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水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 5期 附加质量法在梨园混凝土面板堆石坝压实度 检测中的应用 张维熙 ，钱 启立 ( 中国人 民武装警察部 队 水 电第一总队，广 西 南宁 5 3 0 0 2 8 ) 摘要：结合附加质量法在 梨园混凝土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 -ag三代技术可以很好地应用于粒径不超过 8 0 0 m 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 ；填筑料 ；混凝土面板堆石坝 中图分类号 ：T V 6 4 1 ． 4 3 ( 2 7 4 ) 文 献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 — 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 5 — 0 0 2 7 — 0 4 App l i c a t i o n o f a dd i t i ve ma s s m e t ho d t o c o mpa c t i o n t e s t i ng o f Li y u an Co nc r e t e Fa c e Ro c k- fil l Da m Z H A N G We i x i ， Q I A N Q i l i ( T h e N o ． 1 G e n e r a l T e a m o f A r m e d P o l i c e H y d r o p o w e r T r o o p s ， N a n n i n g 5 3 0 0 2 8 ，G u a n g x i ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：C o mb i n e d wi t h t h e a c t u a l a p p l i c a t i o n o f t h e a d d i t i v e ma s s me t h o d t o t h e c o mp a c t i o n t e s t i n g o f t h e fi l l i n g ma t e r i a l s f o r L i y u a n C o n c r e t e F a c e R o c k 一 6 l J Da m ．i t i s i l l u s t r a t e d t h a t t h e t h i r d — g e n e r a t i o n t e c h n i q u e o f t h e a d d i t i v e ma s s me t h o d c a n b e b e t t e r a p p l i e d t o t h e c o mp a c t i o n t e s t i n g f o r t h e fi l l i n g b o d y c o n s i s t e d o f t h e fi l l i n g ma t e r i a l s w i t h t h e p a r t i c l e s i z e n o t o v e r 8 0 0 mm ，a n d t h e n h a s t h e me r i t s s u c h a s s i mp l e， e f f e c t i v e ，q u i c k，n o n — d e s t r u c t i v e，e t c ．i n t h e a s p e c t o f t h e c o mp a c t i o n t e s t i n g for r o c k — fi l l d a m． Ke y wo r d s ：a d d i t i v e ma s s me t h o d；c o mp a c t i o n d e g r e e o f d a m b o d y；fi l l i n g ma t e r i a l ；c o n c r e t e f a c e r o c k — fi l l d a m 1 引 言 长期 以来 ，面板堆石坝堆 石体压实密度检 测多 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 ，但是试验过程 中所用试验设备 繁多 笨重 ，并且试 验 时 间长 、工 作效 率 低 下。2 0世 纪 9 0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 较好的效果 。 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和表 2 。 W a t e r Re s o u rc e s a n d Hy d r o p o we r En g i n e e r i n g 1 7 o 1 ． 4 4 No 5 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 ， 3 D 灰岩料场开采 的灰岩料 3 C 冰水堆积物砂 卵砾石开挖料中的粗粒料 3 方法和技术 附加质量法 又称为 A m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 m 。 ；第三，用体积相关法求解地基填筑体 收稿 日期 ：2 0 1 3 ． 0 2 — 2 7 作者简 介：张维熙 ( 1 9 8 2 一 ) ，男 ，河南人 ，工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张维熙， 等∥附加质量法在梨园混凝土面板堆石坝压实度检测中的应用 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 ／％ ／ g e m 一 ／ e ra sI 1 3 A 3 o o 2 ． 2 3 ( 灰岩料 ) >11 0 - 2 3B 8 o o >2 ．2 0 ( 灰岩料) 11 0— 3 D 8 o o >2 ． 3 0 ( 正长岩 、玄武岩料 ) 3 C 8 o o 2 ． 2 4 >11 0- 3 的湿密度 P ， ；第 四，用等体积法求取测点地基填筑 体的干密度 P ；第五，利用湿密度P 和干密度 P 求 解 含水 率 。 3 ． 1 mn 的测量 地基刚度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 K及地基参振质 量 m 的测量是求解地基土密度 P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 A mi 的方法求解堆石土体 刚度 及参振质量 m ( 见图 1 ) 。 至 图 1 附加质量法测试原理示意 为测量堆石土的 K、m 。 ，须在测点加上适当的刚 性质量体 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、 ，体系的振动方程如下 ( mm Z + k Z = 0 ㈩ K= ( m n +A m) ( 2 ) 从式( 2 ) 中可以看出，如果在地基上加一级质量 Am 。 ，可测到一个 ∞ ，这样一个方程 中仍有两个未 知量 、m 。 ，还 是 没有 唯 一 解 ；只有 加 两级 质 量 △ 、△ ，得到两个相应的频率 、 ，方程( 2 ) 才有唯一解 ，即 K： ( △ m： 一△ m ) ( 3 ) ( 4 ) 线 ，其反斜率即为 K ： ( 5 A o j 其中 △ m=A m2 一△ m1 ，△ ∞_ ：△ ∞ 一A a J ~- 曲线在 m 。 轴上的截距 ，即为地基土参振质量 m mo = 硒 ( 6 ) 3 ． 2 填筑体密度 p的反演计算 K、m 。 测量的最终 目的是为 了计算填筑体密度 P ，根据P与K、m 。 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 m 除 以坑测 密度 p 坑 得 m。 相应 的体积 ，并利用 回归分 析的办法建 立 与 。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 I ／ o～m。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 ～m 曲线见 图 3 3 5 0 3 0 0 2 5 0 吾 2 0 0 鱼 、 l 5 O ： 1 0 0 5 0 r =0 4 31 3 。 0 R 2= 0 9 9 7 3 ／ ’ ／ —一 ．， ，’ 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 m．． ／ k g 图2梨园水电站 3 A、3 B、3 G、3 D料湿密度的 ～ m0 散点图 3 5 0 3 0 O 2 5 0 砉z o 0 —_ 。 I O O 5 0 J l v 4 3 4 2 ’ 0 0 5 9 ／ R 2= O ‘ )9 8 6 ／ ／ ．J ， ／ ’．并 ， ／ 0 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 Ⅲ． ． ／ k g 图 3 梨园水电站 3 A、3 B 、3 D料干密度的 ～ m 散点 图 为了消除测量误差 ，加上一系列质量 A m 、△ m ⋯⋯ 可以测到相应的 ∞ 、∞ 、⋯⋯，作 。 。 ～△ m曲 总之，利用 K、mo 以及相应的坑测密度 p 坑选取 2 8 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第5期 m～ △ 一 21— 2 2 甜一 一 一 一 2 — 2， 一 △ 一 2 2一 一 = ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张维熙， 等∥附加质量法在梨园混凝土面板堆石坝压实度检测中的应用 表 3 同一部位附加质量法与试坑灌水法密度试验对 比 动 刚度 2 ( 参振 质量 密度／ gc m。 序号 填筑料 ∞湿- 2 附加质量法 坑测结果 相对误差／ ％ ／MN m 0 ／ k g 湿密度 干密度 湿密度 干密度 湿密度 干密度 1 l 5 2 ． 2 6 3 9 4 ． 2 O 2 ． 4 2 6 2． 3 6 5 2 ． 4 3 5 2 ． 3 6 o O ． 3 9 O． 21 2 1 4 9 ． 8 4 8 9 3 ． 2 6 2 ． 4 21 2． 3 6 2 2 ． 4 6 1 2． 3 71 1 ． 6 2 O． 3 7 3 1 6 o ． 9 7 0 0 4 ． 3 5 2 ． 42 7 2． 3 6 6 2 ． 4 96 2． 3 91 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 ． 41 7 2 ． 3 6 0 2 ． 4 2 7 2 ． 3 5 9 O． 4 2 O ． 0 5 9 8 9 ． 3 2 2 1 2 ． 4 7 2 ． 4 08 2 ． 3 5 4 2 ． 3 7 6 2 ． 3 3 4 1 ． 3 5 O ． 8 6 1 0 l 2 3 ． 6 3 2 8 2 ． 6 5 2 ． 41 5 2 ． 3 5 8 2 ． 4 7 4 2 ． 4 0 4 2． 3 7 1 ． 9 1 1 l 过渡料 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 l 2 ( 3 A) l 2 9 ．3 3 4 2 2 ． 6 5 2 ． 41 5 2 ． 3 5 9 2 ． 3 8l 2 ． 3 3 7 1 ． 4 2 O ． 9 6 l 3 1 2 6 ． 7 3 5 9 2 ． 8 3 2 ． 41 6 2 ． 3 5 9 2 ． 3 7 4 2 ． 3 2 5 1 ． 7 6 1 ． 4 5 1 4 1 l 9 ．1 3 4 9 2 ． 9 3 2 ． 41 6 2 ． 3 5 9 2 ． 4 8 5 2 ． 4 2 7 2 ． 7 9 2 ． 8 1 1 5 1 2 5 ． 5 3 9 7 3 ． 1 6 2 ． 4l 8 2 ． 3 6 0 2 ． 4 0 5 2 ． 3 6 0 0 ． 5 4 O ． 0 1 1 6 9 2 2 8 7 3 ． 1 2 2 ． 41 2 2 ． 3 5 7 2 ． 3 8 6 2 ． 3 3 7 1 ． 1 l 0 ． 8 8 1 7 9 6 ． 9 2 9 8 3 ． O 8 2 ． 41 3 2 ． 3 5 7 2 ． 3 6 0 2 ． 3 4 0 2 ． 2 5 O ． 7 3 1 8 1 0 7 ． 2 1 7 0 1 ． 5 9 2 ． 4 0 3 2 ． 3 5 2 2 ． 4 2 7 2 ． 3 7 9 0 ． 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 ． 48 5 2 ． 4 0 5 3 ． 4 6 2 ． 3 5 2 0 l l 7． 2 2 7 5 2 ． 3 5 2 ． 41 2 2． 3 5 7 2 ． 3 8 4 2。 3 4 8 1 ． 1 9 0． 3 7 21 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 O． 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 说明 干密度检测相对误差最大值为2 ． 8 1 ％，最小值为0 ． 0 1 ％，平均值为 1 ． 0 9 ％ 2 3 8 9 ． 9 3 01 3． 3 5 2 ． 4 1 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 ． 4 1 0 2 ． 3 5 6 2． 5 8 1 2 ． 3 91 6 ． 6 3 1 ． 4 6 2 5 7 8 2 7 l 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 O 2 ． 4 1 3 2 ． 3 5 7 2 ． 4 2 4 2 ． 3 6 1 0 ． 4 6 O ． 1 5 2 7 l 3 2 ． 7 4 5 4 3 ． 42 2． 4 2 0 2 ． 3 6 l 2 ． 4 2 3 2 ． 3 5 5 0 ． 1 2 O ． 2 7 2 8 1 01 ． 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 主堆石料 1 2 7 ． 1 3 6 0 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 3 1 ( 3 B、3 D) 1 l 9 ．9 3 7 7 3 ． 1 4 2． 41 7 2 ． 3 6 0 2 ． 41 5 2 ． 3 7 3 O ． 0 6 0 ． 5 4 3 2 91 ． 9 3 01 3 ． 28 2． 41 3 2 ． 3 5 7 2 ． 3 8 9 2 ． 3 4 5 1 ． O 0 O ． 5 3 3 3 5 5 ． 5 1 4 8 2 ． 6 7 2． 4 0l 2 ． 3 5 1 2 ． 4 O 8 2 ． 3 6 3 O ． 2 8 O ． 5 0 3 4 9 7 3l 9 3 ． 2 9 2． 41 4 2 ． 3 5 8 2 ． 3 81 2 ． 3l 1 1 ． 4 0 2 ． O2 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 o 4 3 ． 7 O 2 ． 4 8 3 6 2 3 ． 4 1 0 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 3l 6 2 ． 8 9 2． 41 4 2 ． 3 5 8 2 ． 3 5 3 2 ． 3 3 4 2 ． 61 1 ． O3 3 8 9 2 ． 3 2 4 5 2 ． 6 5 2． 41 0 2 ． 3 5 5 2 ． 3 7 8 2 ． 3 5 0 1 ． 3 4 0 ． 2 l 说明 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 ％ 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第5期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张维熙， 等∥附加质量法在梨园混凝土面板堆石坝压实度检测中的应用 表 4 附加 质量 法检测成果与试坑灌水法检 测成 果对 比 检测 附加质量法检测干密度／ g e m I 3 试坑灌水法检测干密度／ g c mI 3 附加质量法 区名 检测点数／ 个 最大值 最小值 平均值 标 准差 检测点数／ 个 最大值 最小值 平均值 标准差 检测精度／ ％ 3 A 7 3 9 2 ． 5 0 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 ． 49 2 2 ． 1 0 7 2 ． 3 5 4 0 ． 04 6 4 2 ． 4 3 0 2 ． 2 9 0 2 ． 3 6 7 O． 0 3 9 9． 5 3 D 1 2 7 2 2 ． 47 7 2 ． 1 5 9 2 ． 3 5】 0 ． 04 4 3 2 ． 4 2 0 2 ． 3 2 l 2 ． 3 6 2 O． O 3 9 9 ． 5 3 C 9 4 2 ． 4 0 2 2 ． 2l 8 2 ． 2 9 2 0． 0 3 1 5 2 ． 3 68 2． 2 6 2 2 ． 3 0 5 0 ． 04 9 9 ． 4 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 m 。的较佳 关系 ，利用此关系 ，即可准确地计算出密度来 。干密 度 P 的求解可利用 ～m。 和 ～m 关系求得 ，其 中 m 为参振质量 m 。 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 试坑灌水法进行对比试验 ，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 。从表 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 的误差针对于过 渡料 ( 3 A) 最 大值为 2 ． 8 1 ％ ，最小 值为 0 ． 0 1 ％ ，平 均值 为 1 ． 0 9 ％ ；针 对 于主堆 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 ％。以上显示附加质量法和试坑灌水法 相 比，相对误差均小 于 5 ％ ；针 对细颗粒 料应用 附 加质量法检测干密度时相对精度较高。 大坝施工期 2 0 1 1年 1 0月至 2 0 1 2年 1 0月 ，对梨 同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 了附加质量法检测工 作 ，采用附加质量法共检测 4 1 1 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 检测工作 内容包括主要以下两个方面 ：( 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 。 5 结语 附加质量法在梨园水电站坝料填筑密度检测方面 3 0 的应用说 明，每个测点 的 ∞ 与 A 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、m 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 m i 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 因素为现场碾压遍数 。对于 最大粒径不超 过 8 0 0 mm填筑料 ，附加质量法检测 填筑料密 实度 的效果 有效 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，也做为《 水利水电工程物探规程》 ( s L 3 2 6 --2 0 0 5 ) 的一部分进行 了相关说 明，但附加质量 法的应用是 以坑测结 果作 为标 尺 ，与所测 刚度 K、 参振质量 m 建立关 系的方法。这种 问接测试 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。同时实际 施工 中在坝体质量评定验 收方面 ，附加质量法作为 一 种 较新 的检测手段是否可以做为最终评定依据仍 需讨论研究 。 ( 责任编辑陈小敏) 水利水电技术第4 4卷2 O l 3年第 5期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m