附加质量法在面板堆石坝填筑质量控制中的应用研究

2022-04-08李克友芦安贵中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司

珠江水运 2022年5期

关键词：堆料堆石标准差

李克友芦安贵中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司

1.引言

堆石体密度是面板堆石坝填筑质量控制的关键因素，在施工过程中对堆石体进行密度检测十分必要。对堆石体进行密度检测传统方法为坑测（灌水或灌砂）法，属于破坏性检测，工作量大、检测时间长、工作效率低、所需成本高。

随着高强度机械化施工技术的推进，填坝速度得以飞速提高。堆石上坝、摊铺、碾压已实现快速流水化作业。运用坑测法等传统方法已越来越无法满足施工进度要求。

近年来，运用不同检测原理的多种方法也应用到检测工作中。如沉降观测法、振动碾压加速度计法、控制碾压参数法、静、动弹模法、面波法、核子密度法等。这些方法的缺点较突出，无法推广使用。

附加质量法是将目标堆石体与附加质量、压板等效为单自由度线性弹簧振动体系，采用附加质量求解得到目标堆石体的参振质量。再通过检测目标体动刚度以及其弹性纵波波长，从而求得目标堆石体干密度。其操作简单，快速地对施工质量进行实时、无损、准确的控制，并适应于不同岩性、粒径的堆石体，可及时发现堆石体内部缺陷，可以满足大坝填筑层间间隙的要求，达到控制碾压施工质量的目的，从而加快工程施工进度。附加质量法具有操作简单、检测速度快捷、被检测粗粒料无损伤等优点，是一项很有发展前景的无损检测技术。

表1 附加质量法与传统方法比较

本文综合运用坑测法和附加质量法，对某抽水蓄能电站大坝填筑进行压实密度检测，取得了较好应用效果。

2.方法原理

附加质量法以振动理论和现代电子技术为基础，通过建立单自由度线弹性振动系统与测试介质振动系统等效的物理模型，即将一定面积以下的粗粒料等效为单自由度线弹性体系，用附加质量的方法求解粗粒料的参振质量；同时，利用集中质量的动能等于承压板下一定深度以内粗粒料连续介质振动动能的积分，从而导出承压板以下粗粒料密度的解析式。

式中，ρ、m、A、V、f、N，依次为测点密度、参振质量、压板面积、介质纵波速度、介质的自振频率、系数。

系数N需要根据挖坑法与附加质量法对比实验求出，其余参数可通过测试得出。

3.工程概况

某抽水蓄能电站枢纽工程主要由上水库、下水库、引水发电系统等部分组成。上、下水库均采用面板堆石坝。

坝体堆石料分区从上游至下游依次为特殊垫层区、垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区。垫层区及过渡区坡比均为 1∶1.4，其水平宽度分别为 3m 和 4m；趾板下游设特殊垫层区。过渡料下侧为主堆石区，上游坡比为 1∶1.4，在主堆石区下游设置下游堆石区，下游堆石区的上游坡比为 1∶0.25，下游坡比为1∶1.4。大坝下游坝坡采用网格梁植草护坡。

采用附加质量法对上、下水库大坝主/次堆石料、过渡料（含接坡料）进行检测。

4.检测准备

检测设备主要包括信号采集仪、质量块、激振锤、拾震器等。要求有足够频率精度的振动信号分析仪，频率精度不低于0.5Hz。

1）选用频带2Hz～2kHz、采样间隔0.05～2ms、增益不低于60db、采样点数不少于1024个的仪器。

2）激振器选用90kg铁块，自由落锤激振。

3）选用速度检波器，其灵敏度优于250mv/cm/s，频带宽度10Hz～120Hz。

4）承压板选用方形，厚度与边长的比不小于0.02 的钢板，承压板边长不宜大于被检测层的厚度的1.5 倍，且不宜小于堆石体最大粒径。

5）附加质量不少于4级，等差质量、质量级差的大小应保证各级的自振频率的变化值大于1Hz。

表2 下库附加质量法率定试验成果表

5.检测步骤

现场检测过程中，按以下步骤操作：

1）根据委托人要求，核实检测点部位，收集相关填筑参数，确定选取前期比对试验所求N值。

2）以检测点为中心，布设速度检波器（测线2条、呈十字交叉、道间距1m），铁锤锤击地面激发地震波，取平均波速为测点波速V。

3）测点铺2cm粗砂，找平。

4）放承压板（承压板为1 m＊1m，则A值为1）。

5）用黄油粘结振动传感器于承压板中心位置。

6）加质量块2块于承压板上。

7）用磁铁吸盘吸附激振锤，手拉葫芦提升吸盘及激振锤至距地面高1.2m，距承压板边水平0.2m处。

8）关闭磁铁吸盘开关，使激振锤自由落下，采集振动波，并求取振动主频。

9）分别加质量块4 块，6 块，8块，10块至承压板上，重复7）、8）操作。

10）在D-Δm曲线坐标系中，延长D-Δm曲线与纵坐标D轴相交，求得m，f。

11）根据公式

计算测点干密度，并作填筑合格与否评判。

6.数据率定

在下库次堆料、过渡料、主堆料各选5测点，进行附加质量法测试（见图1），随后在原点位进行坑测法测试。用坑测法所得密度值对附加质量法进行率定，求取系数N。

图1 附加质量法频率测试波形图

经与坑测法对比，求得次堆料的N值为3.720；过渡料的N值为3.543；主堆料的N值为3.670。

7.成果分析

将所有附加质量法测得数据按照检测时间进行绘制图件，见图2。

图2 附加质量法频率测试成果图

下库主堆料从2019年7月10日开始检测。截至2020年8月31日，下库主堆料共测试61点，干密度平均值为2.16g/cm；标准差为0.03g/cm。

下库次堆料从2019年11月7日开始检测。截至2020年8月31日，下库次堆料共测试51点，干密度平均值为2.14g/cm；标准差为0.03g/cm。

下库过渡料从2019年11月7日开始检测。截至2020年8月31日，下库过渡料共测试59点，干密度平均值为2.19g/cm；标准差为0.01g/cm。

过渡料的密度最大，主堆料次之，次堆料的密度最小。

过渡料密度曲线较主堆料和次堆料的曲线平缓，且分布区间小。说明粒径的均一，更能保证填筑质量。

8.综合分析

为评判附加质量法的准确性，在进行附加质量法的过程中交叉采用坑测法。将坑测法和附加质量法的检测成果进行综合分析。

下库过渡料（附加质量法）从2019年11月7日开始检测。截至2020年8月31日，下库过渡料共测试59点，干密度平均值为2.19g/cm；标准差为0.01g/cm。下库过渡料（坑测法）从2018年9月30日开始检测。截至2020年8月31日，下库过渡料共测试61点，干密度平均值为2.22g/cm；标准差为0.06g/cm。见图3。

图3 下库过渡料附加质量法与坑测法检测展布图

下库主堆料（附加质量法）从2019年7月10日开始检测。截至2020年8月31日，下库主堆料共测试61点，干密度平均值为2.16g/cm；标准差为0.03g/cm。下库主堆料（坑测法）从2018年11月3日开始检测。截至2020年8月31日，下库主堆料共测试56点，干密度平均值为2.17g/cm；标准差为0.07g/cm。见图4。

图4 下库主堆附加质量法与坑测法检测展布图

下库次堆料（附加质量法）从2019年11月7日开始检测。截至2020年8月31日，下库次堆料共测试51点，干密度平均值为2.14g/cm；标准差为0.03g/cm。下库次堆料（坑测法）从2019年1月12日开始检测。截至2020年8月31日，下库次堆料共测试32点，干密度平均值为2.14g/cm；标准差为0.05g/cm。见图5。