動(dòng)判讀與選擇、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等功能組成，集合了采集、控制、定位、顯示、存儲(chǔ)、處理等功能于一體，可進(jìn)行高效智能化信號(hào)采集與處理。

智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單實(shí)用為主，界面左側(cè)為圖形顯示區(qū)與數(shù)據(jù)分析區(qū)，右側(cè)為操作區(qū)。操作區(qū)提供用戶常用的各種功能，便于操作。當(dāng)所有通道的信號(hào)均采集完畢后，即可查看計(jì)算結(jié)果窗口，如圖14所示。

圖14 智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面Fig.14 Interface of intelligent data acquisition system

3.2.1.1 智能精細(xì)化采集

信噪比為有效信號(hào)與噪聲的功率比值，信噪比越大，說(shuō)明有效信號(hào)越干凈，采集信號(hào)越真實(shí)、準(zhǔn)確。準(zhǔn)確的信號(hào)有助于更精確地計(jì)算結(jié)果，從而得到更加真實(shí)的信號(hào)主頻。為了提高信噪比，采用了信號(hào)濾波網(wǎng)絡(luò)、程控放大電路和32位的A/D采集電路，信號(hào)濾波網(wǎng)絡(luò)可以抑制采集信號(hào)中的共模和差模噪聲，程控放大電路和32位的A/D采集電路可以提高采集信號(hào)的精度，從而降低系統(tǒng)噪聲帶來(lái)的影響，提高信噪比。

3.2.1.2 智能避噪采集

檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，除了有效的激勵(lì)信號(hào)外，還會(huì)存在其他許多種隨機(jī)噪聲，如汽車經(jīng)過(guò)的抖動(dòng)、碾壓機(jī)地面碾壓的振動(dòng)等，這些隨機(jī)噪聲與有效的激勵(lì)信號(hào)頻帶相同，很難用濾波的方式排除，必須在信號(hào)采集的源頭上避免采集到相關(guān)的隨機(jī)噪聲，以免降低信號(hào)主頻的準(zhǔn)確度。

為了避免能量較大的隨機(jī)噪聲對(duì)檢測(cè)造成的影響，采集系統(tǒng)采用了噪聲監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)對(duì)信號(hào)傳感器的信號(hào)觀測(cè)，在噪聲能量較大時(shí)，智能停止采集，減少噪聲對(duì)采集結(jié)果造成的影響。

當(dāng)一小段時(shí)間內(nèi)的環(huán)境噪聲幅值大于當(dāng)前有效信號(hào)幅值的1/1 000時(shí)，主機(jī)暫時(shí)不會(huì)進(jìn)行任何動(dòng)作，避免采集結(jié)果中混入大能量的環(huán)境噪聲。當(dāng)環(huán)境噪聲小于1/1 000時(shí)，采集主機(jī)會(huì)通過(guò)無(wú)線wifi給自動(dòng)化可控震源發(fā)送開(kāi)始激勵(lì)的命令，在較小的環(huán)境噪聲中完成信號(hào)采集工作。

3.2.2 智能精細(xì)化數(shù)據(jù)處理

智能精細(xì)化數(shù)據(jù)處理包含有頻譜細(xì)化功能，在數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析時(shí)，能提高頻率分辨率，信號(hào)主頻精度更高。主頻自動(dòng)判讀與選擇功能能智能識(shí)別出最優(yōu)主頻，減少人工選擇帶來(lái)的主觀誤差，進(jìn)一步提高主頻的準(zhǔn)確度。

3.2.2.1 頻譜細(xì)化

在信號(hào)處理時(shí)，為了能把整個(gè)頻率范圍內(nèi)的某段重點(diǎn)頻區(qū)局部放大，獲得比整個(gè)頻率范圍的頻率分辨率更高的頻率分辨率，從而觀察頻譜中的細(xì)微部分的技術(shù)，采用頻譜細(xì)化技術(shù)(圖15)。附加質(zhì)量法對(duì)頻率的分辨率有很高的要求，因此采用頻譜細(xì)化技術(shù)提高主頻精度，采用的是FFT+FT細(xì)化法，該方法是將連續(xù)傅里葉變換經(jīng)過(guò)將積分化成求和、時(shí)域離散化和時(shí)域截?cái)酁橛邢揲L(zhǎng)三個(gè)步驟變換得到時(shí)間離散、頻率連續(xù)的特殊傅里葉變換形式。FFT+FT連續(xù)細(xì)化分析傅里葉變換法先用FFT做全景譜，再對(duì)指定的一個(gè)頻率區(qū)間進(jìn)行細(xì)化計(jì)算。先確定頻率分辨率，再確定計(jì)算頻率序列，最后用FT連續(xù)譜分析方法進(jìn)行實(shí)部和虛部計(jì)算，合成幅值譜和相位譜。

圖15 頻譜細(xì)化Fig.15 Spectrum refinement

3.2.2.2 主頻自動(dòng)判讀與選擇

主頻自動(dòng)判讀是對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行頻譜細(xì)化后，形成頻率功率譜最大的主頻序列，但受儀器頻率分辨率限制，難以確定最優(yōu)的主頻。為了解決此問(wèn)題，通過(guò)自動(dòng)獲取多個(gè)主頻序列，選擇出現(xiàn)頻率最高的主頻為最優(yōu)的主頻(圖16)。

圖16 主頻的自動(dòng)判讀Fig.16 Automatic interpretation of dominant frequency

主頻自動(dòng)選擇是在附加質(zhì)量法測(cè)試過(guò)程中，每一級(jí)測(cè)試均保留10組數(shù)據(jù)，計(jì)算這10組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的主頻，剔除異常值，形成主頻序列。將每一級(jí)的主頻值進(jìn)行組合計(jì)算(線性回歸)，分析置信度最高的主頻值集合。將每一級(jí)的主頻序列組合主頻矩陣，建立與主頻值集合的方程，并求解。通過(guò)一系列數(shù)據(jù)的測(cè)試，得出主頻的判讀規(guī)則。基于該規(guī)則實(shí)現(xiàn)主頻的自動(dòng)判讀。

3.3 智慧遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

大壩填筑質(zhì)量智慧遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)旨在建立一套完整的、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)管理與質(zhì)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄附加質(zhì)量法采集過(guò)程技術(shù)參數(shù)、附加質(zhì)量法處理過(guò)程、附加質(zhì)量法測(cè)試結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)情況，利用附加質(zhì)量法高抽樣率的檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立密度數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立大壩三維密度分布圖形，直觀了解堆石體大壩密度的分布情況，實(shí)現(xiàn)附加質(zhì)量法檢測(cè)成果實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)、實(shí)時(shí)反饋，為大壩填筑質(zhì)量“雙控”提供技術(shù)支撐。

智慧遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)由信息管理系統(tǒng)、三維可視化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程質(zhì)量控制系統(tǒng)組成(圖17)，分別實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的規(guī)范管理、成果的直觀可視、質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。智慧遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)特點(diǎn)主要有：

圖17 智能監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)組成Fig.17 Composition of intelligent monitoring platform system

1)信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)范管理。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的分級(jí)和分類管理、工程質(zhì)量評(píng)定、快速查詢統(tǒng)計(jì)、與檢測(cè)單元圖形顯示等功能。

2)三維可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直觀可視。利用附加質(zhì)量法檢測(cè)堆石體密度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大壩內(nèi)部附加質(zhì)量法測(cè)試密度的三維可視化，進(jìn)行堆石體密度的分層瀏覽，從不同角度了解大壩內(nèi)部堆石體的密度分布情況，從整體上對(duì)大壩質(zhì)量做出評(píng)估。

3)遠(yuǎn)程質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制與診斷，后方管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，如數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足要求，則將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給大壩施工管理人員；如數(shù)據(jù)不滿足要求，則將不合格信息反饋至現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員，重新補(bǔ)測(cè)；大壩填筑碾壓質(zhì)量控制與診斷，將測(cè)試成果及時(shí)反饋給數(shù)字大壩系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)不滿足設(shè)計(jì)要求的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)碾或其他處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)碾壓參數(shù)和檢測(cè)密度的“雙控”。

4 附加質(zhì)量法工程應(yīng)用

4.1 工程總體應(yīng)用

研究成果成功推向國(guó)內(nèi)外多個(gè)大中型水利水電工程應(yīng)用實(shí)踐，標(biāo)志著附加質(zhì)量法從方法原理研究及零星試驗(yàn)性應(yīng)用階段進(jìn)入了大型工程大規(guī)模、系統(tǒng)應(yīng)用的新階段。在清江水布埡水電站、瀾滄江糯扎渡水電站、瀾滄江苗尾水電站、大渡河猴子巖水電站、湖北溇水江坪河水電站、重慶觀景口水庫(kù)、巴基斯坦卡洛特水電站、雅礱江兩河口水電站、西藏拉洛水利樞紐、四川鍋浪蹺水電站、浙江長(zhǎng)龍山抽水蓄能電站等工程進(jìn)行了成功應(yīng)用(表6)，目前正在應(yīng)用于江蘇句容抽水蓄能電站、大渡河雙江口水電站、青?，敔枔跛娬镜榷鄠€(gè)大型水利水電工程中，解決了大壩工程填筑質(zhì)量和進(jìn)度的矛盾，提高了工程建設(shè)質(zhì)量，縮短工程建設(shè)周期，降低工程建設(shè)成本，保證了大壩工程質(zhì)量，為消除工程隱患、確保工程長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。此外，該技術(shù)成果還可推廣應(yīng)用于公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)、堤渠等堆石路基﹑堆石圍堤等各類堆石體建筑工程[17-21]。

表6 工程應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

4.2 工程應(yīng)用特點(diǎn)

4.2.1 分布范圍廣、工程類型多

研究成果應(yīng)用于清江、瀾滄江、雅礱江、大渡河，西藏和巴基斯坦等國(guó)內(nèi)外的工程。工程類型有水電、抽水蓄能電站、水利和機(jī)場(chǎng)等，水電工程有黏土心墻堆石壩、礫石土心墻堆石壩、瀝青心墻堆石壩和面板堆石壩。典型工程有已建最高心墻堆石壩(糯扎渡)和在建最高心墻堆石壩(雙江口)、已建最高面板堆石壩(水布埡)和三項(xiàng)世界第一的句容抽水蓄能電站(分別是第一大庫(kù)盆、第一高瀝青混凝土面板堆石壩、第一大填筑規(guī)模的抽水蓄能電站)。

4.2.2 填筑方量大、數(shù)據(jù)量豐富

研究成果成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外13個(gè)水電工程及1個(gè)公路工程，電站裝機(jī)容量已達(dá)2 060萬(wàn)kW(相當(dāng)于三峽工程)，填筑方量達(dá)21 864萬(wàn)m3(如按1 m高、1 m寬堆石料可繞地球半圈)，檢測(cè)測(cè)點(diǎn)達(dá)105 615個(gè)(數(shù)據(jù)量豐富)。

4.3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過(guò)收集整理卡洛特、糯扎渡、苗尾、猴子巖、兩河口、江坪河、拉洛、鍋浪蹺、觀景口、句容和長(zhǎng)龍山11個(gè)水利水電項(xiàng)目4 509個(gè)附加質(zhì)量法與坑測(cè)法的對(duì)比數(shù)據(jù)(表7)，統(tǒng)計(jì)得出，兩者相對(duì)誤差范圍小于1 %的數(shù)據(jù)為2 312個(gè)、占樣本總數(shù)的比例為51.5 %；兩者相對(duì)誤差范圍大于1 %和小于2 %的數(shù)據(jù)為1 549個(gè)、占樣本總數(shù)的比例為34.4 %；兩者相對(duì)誤差范圍大于2 %和小于3 %的數(shù)據(jù)為385個(gè)、占樣本總數(shù)的比例為8.5 %；兩者相對(duì)誤差范圍大于3 %和小于4 %的數(shù)據(jù)為167個(gè)、占樣本總數(shù)的比例為3.7 %；兩者相對(duì)誤差范圍大于4 %和小于5 %的數(shù)據(jù)為30個(gè)、占樣本總數(shù)的比例為0.7 %；兩者相對(duì)誤差范圍大于5 %的數(shù)據(jù)為57個(gè)、占樣本總數(shù)的比例為1.3 %。平均誤差小于2 %的樣本占樣本總數(shù)的85.9 %，平均誤差小于5 %的樣本占樣本總數(shù)的98.7 %。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示附加質(zhì)量法是應(yīng)用于堆石體碾壓質(zhì)量控制的有效方法(圖18)。

圖18 附加質(zhì)量法與坑測(cè)法對(duì)比統(tǒng)計(jì)Fig.18 Comparative statistics of additional mass method and pit survey method

筑壩堆石體碾壓施工過(guò)程中，大量通過(guò)附加質(zhì)量法快速、實(shí)時(shí)地測(cè)定堆石體碾壓密度，既實(shí)現(xiàn)了填筑質(zhì)量過(guò)程控制，同時(shí)對(duì)大壩堆石體密度指標(biāo)進(jìn)行了全方位系統(tǒng)記錄，達(dá)到了全面控制筑壩堆石體填筑質(zhì)量的目的。同時(shí)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)過(guò)程中大量坑測(cè)法與附加質(zhì)量法測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，證明了測(cè)試誤差完全滿足現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制的需要，可大幅提高檢測(cè)抽樣密度和檢測(cè)速度，對(duì)控制施工填筑質(zhì)量和加快填筑進(jìn)度有重要意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)圍繞解決土石壩建設(shè)質(zhì)量與工程進(jìn)度的矛盾，持續(xù)性開(kāi)展堆石體密度附加質(zhì)量法檢測(cè)技術(shù)與裝備研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外重大水利水電工程建設(shè)開(kāi)展應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，解決了筑壩堆石體密度快速無(wú)損檢測(cè)這一工程技術(shù)難題，為保障大壩工程建設(shè)安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。實(shí)現(xiàn)了堆石體密度檢測(cè)由粗糙、低效、有損向精細(xì)、高效、無(wú)損的飛躍，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外土石壩質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的空白，引領(lǐng)土石壩質(zhì)量檢測(cè)進(jìn)入數(shù)字化、智能化時(shí)代。研究成果成功地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外14座特大型、大型水利、水電工程大壩填筑施工質(zhì)量控制中，成果還推廣應(yīng)用于公路工程，涉及六大流域四種壩型，為土石壩工程建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度保障提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益和廣闊的應(yīng)用前景。