探析灌水法檢測堆石壩填筑質量的影響因素與誤差控制

王 紅，古今用，張 濤

(1.貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550001；2.貴州資環工程勘察設計有限公司，貴州 貴陽 550001)

堆石壩填筑質量直接影響工程質量與大壩安全，而密度作為衡量堆石壩填筑工程質量的重要參數，在堆石壩填筑質量評價中占有重要地位[1]。測定堆石壩填筑密度的方法較多，又以灌水法的使用率最高，該方法不僅操作簡單，且結果準確，但在檢測過程中容易受到多種因素影響產生誤差[2]。本文以下把比水庫堆石壩填筑密度檢測為實例，以灌水法檢測堆石壩填筑質量試驗原理與步驟為基礎，分析影響試驗結果的影響因素，并給出了相應的誤差控制措施，旨在明確影響因素的前提下，制定有效的誤差控制措施，從而提高試驗結果的準確性。

1 工程概況

下把比水庫位于龍里縣東北部，距離龍里縣約55km，距離洗馬鎮約6km。水庫位于洗馬河支流沙田溪溝上，壩址集雨面積4.5km2，多年平均徑流量234萬m3，多年平均流量為0.074m3/s。

水庫校核洪水位1204.33m，總庫容181萬m3，工程等別為Ⅳ等，工程規模為小(1)型。水庫正常蓄水位為1202.00m，相應庫容164萬m3，死水位1171.00m，相應庫容18.8萬m3，興利庫容145.2萬m3。下把比水庫壩型為面板堆石壩，壩軸線方位角為N4.651°E，壩頂高程為1205.30m，大壩趾板基礎置弱風化上部，河床趾板建基面高程為1148.00m，最大壩高57.3m。壩頂寬6.0m，上下游壩面坡比均為1∶1.4，壩頂軸線長145.8m。大壩采用右岸岸坡開敞式溢洪道泄洪，堰頂高程1202.00m，堰寬8m，取水建筑物布置于右岸。

2 灌水法試驗原理與步驟

2.1 實驗原理

灌水法作為壩體填筑質量的一種最基礎的密度測定方法，廣泛應用于控制壩體填筑質量中[3]。此法在依據相關技術要求下進行試坑開挖、土料的稱重，土料含水率、干質量以及試坑體積的測定等，最后利用干質量與試坑體積的比值作為此次堆石壩填筑的干密度。根據DL/T5129—2001《碾壓式土石壩施工規范》，灌水法操作過程中涉及的主要儀器及設備包括套環、臺秤、薄膜以及溫度計等。

2.2 試驗步驟

(1)檢測地點選定及率定。依據設計或DL/T5129—2001規定選定檢測地點后，將套環固定在所檢測位置，并鋪設薄膜后注水，注水結束后，記錄水位測針讀數、所注水的質量以及水溫等數據[4]。

(2)試坑的開挖。將套環內的水排干，并將薄膜取出，依據DL/T5129—2001技術要求進行試坑開挖。在套環開挖直徑相對較小的試坑，然后向外緩慢修整試坑的尺寸直至完全符合規范，隨即對挖出的試料進行稱量。此次墊層料試坑直徑為最大粒徑的4倍，試坑深度為碾壓厚度；過渡料試坑直徑為最大粒徑的3～4倍，試坑深度為碾壓厚度；堆石料試坑直徑為最大粒徑的2～3倍，試坑直徑最大不超過2m。特別要求試坑開挖過程中，注意開挖力度，不得擠壓坑壁，不與套環發生碰撞，試坑開挖結束后鋪設薄膜[5]。

(3)灌水法測試坑體積。向試坑內注水，同時記錄注水質量，當注水達到預定水位位置時，以水位測針針尖與水面接觸的位置為準，記錄試坑水總量與水溫。需要注意的是，在注水的同時，對塑料薄膜進行撫平，盡可能消除塑料薄膜與試坑壁之間的空隙，仔細觀察塑料薄膜是否存在漏水情況，若存在漏水情況則立即停止注水，將試坑中水排干后，換新塑料薄膜后繼續注水，此外，不要流到套環外，以免影響注水體積。

(4)含水率的測定。分別小于20mm與20～100mm的試樣進行含水率的測定，試樣大于100mm的含水率可以忽略不計。

(5)待所有現場檢測工作完成后，將土料混合填筑到試坑中，碾壓直至密實。

3 試驗影響因素與誤差控制

3.1 下把比水庫灌水試驗結果

下把比水庫壩體填筑共檢測樣品9個，墊層料、過渡料、堆石料各3個。檢測結果見表1—3和圖1—3。從檢測結果來看，所檢測的9個樣品的干密度、孔隙率與墊層料的滲透系數均滿足設計指標要求；而墊層料XBBSK-DLC1#試坑小于5mm，顆粒含量不滿足要求，如圖1所示，3個樣品試坑小于0.075mm顆粒含量也不滿足設計指標要求。根據SL49—2015《混凝土面板堆石壩施工規范》：“取樣所測定的干密度，其平均值不小于設計值，標準差不宜大于0.05g/cm3。當樣本數小于20組時，應按合格率不小于90%，不合格點的干密度不低于設計干密度的95%控制”，本次下把比水庫填筑檢測的試坑墊層料、過渡料、主堆石料組數均小于20組，合格率為100%，滿足規范合格率90%的要求，干密度評價為合格。

圖1 墊層料顆粒大小分布圖

表1 墊層料試驗結果

此外，除了對該試驗結果進行復核，還應對試驗結果影響因素進行分析，總結經驗，從而提出盡可能減小其誤差的控制措施。

表2 過渡料試驗結果

圖2 過渡料顆粒大小分布圖

表3 堆石料試驗結果

圖3 堆石料顆粒大小分布圖

3.2 試驗影響因素與誤差控制

3.2.1挖坑過程影響測試精度因素分析與控制

(1)試坑開挖是在套環內進行的，前期應該對套環進行固定，固定后不允許移動或者擾動，開挖時不能與套環發生碰撞，否則會大大影響測試的精度[6]。此外值得注意的是，在挖坑時應由中心開始不斷向下挖出直徑相對較小的試坑，然后再緩慢向外增加試坑直徑，直至試坑開挖達到規定要求為止。如果挖坑過程中遇大塊石，將其周圍的細料挖出后，可借助扒桿將其從試坑中移出；當塊石過大時，對其量好尺寸后進行分解與開挖，總重計入該塊石顆粒粒徑篩余量[7]。

(2)試坑尺寸需要根據粒徑來確定[8]。試坑尺寸受堆石體填料最大粒徑的影響，由于其顆粒較多、分布不均勻等造成檢測結果與實際值差異較大，碾壓過后的堆石體一般呈現上密下松的情況，試坑深度太淺，造成密度檢測值偏大。故根據相關規范及經驗，試坑直徑應不小于坑內壩料最大粒徑的3倍，其中，墊層料4倍，過渡料3～4倍，主堆石區2～3倍。

(3)試坑形狀應近似呈U字形，試坑壁形狀的規整度則會對坑壁與塑料薄膜的貼合度造成影響，從而影響測試結果精度。故當試坑開挖接近U字形時，注意開挖力度，緩慢并仔細進行修正，直至符合規范要求為止[9]。如果遇見塊石分布而影響試坑形狀，導致坑壁極不規整或者越出套環外時，從而導致塑料薄膜無法與坑壁貼合，造成對測試精度的影響，故此試坑應予廢棄，重新選擇測點[10]。

3.2.2材料誤差分析與控制

(1)套環。套環剛度不夠、用鋼材料不足等原因，在試驗中易產生變形或者滑移；此外，在套環高度達不到要求的情況下，會導致所注水量有所偏差，同時影響塑料薄膜與套環壁間的貼合度。這些因素均會影響試驗精度，因此，試驗前期應對套環的剛度、高度以及原材料檢測，以確保套環質量達到試驗要求。建議采用#20槽鋼來進行套環加工，以達到試驗要求[11]。

(2)水位測針。在試驗中，通常一些檢測單位不使用測針，將水灌滿套環時直接用肉眼觀察，測試過程極為隨意，直接影響到測試結果的準確性。因此，在試驗過程中，應選擇水工模型試驗用的水位測針，測針精度要求達到0.1mm以上，這樣才能確保測試結果的準確性[12]。

(3)塑料薄膜。試驗中用于測量體積的塑料薄膜的選擇同樣會影響試驗精度，特別是塑料薄膜的材質與膜厚。塑料薄膜太厚，則會影響其與試坑壁間的貼合度，造成脫空，所測得的試坑體積偏小，導致密度測量結果偏大[13]。塑料薄膜太薄易損壞，造成漏水，從而致使試驗無法繼續。所以，一般采用厚度為0.1mm、柔性良好的聚乙烯塑料薄膜，但測試結果與實際值相比偏小，因此，需要對其進行校正，校正公式為：

(1)

式中，V—試坑體積，cm3；m1—套環中注水的質量，g；m2—試坑與套環的注水總質量,g；K—校正系數；ρw—水密度,g/cm3[14]。

塑料薄膜在鋪設過程中也要仔細，理順塑料薄膜的褶皺，此外，在灌水過程中應在注水的同時排空塑料薄膜與坑壁之間的氣體，避免塑料薄膜與試坑壁間存在脫空。

(4)臺秤。實驗精度受臺秤的影響最大，其中臺秤精度、擺放位置等對稱量結果造成影響[15]。因此，要定期對臺秤進行檢查、維護及校準，在使用前期應選擇精度滿足要求的臺秤，特別是機械臺秤，應及時做好臺秤的基本檢查與維護。此外，在試驗過程中臺秤必須放置平穩，減少移動，因稱量次數越多，累積誤差則越大，故稱量時應盡量仔細，防止漏稱或者重復稱量等，每次稱量結束后，應將容器中的泥土傾倒干凈，確保臺秤對試驗精度的影響減到最小。另外，當含水量較大時，少量的泥土會粘到稱量所用的筐壁，因此，稱量時應注意當筐前后的質量差為1kg時，應及時更換稱量筐或者將筐壁泥土除去。

(5)試驗用水。在試驗過程，因試坑體積較大，注水量較多，水的密度與水體積的測量精度同樣會影響試驗結果，因此，應盡量選擇無雜質的純凈水作為試驗用水，且使用精度高的流量計測水體積或者臺秤測水的質量；此外，也可使用儲水箱來測水體積，同時測量水的溫度，然后對水的密度進行換算[16]。

3.2.3水位測量時的誤差分析與控制

測針應盡量細而尖，這樣容易觀察測針針尖與水面接觸時的接觸點，確保參考水平面在試驗過程中依舊保持一致。在試驗過程中，禁止觸碰測針，避免水位變化而影響試坑體積。此外，在試驗過程中，因挖坑時間較長，很難避免會觸碰到水位測針，影響水位測針的位置，故建議采用雙水位測針記錄水位，同時盡量保持同一個人同一個視角來觀察，確保試坑體積誤差減小到最小。

4 結語

試坑灌水法作為最基本的密度檢測方法，廣泛應用于壩體填筑質量檢測中。灌水法檢測堆石壩填筑密度時，結果會受到諸多因素的影響，絕大部分因素會造成所測試試坑體積偏小，干密度偏大，其檢測結果可能會合格，但實際上未達到設計要求而出現誤判的情況，如此，直接造成工程質量安全。本文通過對檢測結果分析，總結試驗經驗，認為在試驗操作中，實驗人員應具有高度責任感，嚴格按照相關技術規范要求執行操作，對其檢測結果仔細分析求證，確保試驗數據的可靠性及準確性。此外，每次試驗過后應及時總結試驗經驗，多交流、多思考、多試驗，以確保在試驗中最大限度地避免或減少操作中的誤差。