附加质量法在梨园面板堆石坝压实度检测中的应用.pdf

土 石 坝 工 程 施 工 专 辑 _ 附加质 量 法在 梨 园面板 堆 石 坝 压 实度 检测 中的应用 露张维熙 钱 启立 ( 中国人民武装警察部队水电第一总队) 【 摘要】 本文主要介绍了附加质量法的基本原理，结合附加质量法在梨园面板堆石坝填筑料压实度检测方面 的实际应用，说明附加质量法第三代技术可以很好地应用于粒径不超过 8 0 0 ra m 的填筑体压实度检测，在堆石坝 压实度检测方面具有简单、有效、快捷、无损等优点。 【 关键词】 附加质量法坝体压实度检测应用 1 前言 面板堆石坝堆石体压实密度检测 ，长期 以来多用传 统的试坑灌水法 ，该方法原理简单易懂，试验过程直观 明了，但是所用试验设备繁多笨重，并且试验时间长、 工作效率低。2 O世纪 9 O年代首创的附加质量法 ，经过十 多年不断研究改进，已发展至第三代技术。附加质量法 已在小浪底 、水布垭 、糯扎渡等多个大型水电工程 的压 实密度检测方面得到应用，技术 日趋成熟。该方法应用 于梨园水电站面板堆石坝坝料压实密度检测取得了较好 效果 。 2 填筑料特性及设计指标 梨 园水 电站 面板堆 石坝 主要 填 筑料 料 源及 设计 标准 分别见表 1 、表 2 。 表 1 各 分区填筑料料源 分 区 料 源 3 A 砂石加工系统 3 B 工区建筑物 开挖 的弱风化以下正长岩、玄武岩料 ， 灰岩料场开采料 3 D 3 C 冰水堆积物砂卵砾石开挖料 中的粗粒料 表 2 各分区填筑料设计标准 最大粒径 孔隙率 压实干密度 渗透系数 分区 ( ram) ( ) ( g c m ) ( c m s ) 2 2 3 3 A 3 0 0 1 1 0 ( 灰岩料) 2 2 0 3 B 8 0 0 ( 灰岩料) 2 3 0 1 1 0 j ( 正长 岩 、 3 D 8 0 0 玄武岩料) 3 C 8 0 0 2 2 4 1 1 0 0 3 方法技术 附加质 量 法 又 称 为 优 法 ，该 方 法 的 基 本 思路 为 ： 第一，将测点抽象为 “ 质弹体系”振动模型；第二，用 附加质量法测量测点处的地基刚度 K和地基土参振质量 mo ；第三，用体积相关法求解地基填筑体的湿密度 n l， ； 第四，用等体积法求取测点地基填筑体的干密度 ；第 五 ，利用湿密度 和干密度 P d 求解含水率 。 3 1 K、， ， l 0的测量 地基刚度 K和地基参振质量 。 是反映地基物理力 学特性的两个重要参数，因此地基刚度及地基参振质量 的测量是求解地基土密度 ( |0 )的首要环节 。附加质量法 是将一定面积以下 的填筑体等效为单 自由度线性弹性体 系，用附加质量 ( Z M n 。 )的方法求解堆石 ( 土)体 刚度 ( K)及参振质量 ( mo )( 见 图 1 ) 。 7 3 水利水 电施 工 2 0 1 3 第 4期 总第 1 3 9期 mo + n 2 1 D ， 图 1 附加质量 法测试原理 示意 图 为测量 堆石土的 K、 o ，须 在测 点加 上适 当 的刚性 ? n 0 质量体 A m， m称 为振动体 系 的附加质量 。设振动 体系 的位移函数 、加速度函数及振动圆频率分别为 z、z、 ， 体系的振动方程如式 ( 1 ) 、式 ( 2 ) ： m + k z 一 0 ( 1) m 一 + Am K 一 ( mo+ A m) ( 2 ) 从 ( 2 )式 中 可 以看 出 ，如 果 在地 基 上 加 一 级 质 量 m ，可测到一个 ，这样一个方程 中仍有两个未知量 K、r n o ，还是没有 唯一解 ；只有加 两级质 量 A m 、 2 ， 得到两个相应的频率 、 ，方程 ( 2 )才有唯一解 ，如 式( 3 ) 、式( 4 ) 。为 了 消除 测量 误差 ，加上 一 系列 质量 A ml 、A m2 、 ，可以测到相应 的 1 、 2 、 ，作 0 9 2 A m关系曲线，其反斜率即为 K，如式 ( 5 ) ；曲线在 m。 轴 上的截距，即为地基土参振质量 ，如式 ( 6 ) 。 2 2 K 一 ! ( A T n 2 A m1 ) ( 3 ) 7 4 3 50 3 0 0 25 0 g 2 0 0 1 50 1 00 50 2 2 Am2 21 Am 1 2 2 0)1 2 K 一 尘 i ( 4 ) ( 5 ) 慨一 ( 6 ) 其中： mA m2 一A m1 ，幽 一 一 1 。 3 2 填筑体密度 p的反演计算 K、m o测量的最终目的是为了计算填筑体密度P 。根 据 P与 K、T 2 。的 不 同情 况 ，第 三代 技术 提 出 了解 析法 、 相关法和神经 网络法 三种密 度反 演方 法 。此 次试 验采 用 体积相关法求解填筑体密度 P 。所谓 “ 体积相关法” ，即 参振质量 mo 除以坑测密度 p坑 m。 相应的体积 ，并 利用 回归分析 的办 法建立 与 m o关 系。其 中梨园水 电 站大坝 过 渡料( 3 A) 、主堆 石料( 3 B 、3 D) 、次 堆 石 料 ( 3 C )湿 密度 的 m。关系 曲线见 图 2 ，过 渡料 ( 3 A) 、 主堆石料 ( 3 B 、3 D ) 、次堆石料( 3 C)干 密度 的 V o 巩- 关系 曲线见 图 3 。 0 4 31 3 0 9 9 3 = O 9 9 7 ： - 。 | _ 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 mo ( k g ) 图 2 梨园水 电站 3 A、3 3 、3 C 、3 D料 湿密度 的 0 。 散 点 图 35 0 3 00 25 0 g 2 0 0 1 5 0 1 00 5 0 0 1 n4 l 2 r O 9 9 5 9 R z = o 9 9 8 6 。 r r 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 d ( k g ) 图 3 梨园水 电站 3 A、3 B、3 D料干密度的 d散 点图 = = 萋 口 利用 K、砜 以及相应的坑测 密度 选取 一个样 本 ， 只要 样本有 足够的代表性 ( 样 本量足够大，范 围足够 宽) ，就一定能够得到 与 l n o的较佳关 系，利用此关 系，即可准确地计算出密度来。干密度 的求解可利用 和 ma关系求得 ，其中 md为参振质量，mo 为脱水后的参振质量。 4工程实 际应用分 析 根据附加质量原理，施工初期选取具有代表性的过 渡料 ( 3 A)和主堆石料( 3 B 、3 D)进 行 附加质量 法和试 坑灌水法对 比试验，依据试验成果建立相关关系。试验 时选取大坝填筑料 同一部位进行对比，以保证数据的可 靠性 。试验成果见 表 3 。 根据表 3 可以得出，附加质量法相对于试坑灌水法 进行干密度 检 测 的误 差 ，对 于 过 渡料 3 A 最 大值 为 2 8 l ，最小值为 o O 1 ，平均值为 1 0 9 ；对于主 土石坝工程施工专辑 堆石料 ( 3 B 、3 D)最大值为 4 5 2 ，最小值为 0 1 5 ， 平均值 为 1 4 7 。 以上显 示 两 种 方法 相 对 误 差 均小 于 5 ；对细颗粒料应用附加质量法检测干密度 时相对误 差较小 。 大坝施工期 2 0 1 1 年 1 O 月至2 0 1 2 年 1 O月，对梨园水 电站大坝填筑料过渡料 3 A区、主堆石料 3 B区及 3 D区、 次堆 石料 3 C区进行 了附加 质量 法检测 ，共检 测 4 l l 2个 测点。同时采用试坑灌水法检测干密度共检测 3 5 1 个点。 附加质量法检测 内容主要包 括以下两个方面 。 ( 1 ) 采用附加质量法在施工过程中对大坝填筑料进行 干密度的检测，对填筑质量进行实时跟踪检测，控制施 工质量，既确保坝体填筑质量又提高填筑进度。 ( 2 )现场检测后及时反馈检测信息，对不合格部位要 求及时补碾，以达到控制施工质量和指导大坝施工填筑 的 目的 。 附加质量法相关检测成果及试坑灌水法检测成果对 比见表 4 。 表 3 同一部位 附加质 量法与试坑 灌水法试验对 比表 m 坑测结果 相对误差 ( ) 动刚度 K 参振质量 m o 一 湿 序号 填筑料 湿密度 干密度 湿密度 干密度 ( MN m) ( ) ( m0 k ) 湿密度 干密度 ( g c m3 ) ( g c m3 ) ( g c m3 ) ( g c m0 ) 1 1 5 2 2 6 3 9 4 2 O 2 4 2 6 2 3 6 5 2 4 3 5 2 3 6 0 0 3 9 O 2 1 2 1 4 9 8 4 8 9 3 2 6 2 4 2 1 2 3 6 2 2 4 6 1 2 3 7 1 1 6 2 O 3 7 3 1 6 O 9 7 0 0 4 3 5 2 4 2 7 2 3 6 6 2 4 9 6 2 3 9 1 2 7 7 1 0 4 4 9 3 4 2 3 4 2 5 1 2 4 0 9 2 3 5 5 2 3 6 8 2 3 2 4 1 7 4 1 3 5 5 9 1 4 2 9 0 3 1 7 2 4 1 2 2 3 5 7 2 4 7 1 2 4 2 0 2 3 7 2 6 O 6 7 5 1 1 7 4 2 3 2 2 4 0 4 2 3 5 2 2 4 4 8 2 3 8 8 1 7 9 1 _ 5 1 7 8 4 3 7 4 4 4 5 2 4 1 7 2 3 5 9 2 3 7 8 2 3 2 9 1 6 4 1 2 9 8 1 2 5 3 3 8 0 3 O 3 2 4 1 7 2 3 6 0 2 4 2 7 2 3 5 9 0 4 2 0 0 5 9 8 9 3 2 2 1 2 4 7 2 4 0 8 2 3 5 4 2 3 7 6 2 3 3 4 1 3 5 O 8 6 1 0 1 2 3 6 3 2 8 2 6 5 2 4 1 5 2 3 5 8 2 4 7 4 2 4 0 4 2 3 7 1 9 1 l l 8 8 5 2 0 9 2 3 6 2 4 0 7 2 3 5 4 2 3 5 0 2 3 2 3 2 4 1 1 3 5 过渡料 ( 3 A) 1 2 1 2 9 3 3 4 2 2 6 5 2 4 1 5 2 3 5 9 2 3 8 1 2 3 3 7 1 4 2 O 9 6 1 3 1 2 6 7 3 5 9 2 8 3 2 4 1 6 2 3 5 9 2 3 7 4 2 3 2 5 1 7 6 1 4 5 1 4 1 1 9 1 3 4 9 2 9 3 2 4 1 6 2 3 5 9 2 4 8 5 2 4 2 7 2 7 9 2 81 l 5 1 2 5 5 3 9 7 3 1 6 2 4 1 8 2 3 6 0 2 4 0 5 2 3 6 O 0 5 4 0 01 1 6 9 2 2 8 7 3 1 2 2 4 1 2 2 3 5 7 2 3 8 6 2 3 3 7 1 1 1 0 8 8 1 7 9 6 9 2 9 8 3 O 8 2 4 1 3 2 3 5 7 2 3 6 0 2 3 4 0 2 2 5 O 7 3 1 8 1 07 2 1 7 0 1 5 9 2 4 0 3 2 3 5 2 2 4 2 7 2 3 7 9 O 9 9 1 1 5 1 9 7 3 4 1 2 9 1 7 6 2 3 9 9 2 3 4 9 2 4 8 5 2 4 0 5 3 4 6 2 3 5 2 O 1 1 7 2 2 7 5 2 3 5 2 4 1 2 2 3 5 7 2 3 8 4 2 3 4 8 1 1 9 O 3 7 2 1 8 7 5 1 7 5 2 O O 2 4 0 4 2 3 5 2 2 4 1 2 2 3 3 5 0 3 4 0 7 2 2 2 1 2 4 5 7 6 7 6 1 6 2 4 2 9 2 3 6 6 2 4 1 9 2 3 6 7 O 4 2 0 0 4 备注 干密度检测相对误差最大值为 2 8 1 ，最小值为 0 O 1 ，平均值为 1 0 9 7 5 水利水 电施工2 0 1 3 第 4期总 第 1 3 9期 续表 坑 测结 果 相对误 差( ) 动刚度 K 参振质量 m o 2 湿 序号 填筑料 ( MN m) ( k g ) ( r n o k ) 湿密度 干密度 湿密度 干密度 湿密度 于密度 ( g c m0 ) ( g c m3 ) ( g c m3 ) ( g c m3 ) 2 3 8 9 9 3 O 1 3 3 5 2 41 3 2 3 5 7 2 4 7 8 2 4 3 7 2 6 3 3 2 7 2 4 9 5 2 4 9 2 6 2 2 41 O 2 3 5 6 2 5 8 1 2 3 9 1 6 6 3 1 4 6 2 5 7 8 2 7 1 3 4 7 2 4 1 1 2 3 5 6 2 3 2 5 2 2 9 6 3 6 8 2 6 3 2 6 1 0 5 9 2 9 7 2 8 0 2 4 1 3 2 3 5 7 2 4 2 4 2 3 6 1 0 4 6 O 1 5 2 7 1 3 2 7 4 5 4 3 4 2 2 4 2 0 2 3 6 1 2 4 2 3 2 3 5 5 O 1 2 O 2 7 2 8 1 O1 2 1 8 6 1 8 4 2 4 0 5 2 3 5 3 2 4 7 4 2 4 2 1 2 7 8 2 7 9 2 9 1 2 7 9 5 9 6 4 6 6 2 4 2 5 2 3 6 4 2 3 8 6 2 3 5 8 1 6 4 O 2 7 3 0 1 2 7 1 3 6 O 2 8 3 2 4 1 6 2 3 5 9 2 3 8 8 2 3 4 1 1 1 7 O 7 7 主堆石料 ( 3 B、 3 D) 3 1 1 1 9 9 3 7 7 3 1 4 2 4 1 7 2 3 6 0 2 4l 5 2 3 7 3 0 0 6 O 5 4 3 2 9 1 9 3 0 1 3 2 8 2 4 1 3 2 3 5 7 2 3 8 9 2 3 4 5 1 O O O 5 3 3 3 5 5 5 1 4 8 2 6 7 2 4 0 1 2 3 51 2 4 0 8 2 3 6 3 O 2 8 0 5 0 3 4 9 7 3 1 9 3 2 9 2 4 1 4 2 3 5 8 2 3 8 1 2 3 1 1 1 4 O 2 0 2 3 5 1 3 3 1 4 5 8 3 4 4 2 4 2 0 2 3 6 1 2 3 3 4 2 3 0 4 3 7 0 2 4 8 3 6 2 3 4 1 O 7 4 5 7 2 3 9 6 2 3 4 7 2 2 7 2 2 2 4 5 5 4 4 4 5 2 3 7 1 0 9 4 3 1 6 2 8 9 2 4 1 4 2 3 5 8 2 3 5 3 2 3 3 4 2 6 1 1 O 3 3 8 9 2 3 2 4 5 2 6 5 2 4 l O 2 3 5 5 2 3 7 8 2 3 5 0 1 3 4 O 2 1 备注 干密度检测相对误差最大值为 4 5 2 ，最小值为 0 1 5 ，平均值为 1 4 7 表 4 附加质 量法检 测成 果与试坑 灌水法检 测成 果对 比表 附加质量法检测干密度 ( g c ms ) 试坑灌水法检测干密度 ( g c ms ) 检测 附加质量法 区名 检测点数 检测点数 检测精度 ( 个) 最大值 最小值 平均值 标准差 最大值 最小值 平均值 标准差 ( ) ( 个) 3 A 7 3 9 2 5 O 9 2 1 0 7 2 3 4 9 0 0 4 2 2 9 2 4 0 3 2 2 0 0 2 3 5 1 0 0 3 9 9 9 3 B 2 0 0 7 2 4 9 2 2 1 O 7 2 3 5 4 0 0 4 6 4 2 4 3 0 2 2 9 0 2 3 6 7 O O 3 9 9 5 3 D 1 2 7 2 2 4 7 7 2 1 5 9 2 3 5 1 O O 4 4 3 2 4 2 0 2 3 2 1 2 3 6 2 0 O 3 9 9 5 3 C 9 4 2 4 0 2 2 2 1 8 2 2 9 2 0 O 3 1 5 2 3 6 8 2 2 6 2 2 3 0 5 0 0 4 9 9 4 5 结束语 附加质量法在 梨 园水 电 站坝料 填 筑密 实度 检测 方面 的应用说明，每个测点的d o 与 m的相关系数均在0 9 7 以上，表明附加质量法所测 出的 K、；q T 0是准确、可靠 的。附加质量法 回归干密度与坑测法结果相 比，相对误 差均小于 5 ，即各测点密度反演精度均大于 9 5 。每 个测点所需要 时 间为 1 5 2 0 rai n左 右 ，较 传统 的试 坑灌 水法相 比，更为 快捷 方便 。影响 附加 质量 法 的最大 因素 76 为现场碾压遍数 。对于 最大 粒径 不超 过 8 0 0 ram 填 筑料 ， 附加质量法 检 测填 筑 料密 实 度 的效 果 明显 ，具有 准 确 、 快捷 、无损 的特点。 目前附加质量法作 为一 种密 度检 测方 法得 到 了较广 泛的应用，也作为 水利水电工程物探规程S L 3 2 6 一 一 2 0 0 5的一部分进行 了相 关说 明。但附加 质量 法是 以坑测 结果作为标尺，与所测刚度 K、参振质量 m o建立关系的 方法。这种间接测试的方法对尺子本身的精度更为依赖， 故只有 坑 测法 密度 测 准 ，附加 质 量 法 所 测 结 果 才 更 为 准确 。