附加质量法检测堆石体密度技术及应用评价.docx

doi: 10 3969 / j issn 1001 5485 2012 08 0092012，29( 8) : 45 51附加质量法检测堆石体密度技术及应用评价张建清1 ，周正全2 ，蔡加兴1 ，马圣敏1 ，马其1( 1 长江工程地球物理勘测武汉有限公司，武汉 430010; 2 华能澜沧江水电有限公司，昆明650214)摘要: 为了准确、快速地检测大坝堆石体填筑的堆石体密度，同时实时地控制大坝堆石体施工填筑的质量，从附加质量法测试堆石体密度的基本原理与现场测试方法出发，研究了相关法求取密度、数据采集及处理、质量控制评 价、三维可视化等一套关键技术。同时，独创性地利用 gprs 实现了对工作现场的远程施工质量控制及检测过程的 全程数字化; 实现了堆石体密度检测的快速、精确化，以及施工填筑质量的实时控制。该技术在糯扎渡水电站中进 行了应用，取得了很好的工程效果。关 键 词: 堆石体密度; 附加质量法; 施工质量控制; 应用效果中图分类号: tv223 1文献标志码: a文章编号: 1001 5485( 2012) 08 0045 07堆石体密度原位测定方法8 9。该方法不仅具有快速、准确、实时等特点，而且适用于不同粒径组成的 堆石体，因此，附加质量法测试堆石体密度，给大坝 施工提供了一种十分重要的检测手段。本文针对堆 石坝填筑施工中实时检测堆石体密度的作用和重要 性，介绍了附加质量法测试大坝堆石体密度的基本 原理以及现场测试方法，重点叙述了对该方法关键 技术的研究，并简述了该方法在糯扎渡水电站碾压 试验阶段和大坝填筑阶段的应用效果。研究背景近年来，我国的水利水电工程和基础设施建设 发展迅猛，堆石坝堆石路基堆石围堤等各类堆 石体建筑工程大量涌现。堆石体密度是否符合设计 要求，直接影响到坝体或路基的质量，质量问题严重 时会造成坝体、路基的沉降或破坏。工程中测定堆 石体密度的方法，主要有直接法和间接法 2 类1 3。 其中，直接法主要为坑测法; 间接法有压实沉降观测 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、核子密度法及附加质量法 等4 5。坑测法，即挖坑、称重、量体积，是原始而常 用的方法，测定结果相对准确可靠，但该方法检测效 率低、费时、费力、耗资大且具有破坏性，由于这些局 限性限制了坑测法在大坝填筑质检中大量使用。而 间接法中的前 5 种均不能定量，只能定性地评价堆 石体的压实程度; 面波法由于密度的变化对频散曲 线影响较小，且该方法对1 0 m 以内的表层检测误 差大，因此目前面波法难以解决堆石体密度测定问 题; 核子密度法由于具有放射性，现场要求具有严格 的防护措施，且其检测要求最大粒径不超过 40 mm， 有效深度不超过 200 mm 的小粒径介质，实际应用 具有很大局限性6 7。针对这一工程技术难题，各界技术人员开展了 大量的科学研究和试验工作，并发展了一些检测堆 石体密度的方法。附加质量法是近年来新兴的一种1附加质量法检测技术简介理想的质弹模型振动体系如图 1 所示，其振动 方程和刚度有如下表达式:2mx = kx，式中: x 为振动位移函数; 为体系振动圆频率，k 为体 系动刚度，m 为振子质量。在自 然 界 中，任 何 理 想的模型都不会真 实 存在，通常的解决办法是构造一个比较接近理想模型 的抽象数学模型，然后增m2。( 1)k =图 1 理论模型fig 1 theoretical model加接近实际的边界条件，再进行求解。依据理想质弹模型，将附加质量、压板等效为一 根弹簧( 见图 2 ) ，实际构造的数学模型与理想模型 的差别在于弹簧体上，弹性堆石体是具有质量和体收稿日期: 2012 05 23作者简介: 张建清( 1965 ) ，男，浙江金华人，教授级高级工程师，硕士，主要从事水利水电等领域工程物探检测生产、科研和管理工作， ( 电话) 电子信箱) jqzhangsir vip sina com。长江科学院院报2012 年46积的，而理想质弹模型 弹簧体是没有质量和体 积的，为了解决这个因 素，将 振动单子改成一 个可随时改变的等差质 量 m 体附加质量， 测出各级质量下所对应 体系的垂向自振频率 f， 根据 f 与 m 的关系，即 可求得压板下的参振质力为 f0 cost，则振动方程为.( 6)mx + cx+ kx方程的位移解为= f cost。0= f sin( t ) / ( z)( 7)x。0m于是得到速度和加速度解分别为:.= x = f0 cos( t ) / zm;v.= v = f0 sin( t ) / zm( 8)a。图 2 构造数学模型fig 2 mathematical model由此可得系统的位移主频为= 槡k / m c / ( 2m )22;( 9)x量 m0 ; 然后，令 m0 的振动动能等于压板下介质( 堆石体) 振动动能的积分，即可建立压板下堆石体密 度解析式为系统速度主频为v= 槡k / m;( 10)系统的加速度主频为( 2)= m0 / ah0。=k / m + kc2 / ( 2( m2 k mc2 ) );( 11)a 槡式中: 为测点密度; m0 为参振质量; h0 为等效深度; a 为压板面积。采用附加质量法测定 m0 ，h0 的求解是通过设定 压板以下介质 m0 的动能 t0 等于其薄片动能 dt0的一系统固有频率为0( 12)= 槡k / m。当阻尼系数 c = 0 时，速度主频、加速度主频、位移主频均和系统固有频率 相同; 但当阻尼系数0= 个无穷深度 z 的积分而求得的，即 t0得到结果为dt 0，最后c0时，加速度主频和位移主频与系统固有频率 0是不同的，速度主频与系统固有频率 0 相同。这就是质弹阻模型和质弹模型的区别所在。因此，质弹 阻模型更符合堆石体的实际情况。质弹模型求取堆石体密度的方法是率定系数 法，该方法需要在试验阶段通过大量的测点对附加 质量法和坑测法进行率定，建立各种坝料的不同料 物特性和施工参数的率定系数矩阵。在填筑阶段，则通过建立的率定系数矩阵结合附加质量法测试参 数代入密度计算公式中反算求取测点的密度值。该 方法需要大量的坑测对比点，由于坝料的复杂性和 施工参数的多样性，这种率定的方法往往会导致率 定系数之间产生冲突，并且反算求取附加质量法测 试的密度值只能通过点对点的对应关系。质弹阻模型可采用相关法求取堆石体密度，并 可以建立附加质量法动参数相关等值线图。该方法依据参振质量 m0 与密度 是正相关的，而大量实测资料证明 与动刚度 k 确实有较好的线性关系。因 此，通过回归分析可以建立参振质量 m0 与参振体积 v0 之间的相关方程，再通过建立的相关方程求取测点的密度值。该方法依据一定的试坑法与附加质 量法的同点对比试验，针对料物特性不同的堆石料建立的相关性，逐步扩展的数字模型，使附加质量法测试参数都处于该料所建立的物理模型中，实现了 面对面的对应关系。0= m0 / ( avp /2nf0 )( 3)。式中: n 为率定系数; vp 为介质纵波速度; f0 为附加质量为零时介质的有效频率。对于质弹阻模型.，( 4)mx = kx cx经推导得到密度公式为 = ( 1 ) k /4rv2 ，= 4rg / ( 1 )。( 5)ks式中: g 为基底介质的剪切模量; 为泊松比; r 为基底( 底板) 半径; c 为阻尼系数。现场测试过程为: 在所选的测点上平整场地;铺上 2 cm 左右的细砂以作藕和用，并将质量块平 放在铺平砂土的测点上; 将拾振器粘合在质量块 中央; 将拾振器和电源与仪器正确连接，设置好采 集参数进行信号采集; 提起重锤自由下落于压板 旁堆石体上，工程智能密度仪能自动记录测试信号， 并进行 fft 变换，得到频谱曲线。重复上述步骤， 直到测试 4 至 5 级附加质量相应的振动信号即完成 了一个测点的现场测试工作，完成一个测点的测试 工作大约需要 20 min。3 关键技术研究3 1相关法求取密度3 2数据采集系统针对原有采集仪器存在的问题开发了全新的数讨论质弹阻模型，在受迫振动的情况下，假设外第 8 期张建清 等 附加质量法检测堆石体密度技术及应用评价47据采集系统，该采集系统主要由信号采集、频谱分析、计算结果 3 部分模块组成，它们均通过数据管理 模块进行管理，并且数据管理模块与 3 个模块相互 之间进行数据交换。3 个模块均分成数据处理部分 与窗口图形绘制部分，如信号采集分为信号采集与 绘制、信号窗口绘制，信号采集与绘制主要负责数据 处理，而信号窗口绘制则负责采集信号的绘制。此 外，不同的窗口对应的数据不同，因此，需要坐标转 换模块针对不同的数据调整窗口绘图区域，采集系 统结构如图 3 所示。实现数字化动参数相关等值线图的通用性，建立的附加质量法测试参数与坝料特性相关关系和分 布特征，通过料源之间的线性或者非线性关系，可以 将某一个水电站的成果应用到其他工区，避免了重 复试验，可以推广到其他工程中应用。建立的附加 质量法动参数的相关性模型如图 4，利用等值线图 内插得出体积参数和含水率参数，从而可直接计算 出堆石体的干密度。图 4 附加质量法动参数相关等值线fig 4 contour map of the correlation of dynamic parameters of additional mass method3 4 质量控制评价系统创造性地实现了质量控制评价系统。针对现场 采集数据的质量控制，必定需要实时地传输数据，如 果在完成后传输，就起不到控制的作用了。质量评 价系统是对附加质量法采集数据质量的评价和对大 坝填筑质量的评价，并提供分析功能对数据进行评 定和反馈。系统对时效的要求很高，同时要不影响 采集系统的正常采集工作。系统功能模块见图 5， 控制系统登录界面见图 6。图 3 采集系统结构fig 3 structure of sampling system实现数据采集系统的关键技术有: 虚仪器技术， 声卡编程技术，负延迟技术，缓冲区与信号拼接技术，削波处理技术。实现的数据采集系统能自动识别 2 次采集信号的主频是否一致，消除因不同的操 作员的主观性导致计算结果偏差的影响; 能自动填 表，便于野外快速操作; 采用通用的 seg2 格式，利 用多数的物探处理软件均可打开文件进行处理; 改 进采集系统信号增益大，容易产生削波的问题，避免 采集信号的频率成分丢失; 扩展了分析功能模块，在 附加质量法采集过程中实现强大的分析功能模块。3 3 数据处理系统开发全新的数据处理系统。首先，对信号进行 实时频谱分析或数字带通滤波处理，采用信号频谱 细化技术提高信号频率精度; 其次，改进前期手工 绘制动参数等值线图时存在数据可扩展性不强、误 差大的缺点，实现数字化动参数相关等值线图。实 现了附加质量法的密度相关计算模型的动态化及数 据可扩展; 通过扩充数据实现大量的数据复核，达到 对检测成果的适当修正; 从而提高附加质量法检测 的准确性，减小测试数据的离散性，更能满足精度要 求; 通过测试的 m0 与 k 值，实时求取密度值并确定图 5 质量控制评价系统功能模块fig 5 functional moduli of quality control and assessment system质量控制评价系统建立了一套完整、规范化、标 准化的质量控制信息管理系统，形成了附加质量法测 试堆石体密度的关键技术要求与实现的控制要素，以 及填筑施工质量的评价指标体系与评价方法。实现 附加质量法测试技术的信息化管理，利用 gprs( 通用 分组无线服务技术) 进行数据网络的链接，实现对操对应的数据点在图中的位置关系。长江科学院院报2012 年484 应用效果与评价4 1 工程简介糯扎渡水电站位于云南省普洱市思茅区和澜沧 拉祜族自治县境内，是澜沧江中下游河段规划开发的 第 5 个梯级电站，电站装机容量 5 850 mw。属大( 1) 型一等工程，心墙堆石坝最大坝高261 5 m，国内第 一、世界第三。坝体填筑达 3 432 万 m3 ，心墙填筑达464 万 m3 ，填筑量大是本工程的关键。工期约 65 个 月，坝体填筑施工连续高峰强度达 100 万 m3 / 月，持 续时间长是本工程的特点。堆石坝填筑坝料种类多、 料源分布广、料物特性复杂。针对这个工程特点，采 用附加质量法工作时，先进行试验研究，然后在大坝 填筑阶段，在施工过程中进行全面检测，现场实时跟 踪检测施工质量，及时反馈检测信息，对不合格部位 要求及时补碾，达到控制施工填筑质量的目的10。图 6 控制系统登录界面fig 6 log-in interface of the controlling system 作现场的远程了解和控制，控制大坝填筑质量，监控 附加质量法的采集过程，保证采集质量。3 5 三维可视化研究3 5 1 建立三维数据模型 附加质量法检测点均匀分布在每层堆石体上，每层堆石体的高度一致，但检测点在上层堆石体与下层 堆石体垂直层面上不对应，因此，利用附加质量法检 测点的原始信息不能简单的三维可视化。通过分析 后，采取三维均匀网格方式来建立附加质量法检测点 的空间信息以及检测干密度值的三维数据模型。由于原始检测数据存在的三维空间不均匀性，因 此，需要采取插值方式，实现三维网格均匀化，同时， 根据图形分辨率的要求，调整在 x，y，z 方向上的网格 数量。3 5 2 三维可视化利用附加质量法检测堆石体密度数据，实现了 三维成图、切片、旋转等功能，可进行堆石体密度的 分层浏览，纵向浏览，从不同角度了解大坝堆石体的 密度情况是否均匀，密度是否符合大坝填筑质 量要求，从而从整体上对大坝质量做出评估。碾压试验阶段成果4 24 2 1 附加质量法测试参数与坝料特性关系不同坝料的附加质量法测试参数有一定规律 性。由于不同坝料具有物理力学性质的差异，因而 附加质量法测试参数分布区间不同，各坝料测试参 数统计表见表 1。表 1 各坝料附加质量法测试参数统计table 1statistics of parameters of dam materials参振质量 m /参振体积 v /动刚度 k /( knmm 1 )00m3kg填料名称范围平均值范围平均值范围平均值火烧寨沟235 3 1 523 2 8650 97 1 25259 42 1991 07坝料 302 2勘界河存料 292 6 场坝料 330 22 236 2 8501 11 1 25314 12 5491 19火烧寨沟堆 278 3 存坝料 321 82 081 2 6931 08 1 24296 92 3561 154 2 2附加质量法测试参数与坝料颗粒级配的关系同一坝料颗粒级配不同，其物理力学性质也有差异性，附加质量法测试参数与坝料颗粒级配也有 一定的对应关系。坝料的颗粒级配均匀，附加质量 法测试参数的波动性小、一致性也好; 坝料的颗粒级 配不均匀，附加质量法测试参数的波动性较大、一致 性也差些。风化花岗岩坝料碾压后挖坑实测的 27 组颗 分曲线中，有 12 组基本在设计包络线内，另有 15 组 部分颗粒含量超出设计上包线，说明部分坝料偏细。 曲率系数大多数在 1 3，不均匀系数多在 25 以上，图 7 大坝堆石体密度的三维图fig 7 three-dimensional diagram of the rockfilldensity of the dam第 8 期张建清 等 附加质量法检测堆石体密度技术及应用评价49但级配基本满足设计要求，颗粒级配曲线见图 8，风化花岗岩坝料附加质量法测试参数与坝料颗粒级 配关系数据统计分析见表 2。结果没有出来前就已提交的，坑测法和附加质量法成果对比统计表见表 3。从后期得到的坑测结果对比 来看，附加质量法测试成果与实际的坑测成果相符， 从而客观地反映了试验成果的可靠性和真实性。4 3 大坝填筑阶段质量控制在大坝施工填筑阶段为全面检测阶段，该阶段 对填筑验收单元跟踪检测，检测时逐层分单元进行。 附加质量法测试部位由现场监理工程师指定或由检 测人员随机选取，检测数量采取按单元面积进行测 点数控制的方法，粗堆石料按单元面积 2 000 m2 一 个测点进行测点数控 制，细堆石料按单元面积 500 m2 一个测点进行测点数控制，但至少保证每个 单元布置 2 个测点。在施工填筑过程中，当一个单 元验仓完毕就进行现场检测，现场提交成果单及时 反馈检测信息，对检测不合格的部位要求及时进行 补碾，补碾后用坑测法或附加质量法进行复测，复测 合格后才允许上一层填筑。检测时对填筑验收单元跟踪检测，具体检测部 位由监理通知检测单位，现场检测人员严格按规程 及合同要求进行检测，确保原始资料质量，并及时填 写完整的报告。2009 年 4 月 29 日至 2012 年 12 月 20 日对心墙 堆石坝工程的坝体 i 区粗堆石料、坝体 区粗堆石 料、细堆石料 3 个分部工程堆石体密度进行了附加 质量法检测，检测成果统计分析见表 4。本阶段共进行了 249 个测点的坑测法和附加质 量法检测成果比对分析，附加质量法测试结果与坑 测值相比的吻 合 率 为93 5% ，二者测试合格的有 91 1% ，对比统计见表 5。图 8 坝料( 风化花岗岩料) 碾压试验后颗粒级配图fig 8grain gradation of dam material ( weathering granites) after rolling compaction test表 2 坝料测试参数与级配数据统计分析table 2 statistics of the test parameters and grain gradation of dam material 参振质量m0 / kg参振体积v0 / m3动刚度 k /( knmm 1 )测点测试值最大值304 7279 8296 15 712 5292 1012 359991 181 081 150 023符合 1，2，3，4，5，6，设计 8，9，11，14，最小值 级配 16，22，23，24，平均值测点 27标准差最大值321 8285 7300 610 772 6932 1602 3971721 251 111 160 043不符合设 7，10，12，13，最小值计级 15，17，18，19， 配测 20，21，25，26点平均值标准差4 2 3测试的密度值和坑测值对比分析在验证阶段，附加质量法测试的成果都是在坑测表 3 验证阶段坑测法与附加质量法成果对比统计comparison of the results from additional mass method and pit checking method in verification stagetable 3桩号及高程 / m密度 / ( gcm 3 )差值 /( gcm 3 )相对误 差 / %工程部位试坑编号桩号中心距高程坑测法附加质量法i 043i 044i 045i 048i 049i 0500 + 85 4690 + 75 3890 + 69 9710 + 61 7780 + 57 1470 + 47 795 93 217 93 941 85 106 77 954 72 943 70 5426066096116206236262 172 172 232 132 212 242 202 182 202 162 142 110 030 01 0 030 03 0 07 0 131 380 461 351 413 175 80上游围堰坝料堪 031堪 032堪 033zx k 08 412 212 172 172 192 202 212 222 22 0 010 040 050 030 451 842 301 37碾压试验堪界合坝料复核长江科学院院报2012 年50表 4 检测成果统计分析results of the dry density measurementthe 2008 international conference on information manage-ment，innovation management and industrial engineer- ing washington dc， usa: ieee computer society，2008: 52 55pain h j the physics of vibration and wavesmtable 4检测干密度 / ( gcm 3 )分部工 程名称检测 单元数检测 点数工程部位最大值最小值平均值上游 坝壳区下游 坝壳区22022 0582 251 952 109坝体区 堆石料london: john wiley sons，ltd，20051889942 252 042 1143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 ( sun ji-zeng，fan ji，tao hui-zhen，et al the new technology of measuring compacted density of rockfill quickly and unbrokenlyj water resources and hy- dropower engineering，1996，( 1 ) : 22 28 ( in chi- nese) )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 ( li pi-wu the den- sity measurement of rockfill object by additive mass method j chinese journal of geophysics，1999，42( 3) : 423 427 ( in chinese) )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 ( guo qing-guo，jiang hua-an ap- plication and evaluation of additional mass method for testing in situ density in xiaolangdi projectj ad- vances in science and technology of water resources，1999，19( 5) : 46 48 ( in chinese) )蔡加兴，张志杰 附加质量法用于测定大坝堆石体密 度应用与评价j 长江科学院院报，2008，25 ( 5 ) :186 190 ( cai jia-xing ，zhang zhi-jie application and evaluation of density measurement of rock fill ob- ject by additive mass method j journal of yangtze river scientific research institute，2008，25 ( 5 ) : 186 190 ( in chinese) )张 智，宋先海 清江水布垭水利枢纽工程堆石体密 度附加质量法检测成果总报告r，武汉: 武汉长江工 程物探检测公司，2003 ( zhang zhi，song xian-hai overall report on the result of rockfill density detectionby additional mass method for shuibuya hydropower pro- ject on qingjiang river r wuhan: changjiang engi- neering geophysical exploration wuhan co ， ltd ，2003 ( in chinese) )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 用j 水 利 水 电 快 报，2003，4( 5 ) : 15 17 ( zhang zhi，song xian-hai application of method of additive mass to density meas- urement of rock-fill object in shuibuya water control project j water conservancy and hydropower bulletin，2003，4( 5) : 15 17 ( in chinese) )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 ( li pei-wu，上游 坝壳区下游 坝壳区3132 0402 272 032 187坝体区 堆石料3282 4832 282 072 164上游下游1341298818072 172 182 002 032 0912 083坝体细 堆石料4合计1 2949 263表 5附加质量法与坑测法对比统计table 5comparison between the results of additionalmass method and pit checking method附加质量法坑测法5占总测点 比例对比结果吻合率测试结果点数测试结果点数不合格合格6227不合格合格62272 4%91 1%吻合测点93 5%不合格合格79合格不合格792 8%3 7%不吻合测点6 5%6结语5附加质量法是近年来新兴的一种堆石体密度原位测试方法，该技术具有快速、准确、实时和无破坏 性等特点，也为大坝填筑施工提供了一种便捷实用 的重要检测手段。该技术通过实时测试堆石体密 度，以便随施工碾压进度及时发现和揭露堆石体内 部缺陷，达到控制大坝填筑碾压施工质量的目的。 检测工作中获取了大量关于堆石体内部质量的有关 信息，检测成果不仅较全面地控制了场地施工碾压 质量，而且可为施工提供很多合理化的建议并及时 指导施工工艺的改进。该技术在糯扎渡心墙堆石坝 这个大型工程的成功应用，标志着附加质量法从方 法原理研究及零星试验性应用阶段，进入了大型工 程系统应用的新阶段。随着技术的不断发展和更 新，该技术必将成为大坝填筑质量控制的主要手段， 可以及时和全方位地揭示工程存在的质量缺陷。78参考文献:1 chen t，guo y c，xie c q，et al application of ad-ditive mass method in the compaction quality measure-9ment of over coarse-grained soils c proceedings of第 8 期张建清 等 附加质量法检测堆石体密度技术及应用评价51guo yu-song report on the method of density measure-ment of rockfill by kinetic parametersr zhengzhou: yellow river conservancy commission of the ministry of water resources，2008 ( in chinese) )10 张 智，蔡加兴，糯扎渡水电站堆石体密度附加质量 法检测试验研究成果报告r，武汉: 长江工程物探检the measurement of rockfill density for nuozhadu hydro-power station by additive mass method m wuhan: changjiang engineering geophysical exploration wuhan co ，ltd ，2008 ( in chinese) )( 编辑: 周晓雁)测公司，2008 ( zhang zhi，cai jia-xingreport ontechnique of additional massmethod for rockfill densitymeasurement and evaluation of its applicationzhang jian-qing1 ，zhou zheng-quan2 ，cai jia-xing1 ，ma sheng-min1 ，ma qi1( 1 changjiang engineering geophysical exploration wuhan co ，ltd ，wuhan 430010，china;2 yunnan huaneng lancang river hydropower company，kunming650214，china)abstract: the additional mass method was applied to detect rockfill density quickly and accurately，and to control the quality of dam filling in-time key technologies in the application of additional mass method are elaborated in this paper，including the obtaining of rockfill density through correlation method，the data collection and processing system，the quality control evaluation system，and the 3-d digitalization remote control on the construction quality and digital measurement of the rockfill density were realized by using gprs to build the data network link between local and remote network the meth