(長江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司,湖北 武漢 430010)

附加質(zhì)量法在高寒地區(qū)水電站的應(yīng)用效果分析

馬其

(長江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司,湖北 武漢 430010)

介紹了附加質(zhì)量法測(cè)定大壩堆石體密度的基本原理，并結(jié)合某水電站心墻堆石壩堆石體密度碾壓試驗(yàn)的實(shí)例，分析了常溫和低溫下的測(cè)試參數(shù)，對(duì)該方法的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該方法不僅具有無損、原位、快速等優(yōu)點(diǎn)，而且可適用于不同粒徑和級(jí)配的堆石體，適用于低溫條件下的堆石體填筑檢測(cè)。附加質(zhì)量法檢測(cè)與坑測(cè)法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，總體平均相對(duì)誤差為1.63%，滿足規(guī)程要求。附加質(zhì)量法可為大壩填筑質(zhì)量的改善提供有力支撐。

附加質(zhì)量法；堆石體密度；大壩澆筑； 低溫測(cè)試

1 研究背景

工程中用于測(cè)定堆石體密度的方法有直接法和間接法兩類[1-3]。其中，直接法主要為坑測(cè)法，通過挖坑、取樣、稱重、量體積得到堆石體密度的一系列參數(shù)，準(zhǔn)確可靠。然而坑測(cè)法具有破壞性，且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低、耗資大，并且由于數(shù)量相對(duì)較少，只能反映大壩的局部填筑質(zhì)量。間接法包括壓實(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、核子密度儀法及附加質(zhì)量法等[4-5]，其中，前5種方法只能定性評(píng)價(jià)堆石體的壓實(shí)程度；面波法雖然速度較快但準(zhǔn)確性差，因此目前不能有效解決測(cè)定堆石體密度問題；核子密度儀法具有放射源，因此在運(yùn)輸、存放、使用上需要有嚴(yán)格的管理措施，而且在測(cè)量較深的位置時(shí)需要耗時(shí)打孔將放射源放入，在不均勻介質(zhì)中的測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差，所以在堆石體上的測(cè)量具有很大局限性[6-7]。為了解決這一技術(shù)難題，各界技術(shù)人員進(jìn)行了大量的科學(xué)研究和試驗(yàn)工作，開發(fā)了一些檢測(cè)堆石體密度的方法。附加質(zhì)量法就是近年來新興的一種實(shí)時(shí)控制堆石體密度測(cè)定的方法,該方法具有無損、原位、快速等特點(diǎn)，適用于不同粒徑不同厚度的堆石體[8-9]。

某水電站大壩高295 m，心墻堆石壩壩體的填筑質(zhì)量是關(guān)系到整個(gè)工程成敗的最關(guān)鍵因素，尤其是對(duì)于300 m級(jí)高的堆石壩，而且還面臨夏季多雨和冬季寒冷等氣候條件。因此，大壩填筑應(yīng)該要求更高、控制更嚴(yán)格，快速、可靠的檢測(cè)才能客觀公正的評(píng)價(jià)大壩填筑質(zhì)量。為了確定大壩填筑合適的施工參數(shù)，同時(shí)驗(yàn)證附加質(zhì)量法是否適用于低溫環(huán)境下的填筑質(zhì)量檢測(cè)，在前期開展了相關(guān)碾壓試驗(yàn)。

2 附加質(zhì)量法原理

附加質(zhì)量法是將一定面積以下的堆石體等效為單自由度線性彈性體系的一種方法，理想的單自由度線性振動(dòng)體系如圖1所示。完全彈性體的彈簧一端固定，另一端連接質(zhì)點(diǎn)m。依據(jù)單自由度彈簧體系振動(dòng)理論, 其振動(dòng)方程和剛度如下:

md2Z/dt2+KZ=0(K=mω2)

(1)

式中，Z為振動(dòng)位移函數(shù)；t為振動(dòng)時(shí)間；ω為體系振動(dòng)圓頻率；K為體系動(dòng)剛度；m為參振質(zhì)量。

然而，在現(xiàn)實(shí)中，任何理想模型都會(huì)和實(shí)際有所偏差。通常的解決辦法是構(gòu)造一個(gè)接近理想模型的數(shù)學(xué)抽象模型，然后通過增加接近實(shí)際的邊界條件進(jìn)行求解。因此，將附加質(zhì)量壓板等效為1根彈簧，其與理想模型的差別在于彈簧體。理想模型彈簧體沒有質(zhì)量和體積，而彈性堆石體具有質(zhì)量和體積。為了解決這個(gè)問題，將振動(dòng)單子改成1個(gè)可隨時(shí)改變的等差質(zhì)量體——附加質(zhì)量Δm，如圖2所示，測(cè)出各級(jí)質(zhì)量下所對(duì)應(yīng)體系的垂向自振頻率f，根據(jù)f與Δm的關(guān)系, 即可求得壓板下的動(dòng)剛度K以及參振質(zhì)量m0。由圖2可知：

圖1 理論模型

填料名稱料源動(dòng)剛度K/(MN·m-1)參振質(zhì)量m0/kg參振體積V0/dm3范圍平均值范圍平均值參振體積平均值料場(chǎng)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過渡料料場(chǎng)用料68.1^129.893.1235^635379100^265159

m=m0+Δm，K=(m0+Δm)ω2

(2)

式中,m0為堆石體參振質(zhì)量；Δm為附加質(zhì)量塊質(zhì)量。

圖2 構(gòu)造數(shù)學(xué)模型

由式(2)可知，如果在堆石體上附加一個(gè)質(zhì)量Δm1，就可以得到ω1，這樣方程中的K和m0依舊未知。如果再加一個(gè)不同的質(zhì)量Δm2，再得到ω2，就可求得唯一解。為了提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常是附加多個(gè)質(zhì)量：Δm1，Δm2，Δm3，…，Δmn，得到對(duì)應(yīng)的ω1，ω2，ω3，…，ωn，作出(ω-2-Δm)曲線，其反斜率即為動(dòng)剛度K，曲線在Δm軸上的反截距即為堆石體的參振質(zhì)量m0。如圖3所示。

圖3 (ω-2-Δm)曲線解析

在求取動(dòng)剛度K和參振質(zhì)量m0之后，可基于率定系數(shù)法、相關(guān)法等求取堆石體的密度，目前常采用的方法是數(shù)字量板法。

3 應(yīng)用研究成果分析

3.1 附加質(zhì)量法測(cè)試參數(shù)與壩料特性關(guān)系

某水電站堆石料分為堆石Ⅰ區(qū)、堆石Ⅱ區(qū)和堆石Ⅲ區(qū)，均為砂板巖，其中堆石Ⅰ區(qū)為微新石料，堆石Ⅱ區(qū)為弱風(fēng)化下段石料，堆石Ⅲ區(qū)為弱下風(fēng)化、弱卸荷～微新砂板巖。碾壓試驗(yàn)期間所采用堆石料及過渡料料源主要為料場(chǎng)用料，部分采用回采料(砂巖含量較高)和洞渣料(板巖含量較高)，均為堆石Ⅲ區(qū)料，碾壓試驗(yàn)期間未采用堆石Ⅰ區(qū)和堆石Ⅱ區(qū)料。

通過一定量附加質(zhì)量法測(cè)試，最終得到不同料源的附加質(zhì)量法測(cè)試參數(shù)，某水電站不同料源測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

通過分析得知，由于堆石料所用料源均為砂板巖，故動(dòng)剛度K和參振質(zhì)量m0差別較小。由于級(jí)配不同，過渡料與堆石料動(dòng)剛度相比較小，但也體現(xiàn)了相同巖性在附加質(zhì)量法測(cè)試上的一致性。

3.2 冬季低溫對(duì)附加質(zhì)量法測(cè)試的影響

某水電站石料碾壓試驗(yàn)主要分為3個(gè)時(shí)段：2013年9～10月的堆石料碾壓試驗(yàn)，2013年12月底到次年1月初的沖擊碾和堆石料復(fù)核碾壓試驗(yàn)以及2014年4月份的過渡料碾壓試驗(yàn)。其中，堆石料和過渡料碾壓試驗(yàn)時(shí)的氣溫約為10～15℃，屬于正常氣溫，沖擊碾和堆石料復(fù)核碾壓試驗(yàn)時(shí)的氣溫約為-10～5℃，屬于低溫。堆石料和沖擊碾的碾壓試驗(yàn)堆石體厚度為80～120 cm，過渡料碾壓試驗(yàn)的堆石體厚度為40～50 cm，不同氣溫下測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 不同氣溫下附加質(zhì)量法測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 低溫下附加質(zhì)量法測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

同時(shí)對(duì)單個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，為了體現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的代表性，需要盡量選擇同一時(shí)段不同參數(shù)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較，故最終選擇了2014年1月2日上午對(duì)沖擊碾測(cè)試的3種料源各1個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，上午氣溫為-10～-6℃，同時(shí)選擇了1月2日下午對(duì)堆石料復(fù)核場(chǎng)測(cè)試的1個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，下午氣溫為2～5℃。表3和圖4～7為LC100n20-2測(cè)點(diǎn)、DC120n15-2測(cè)點(diǎn)、WC100n25-3測(cè)點(diǎn)和sfd6-80n10-8測(cè)點(diǎn)在低溫時(shí)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)和頻譜圖(注：sfd6表示堆石料復(fù)核場(chǎng)，LC、DC、WC表示沖擊碾料場(chǎng)用料、回采料、洞渣料，80，100，120表示鋪料厚度，單位為cm，n加數(shù)字表示碾壓遍數(shù)，最后數(shù)字表示測(cè)點(diǎn)編號(hào)，為每一單元中隨機(jī)抽選)。

圖4 LC100n20-2測(cè)點(diǎn)測(cè)試頻譜

圖5 DC120n15-2測(cè)點(diǎn)測(cè)試頻譜

圖6 WC100n25-3測(cè)點(diǎn)測(cè)試頻譜

圖7 sfd6-80n10-8測(cè)點(diǎn)測(cè)試頻譜

通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，低溫下的動(dòng)剛度和參振質(zhì)量平均值都只是略高于正常氣溫下的動(dòng)剛度和參振質(zhì)量平均值，正常氣溫下的動(dòng)剛度和參振質(zhì)量波動(dòng)較大，這也是由于堆石料內(nèi)部的不均勻性引起的；通過單個(gè)測(cè)點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試信號(hào)良好、主頻清晰、頻差合理，測(cè)試的結(jié)果與坑測(cè)值對(duì)比相符合。說明低溫對(duì)堆石料附加質(zhì)量法檢測(cè)的準(zhǔn)確性并未造成影響，并且在低溫下附加質(zhì)量法對(duì)堆石料的有效測(cè)試深度仍為80～120 cm左右，與常溫下基本相同。

3.3 結(jié)果驗(yàn)證對(duì)比分析

為了驗(yàn)證附加質(zhì)量法測(cè)試結(jié)果的可靠性，復(fù)核階段在坑測(cè)法未出結(jié)果前先提交附加質(zhì)量法測(cè)試結(jié)果，分析如下：

(1) 在堆石料對(duì)比的9個(gè)測(cè)點(diǎn)中，附加質(zhì)量法測(cè)試與坑測(cè)法結(jié)果相對(duì)誤差在3%以內(nèi)的有8個(gè)點(diǎn)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的88.9%；在3%～5%之間沒有點(diǎn)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的0%；大于5%的有1個(gè)點(diǎn)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的11.1%，總體平均相對(duì)誤差為1.45%。

(2) 在過渡料對(duì)比的18個(gè)測(cè)點(diǎn)中，附加質(zhì)量法測(cè)試與坑測(cè)法結(jié)果相對(duì)誤差在3%以內(nèi)的有15個(gè)點(diǎn)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的83.3%；在3%～5%之間的有1個(gè)點(diǎn)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的5.6%；大于5%的有2個(gè)點(diǎn)，占測(cè)點(diǎn)總數(shù)的11.1%，總體平均相對(duì)誤差為1.72%。

從分析來看，復(fù)核階段附加質(zhì)量法測(cè)試與坑測(cè)法結(jié)果中，堆石料和過渡料平均誤差均小于2%，總體平均誤差為1.63%，滿足規(guī)程要求，結(jié)果可信。

4 結(jié) 論

(1) 通過對(duì)堆石料及過渡料的碾壓試驗(yàn)對(duì)比檢測(cè)分析，獲得了堆石料和過渡料的碾壓試驗(yàn)附加質(zhì)量法測(cè)試成果，測(cè)試成果與實(shí)際的坑測(cè)成果比對(duì)，誤差在可控范圍內(nèi)，說明結(jié)果可信、可靠。同時(shí)，在同一工況下，不同的測(cè)點(diǎn)測(cè)試的參數(shù)值有一定差別，說明碾壓試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)性較大，填料存在一定的不均勻性。

(2) 針對(duì)某水電站夏季多雨及冬季寒冷的特點(diǎn)，通過采用附加質(zhì)量法檢測(cè)進(jìn)行堆石體碾壓密度分析，從相關(guān)試驗(yàn)中可看出：對(duì)于堆石料及過渡料，在冬季低溫情況下采用附加質(zhì)量法進(jìn)行堆石體密度檢測(cè)并無很大影響，附加質(zhì)量法檢測(cè)完全適用于冬季低溫下大壩堆石料和過渡料的填筑質(zhì)量檢測(cè)工作。

(3) 本次試驗(yàn)通過對(duì)不同情況下堆石體碾壓情況進(jìn)行測(cè)量，獲得了大量堆石體內(nèi)部質(zhì)量信息，為改善堆石體大壩的碾壓施工參數(shù)提供了有力支撐。隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，附加質(zhì)量法將會(huì)成為控制大壩碾壓施工質(zhì)量的有效依據(jù)，能夠科學(xué)合理地指導(dǎo)大壩施工，改善大壩乃至路基等需要壓實(shí)部位的填筑質(zhì)量。

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2017-09-18

馬 其，長江地球物理探測(cè)(武漢)有限公司，助理工程師.

1006-0081(2017)12-0053-04

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(編輯：李慧)