(长江地球物理探测(武汉)有限公司,湖北 武汉 430010)

附加质量法在高寒地区水电站的应用效果分析

马其

(长江地球物理探测(武汉)有限公司,湖北 武汉 430010)

介绍了附加质量法测定大坝堆石体密度的基本原理，并结合某水电站心墙堆石坝堆石体密度碾压试验的实例，分析了常温和低温下的测试参数，对该方法的应用效果进行了分析和评价。结果表明，该方法不仅具有无损、原位、快速等优点，而且可适用于不同粒径和级配的堆石体，适用于低温条件下的堆石体填筑检测。附加质量法检测与坑测法试验结果对比表明，总体平均相对误差为1.63%，满足规程要求。附加质量法可为大坝填筑质量的改善提供有力支撑。

附加质量法；堆石体密度；大坝浇筑； 低温测试

1 研究背景

工程中用于测定堆石体密度的方法有直接法和间接法两类[1-3]。其中，直接法主要为坑测法，通过挖坑、取样、称重、量体积得到堆石体密度的一系列参数，准确可靠。然而坑测法具有破坏性，且费时、费力、效率低、耗资大，并且由于数量相对较少，只能反映大坝的局部填筑质量。间接法包括压实沉降观测法、振动碾装加速度计法、控制碾压参数法、静弹模法、动弹模法、面波法、核子密度仪法及附加质量法等[4-5]，其中，前5种方法只能定性评价堆石体的压实程度；面波法虽然速度较快但准确性差，因此目前不能有效解决测定堆石体密度问题；核子密度仪法具有放射源，因此在运输、存放、使用上需要有严格的管理措施，而且在测量较深的位置时需要耗时打孔将放射源放入，在不均匀介质中的测量结果会出现偏差，所以在堆石体上的测量具有很大局限性[6-7]。为了解决这一技术难题，各界技术人员进行了大量的科学研究和试验工作，开发了一些检测堆石体密度的方法。附加质量法就是近年来新兴的一种实时控制堆石体密度测定的方法,该方法具有无损、原位、快速等特点，适用于不同粒径不同厚度的堆石体[8-9]。

某水电站大坝高295 m，心墙堆石坝坝体的填筑质量是关系到整个工程成败的最关键因素，尤其是对于300 m级高的堆石坝，而且还面临夏季多雨和冬季寒冷等气候条件。因此，大坝填筑应该要求更高、控制更严格，快速、可靠的检测才能客观公正的评价大坝填筑质量。为了确定大坝填筑合适的施工参数，同时验证附加质量法是否适用于低温环境下的填筑质量检测，在前期开展了相关碾压试验。

2 附加质量法原理

附加质量法是将一定面积以下的堆石体等效为单自由度线性弹性体系的一种方法，理想的单自由度线性振动体系如图1所示。完全弹性体的弹簧一端固定，另一端连接质点m。依据单自由度弹簧体系振动理论, 其振动方程和刚度如下:

md2Z/dt2+KZ=0(K=mω2)

(1)

式中，Z为振动位移函数；t为振动时间；ω为体系振动圆频率；K为体系动刚度；m为参振质量。

然而，在现实中，任何理想模型都会和实际有所偏差。通常的解决办法是构造一个接近理想模型的数学抽象模型，然后通过增加接近实际的边界条件进行求解。因此，将附加质量压板等效为1根弹簧，其与理想模型的差别在于弹簧体。理想模型弹簧体没有质量和体积，而弹性堆石体具有质量和体积。为了解决这个问题，将振动单子改成1个可随时改变的等差质量体——附加质量Δm，如图2所示，测出各级质量下所对应体系的垂向自振频率f，根据f与Δm的关系, 即可求得压板下的动刚度K以及参振质量m0。由图2可知：

图1 理论模型

填料名称料源动刚度K/(MN·m-1)参振质量m0/kg参振体积V0/dm3范围平均值范围平均值参振体积平均值料场用料61.4^258.7107.5110^89831550^399140堆石料回采料78.0^167.3102.2235^439327103^190144洞渣料78.8^171.4106.0218^55934997^239153过渡料料场用料68.1^129.893.1235^635379100^265159

m=m0+Δm，K=(m0+Δm)ω2

(2)

式中,m0为堆石体参振质量；Δm为附加质量块质量。

图2 构造数学模型

由式(2)可知，如果在堆石体上附加一个质量Δm1，就可以得到ω1，这样方程中的K和m0依旧未知。如果再加一个不同的质量Δm2，再得到ω2，就可求得唯一解。为了提高测试结果的准确性，通常是附加多个质量：Δm1，Δm2，Δm3，…，Δmn，得到对应的ω1，ω2，ω3，…，ωn，作出(ω-2-Δm)曲线，其反斜率即为动刚度K，曲线在Δm轴上的反截距即为堆石体的参振质量m0。如图3所示。

图3 (ω-2-Δm)曲线解析

在求取动刚度K和参振质量m0之后，可基于率定系数法、相关法等求取堆石体的密度，目前常采用的方法是数字量板法。

3 应用研究成果分析

3.1 附加质量法测试参数与坝料特性关系

某水电站堆石料分为堆石Ⅰ区、堆石Ⅱ区和堆石Ⅲ区，均为砂板岩，其中堆石Ⅰ区为微新石料，堆石Ⅱ区为弱风化下段石料，堆石Ⅲ区为弱下风化、弱卸荷～微新砂板岩。碾压试验期间所采用堆石料及过渡料料源主要为料场用料，部分采用回采料(砂岩含量较高)和洞渣料(板岩含量较高)，均为堆石Ⅲ区料，碾压试验期间未采用堆石Ⅰ区和堆石Ⅱ区料。

通过一定量附加质量法测试，最终得到不同料源的附加质量法测试参数，某水电站不同料源测试参数统计见表1。

通过分析得知，由于堆石料所用料源均为砂板岩，故动刚度K和参振质量m0差别较小。由于级配不同，过渡料与堆石料动刚度相比较小，但也体现了相同岩性在附加质量法测试上的一致性。

3.2 冬季低温对附加质量法测试的影响

某水电站石料碾压试验主要分为3个时段：2013年9～10月的堆石料碾压试验，2013年12月底到次年1月初的冲击碾和堆石料复核碾压试验以及2014年4月份的过渡料碾压试验。其中，堆石料和过渡料碾压试验时的气温约为10～15℃，属于正常气温，冲击碾和堆石料复核碾压试验时的气温约为-10～5℃，属于低温。堆石料和冲击碾的碾压试验堆石体厚度为80～120 cm，过渡料碾压试验的堆石体厚度为40～50 cm，不同气温下测试参数统计见表2。

表2 不同气温下附加质量法测试参数统计

表3 低温下附加质量法测试结果统计

同时对单个测点进行分析，为了体现测点的代表性，需要尽量选择同一时段不同参数的测点进行比较，故最终选择了2014年1月2日上午对冲击碾测试的3种料源各1个点的检测结果，上午气温为-10～-6℃，同时选择了1月2日下午对堆石料复核场测试的1个点的检测结果，下午气温为2～5℃。表3和图4～7为LC100n20-2测点、DC120n15-2测点、WC100n25-3测点和sfd6-80n10-8测点在低温时测试结果统计和频谱图(注：sfd6表示堆石料复核场，LC、DC、WC表示冲击碾料场用料、回采料、洞渣料，80，100，120表示铺料厚度，单位为cm，n加数字表示碾压遍数，最后数字表示测点编号，为每一单元中随机抽选)。

图4 LC100n20-2测点测试频谱

图5 DC120n15-2测点测试频谱

图6 WC100n25-3测点测试频谱

图7 sfd6-80n10-8测点测试频谱

通过统计分析发现，低温下的动刚度和参振质量平均值都只是略高于正常气温下的动刚度和参振质量平均值，正常气温下的动刚度和参振质量波动较大，这也是由于堆石料内部的不均匀性引起的；通过单个测点分析发现，4个测点的测试信号良好、主频清晰、频差合理，测试的结果与坑测值对比相符合。说明低温对堆石料附加质量法检测的准确性并未造成影响，并且在低温下附加质量法对堆石料的有效测试深度仍为80～120 cm左右，与常温下基本相同。

3.3 结果验证对比分析

为了验证附加质量法测试结果的可靠性，复核阶段在坑测法未出结果前先提交附加质量法测试结果，分析如下：

(1) 在堆石料对比的9个测点中，附加质量法测试与坑测法结果相对误差在3%以内的有8个点，占测点总数的88.9%；在3%～5%之间没有点，占测点总数的0%；大于5%的有1个点，占测点总数的11.1%，总体平均相对误差为1.45%。

(2) 在过渡料对比的18个测点中，附加质量法测试与坑测法结果相对误差在3%以内的有15个点，占测点总数的83.3%；在3%～5%之间的有1个点，占测点总数的5.6%；大于5%的有2个点，占测点总数的11.1%，总体平均相对误差为1.72%。

从分析来看，复核阶段附加质量法测试与坑测法结果中，堆石料和过渡料平均误差均小于2%，总体平均误差为1.63%，满足规程要求，结果可信。

4 结 论

(1) 通过对堆石料及过渡料的碾压试验对比检测分析，获得了堆石料和过渡料的碾压试验附加质量法测试成果，测试成果与实际的坑测成果比对，误差在可控范围内，说明结果可信、可靠。同时，在同一工况下，不同的测点测试的参数值有一定差别，说明碾压试验结果波动性较大，填料存在一定的不均匀性。

(2) 针对某水电站夏季多雨及冬季寒冷的特点，通过采用附加质量法检测进行堆石体碾压密度分析，从相关试验中可看出：对于堆石料及过渡料，在冬季低温情况下采用附加质量法进行堆石体密度检测并无很大影响，附加质量法检测完全适用于冬季低温下大坝堆石料和过渡料的填筑质量检测工作。

(3) 本次试验通过对不同情况下堆石体碾压情况进行测量，获得了大量堆石体内部质量信息，为改善堆石体大坝的碾压施工参数提供了有力支撑。随着这项技术的发展，附加质量法将会成为控制大坝碾压施工质量的有效依据，能够科学合理地指导大坝施工，改善大坝乃至路基等需要压实部位的填筑质量。

[1] 李丕武，郭玉松.略论附加质量法检测堆土密度的三代技术[M]. 郑州：黄河出版社，2007.

[2] 李丕武，郭玉松.堆石体密度测定的动力学参数法研究报告[R]. 郑州：黄河水利委员会，2008.

[3] 李丕武.堆石体密度测定的附加质量法[J].地球物理学报，1999，42(3)：423-427.

[4] 孙继曾，范 吉，陶惠珍，等.堆石坝压实密度快速无损检测新技术[J].水利水电技术，1996，(1)：22-28.

[5] 郭庆国，蒋华安.测原位密度的附加质量法在小浪底工程中的应用与评价[J].水利水电科技进展，1999，19(5)：46-48.

[6] 张智，宋先海.附加质量法在清江水布垭面板堆石坝堆石体密度测定中的应应用[J].水利水电快报，2003，4(5)：15-17.

[7] 蔡加兴，张志杰.附加质量法用于测定大坝堆石体密度应用效果分析与评价[J].长江科学院院报，2008，25(5)：186-190.

[8] 张建清，周正全，蔡加兴，等.附加质量法检测堆石体密度技术及应用评价[J].长江科学院院报，2012，29(8)：45-51.

[9] 沈嗣元，杨佐斌，李小联，等.附加质量法在某水电站大坝填筑质量控制中的应用[C]∥现代堆石坝技术进展：2009——第一届堆石坝国际研讨会论文集， 2009：466-471.

2017-09-18

马 其，长江地球物理探测(武汉)有限公司，助理工程师.

1006-0081(2017)12-0053-04

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(编辑：李慧)