附加質量法在高寒地區水電站的應用效果分析

(長江地球物理探測(武漢)有限公司,湖北 武漢 430010)

附加質量法在高寒地區水電站的應用效果分析

馬其

(長江地球物理探測(武漢)有限公司,湖北 武漢 430010)

介紹了附加質量法測定大壩堆石體密度的基本原理，并結合某水電站心墻堆石壩堆石體密度碾壓試驗的實例，分析了常溫和低溫下的測試參數，對該方法的應用效果進行了分析和評價。結果表明，該方法不僅具有無損、原位、快速等優點，而且可適用于不同粒徑和級配的堆石體，適用于低溫條件下的堆石體填筑檢測。附加質量法檢測與坑測法試驗結果對比表明，總體平均相對誤差為1.63%，滿足規程要求。附加質量法可為大壩填筑質量的改善提供有力支撐。

附加質量法；堆石體密度；大壩澆筑； 低溫測試

1 研究背景

工程中用于測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，準確可靠。然而坑測法具有破壞性，且費時、費力、效率低、耗資大，并且由于數量相對較少，只能反映大壩的局部填筑質量。間接法包括壓實沉降觀測法、振動碾裝加速度計法、控制碾壓參數法、靜彈模法、動彈模法、面波法、核子密度儀法及附加質量法等[4-5]，其中，前5種方法只能定性評價堆石體的壓實程度；面波法雖然速度較快但準確性差，因此目前不能有效解決測定堆石體密度問題；核子密度儀法具有放射源，因此在運輸、存放、使用上需要有嚴格的管理措施，而且在測量較深的位置時需要耗時打孔將放射源放入，在不均勻介質中的測量結果會出現偏差，所以在堆石體上的測量具有很大局限性[6-7]。為了解決這一技術難題，各界技術人員進行了大量的科學研究和試驗工作，開發了一些檢測堆石體密度的方法。附加質量法就是近年來新興的一種實時控制堆石體密度測定的方法,該方法具有無損、原位、快速等特點，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量是關系到整個工程成敗的最關鍵因素，尤其是對于300 m級高的堆石壩，而且還面臨夏季多雨和冬季寒冷等氣候條件。因此，大壩填筑應該要求更高、控制更嚴格，快速、可靠的檢測才能客觀公正的評價大壩填筑質量。為了確定大壩填筑合適的施工參數，同時驗證附加質量法是否適用于低溫環境下的填筑質量檢測，在前期開展了相關碾壓試驗。

2 附加質量法原理

附加質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，另一端連接質點m。依據單自由度彈簧體系振動理論, 其振動方程和剛度如下:

md2Z/dt2+KZ=0(K=mω2)

(1)

式中，Z為振動位移函數；t為振動時間；ω為體系振動圓頻率；K為體系動剛度；m為參振質量。

然而，在現實中，任何理想模型都會和實際有所偏差。通常的解決辦法是構造一個接近理想模型的數學抽象模型，然后通過增加接近實際的邊界條件進行求解。因此，將附加質量壓板等效為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量和體積，而彈性堆石體具有質量和體積。為了解決這個問題，將振動單子改成1個可隨時改變的等差質量體——附加質量Δm，如圖2所示，測出各級質量下所對應體系的垂向自振頻率f，根據f與Δm的關系, 即可求得壓板下的動剛度K以及參振質量m0。由圖2可知：

圖1 理論模型

填料名稱料源動剛度K/(MN·m-1)參振質量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為堆石體參振質量；Δm為附加質量塊質量。

圖2 構造數學模型

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

圖3 (ω-2-Δm)曲線解析

在求取動剛度K和參振質量m0之后，可基于率定系數法、相關法等求取堆石體的密度，目前常采用的方法是數字量板法。

3 應用研究成果分析

3.1 附加質量法測試參數與壩料特性關系

某水電站堆石料分為堆石Ⅰ區、堆石Ⅱ區和堆石Ⅲ區，均為砂板巖，其中堆石Ⅰ區為微新石料，堆石Ⅱ區為弱風化下段石料，堆石Ⅲ區為弱下風化、弱卸荷～微新砂板巖。碾壓試驗期間所采用堆石料及過渡料料源主要為料場用料，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區料，碾壓試驗期間未采用堆石Ⅰ區和堆石Ⅱ區料。

通過一定量附加質量法測試，最終得到不同料源的附加質量法測試參數，某水電站不同料源測試參數統計見表1。

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

3.2 冬季低溫對附加質量法測試的影響

某水電站石料碾壓試驗主要分為3個時段：2013年9～10月的堆石料碾壓試驗，2013年12月底到次年1月初的沖擊碾和堆石料復核碾壓試驗以及2014年4月份的過渡料碾壓試驗。其中，堆石料和過渡料碾壓試驗時的氣溫約為10～15℃，屬于正常氣溫，沖擊碾和堆石料復核碾壓試驗時的氣溫約為-10～5℃，屬于低溫。堆石料和沖擊碾的碾壓試驗堆石體厚度為80～120 cm，過渡料碾壓試驗的堆石體厚度為40～50 cm，不同氣溫下測試參數統計見表2。

表2 不同氣溫下附加質量法測試參數統計

表3 低溫下附加質量法測試結果統計

同時對單個測點進行分析，為了體現測點的代表性，需要盡量選擇同一時段不同參數的測點進行比較，故最終選擇了2014年1月2日上午對沖擊碾測試的3種料源各1個點的檢測結果，上午氣溫為-10～-6℃，同時選擇了1月2日下午對堆石料復核場測試的1個點的檢測結果，下午氣溫為2～5℃。表3和圖4～7為LC100n20-2測點、DC120n15-2測點、WC100n25-3測點和sfd6-80n10-8測點在低溫時測試結果統計和頻譜圖(注：sfd6表示堆石料復核場，LC、DC、WC表示沖擊碾料場用料、回采料、洞渣料，80，100，120表示鋪料厚度，單位為cm，n加數字表示碾壓遍數，最后數字表示測點編號，為每一單元中隨機抽選)。

圖4 LC100n20-2測點測試頻譜

圖5 DC120n15-2測點測試頻譜

圖6 WC100n25-3測點測試頻譜

圖7 sfd6-80n10-8測點測試頻譜

通過統計分析發現，低溫下的動剛度和參振質量平均值都只是略高于正常氣溫下的動剛度和參振質量平均值，正常氣溫下的動剛度和參振質量波動較大，這也是由于堆石料內部的不均勻性引起的；通過單個測點分析發現，4個測點的測試信號良好、主頻清晰、頻差合理，測試的結果與坑測值對比相符合。說明低溫對堆石料附加質量法檢測的準確性并未造成影響，并且在低溫下附加質量法對堆石料的有效測試深度仍為80～120 cm左右，與常溫下基本相同。

3.3 結果驗證對比分析

為了驗證附加質量法測試結果的可靠性，復核階段在坑測法未出結果前先提交附加質量法測試結果，分析如下：

(1) 在堆石料對比的9個測點中，附加質量法測試與坑測法結果相對誤差在3%以內的有8個點，占測點總數的88.9%；在3%～5%之間沒有點，占測點總數的0%；大于5%的有1個點，占測點總數的11.1%，總體平均相對誤差為1.45%。

(2) 在過渡料對比的18個測點中，附加質量法測試與坑測法結果相對誤差在3%以內的有15個點，占測點總數的83.3%；在3%～5%之間的有1個點，占測點總數的5.6%；大于5%的有2個點，占測點總數的11.1%，總體平均相對誤差為1.72%。

從分析來看，復核階段附加質量法測試與坑測法結果中，堆石料和過渡料平均誤差均小于2%，總體平均誤差為1.63%，滿足規程要求，結果可信。

4 結 論

(1) 通過對堆石料及過渡料的碾壓試驗對比檢測分析，獲得了堆石料和過渡料的碾壓試驗附加質量法測試成果，測試成果與實際的坑測成果比對，誤差在可控范圍內，說明結果可信、可靠。同時，在同一工況下，不同的測點測試的參數值有一定差別，說明碾壓試驗結果波動性較大，填料存在一定的不均勻性。

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

(3) 本次試驗通過對不同情況下堆石體碾壓情況進行測量，獲得了大量堆石體內部質量信息，為改善堆石體大壩的碾壓施工參數提供了有力支撐。隨著這項技術的發展，附加質量法將會成為控制大壩碾壓施工質量的有效依據，能夠科學合理地指導大壩施工，改善大壩乃至路基等需要壓實部位的填筑質量。

[1] 李丕武，郭玉松.略論附加質量法檢測堆土密度的三代技術[M]. 鄭州：黃河出版社，2007.

[2] 李丕武，郭玉松.堆石體密度測定的動力學參數法研究報告[R]. 鄭州：黃河水利委員會，2008.

[3] 李丕武.堆石體密度測定的附加質量法[J].地球物理學報，1999，42(3)：423-427.

[4] 孫繼曾，范 吉，陶惠珍，等.堆石壩壓實密度快速無損檢測新技術[J].水利水電技術，1996，(1)：22-28.

[5] 郭慶國，蔣華安.測原位密度的附加質量法在小浪底工程中的應用與評價[J].水利水電科技進展，1999，19(5)：46-48.

[6] 張智，宋先海.附加質量法在清江水布埡面板堆石壩堆石體密度測定中的應應用[J].水利水電快報，2003，4(5)：15-17.

[7] 蔡加興，張志杰.附加質量法用于測定大壩堆石體密度應用效果分析與評價[J].長江科學院院報，2008，25(5)：186-190.

[8] 張建清，周正全，蔡加興，等.附加質量法檢測堆石體密度技術及應用評價[J].長江科學院院報，2012，29(8)：45-51.

[9] 沈嗣元，楊佐斌，李小聯，等.附加質量法在某水電站大壩填筑質量控制中的應用[C]∥現代堆石壩技術進展：2009——第一屆堆石壩國際研討會論文集， 2009：466-471.

2017-09-18

馬 其，長江地球物理探測(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)