保華富 沈 蓉 李仕勝

(中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院科學(xué)研究分院 昆明 650033)

1 概述

受文山暮底河水庫開發(fā)有限公司的委托，中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院科學(xué)研究分院(虹龍工程檢測公司)全面負(fù)責(zé)文山暮底河水庫樞紐工程質(zhì)量檢測中心的運行與管理工作。

科學(xué)研究分院(虹龍工程檢測公司)2010年被認(rèn)定為全國水利工程質(zhì)量檢測甲級資質(zhì)單位，是云南省內(nèi)一次通過三種工程類別(巖土工程類、混凝土工程類、量測類)甲級資質(zhì)的單位。水利工程質(zhì)量是國家一直高度重視的民生內(nèi)容之一，通過水利工程質(zhì)量檢測，能夠為工程的安全運行和除險加固提供第一手的科學(xué)資料，促進(jìn)工程效益的有效發(fā)揮。本資質(zhì)的獲得，標(biāo)志著云南虹龍工程檢測公司具備在全國從事水利工程質(zhì)量檢測的能力，為進(jìn)一步開拓水利工程市場奠定了資質(zhì)基礎(chǔ)。

利用核子法測定土石等材料原位密度和含水率是一項迅速發(fā)展起來的無損、快速檢測新技術(shù)。目前，我國已有相當(dāng)數(shù)量的各類進(jìn)口和國產(chǎn)核子水分密度儀在各類工程中使用，并成為質(zhì)量檢測和控制的一種重要工具之一。我國水利部等各部門已于2001年制定了相應(yīng)的使用測試規(guī)程［1］。但由于其儀器昂貴、使用時擔(dān)心輻射危害、檢測精度的可靠性和穩(wěn)定性恐難于滿足要求等原因，核子法檢測并未得到普遍采用。本文結(jié)合獲得2010年中國水利工程優(yōu)質(zhì)(大禹)獎的暮底河水庫工程大壩心墻壓實質(zhì)量檢測控制［2］，采用美國坎貝爾(CPN)國際公司最新生產(chǎn)的MC—3—122型核子密度濕度儀，同時采用環(huán)刀法和試坑注水法測密度、烘干法測含水率等規(guī)程通用方法對比試驗分析研究［3］，論證了核子密度法的可靠性和方便性，對進(jìn)一步促進(jìn)核子密度儀的推廣應(yīng)用有一定工程意義，可供類似工程參考。

2 核子密度儀特點

新型的MC—3型核子密度儀能快速準(zhǔn)確地測量各種土、瀝青混凝土等建筑材料的密度和含水率，還可測瀝青混凝土空隙率，儀器內(nèi)設(shè)有微處理器，一般情況只需輸入計數(shù)時間或測量要求的精度，被測材料室內(nèi)試驗的最大密度，按啟動鍵即可很快測出。測后不需人工計算、查表，能直接從顯示器上讀出測量深度、日期、計數(shù)時間和測量結(jié)果，如壓實土體的濕密度、含水率、干密度和壓實度等檢測指標(biāo)。該儀器測量的密度范圍為1.12～2.73g/cm3，測量的含水率范圍為0～64%。與舊MC—3型核子密度儀相比，有以下特點:

a.采用新圖型式液晶顯示器，測量條件及所測結(jié)果一次顯示，檢測人員能一目了然，全面及時了解測量情況，也減少了操作人員為讀數(shù)靠近放射源的時間。

b.有基本測量和儀器自錄測量兩種測量方法。若采用儀器自錄測量時，可連續(xù)記錄128次的測量條件和結(jié)果，調(diào)出存儲的內(nèi)容方便靈活，配上打印機還可按要求打印。

c.能按選定的測量計數(shù)時間進(jìn)行測量，計數(shù)時間的選擇范圍大;也可按測量要求的精度進(jìn)行測量，縮短每個測點的測量時間。

e.標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)后，可根據(jù)顯示器上有關(guān)數(shù)據(jù)的大小來判斷儀器的性能好壞和穩(wěn)定性。

f.有電子日歷、計時裝置，并和測量結(jié)果同時顯示和記錄。

3 核子密度儀工作原理

測量含水率時，中子源放射的中子流進(jìn)入被測材料，被測材料水分中的氫原子與高能中子相碰撞使之減速，減速后的慢中子被儀器內(nèi)的氦3探測管接收到。被測材料含水率大，在單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)化的慢中子數(shù)也多，檢測管接收的慢中子數(shù)就多;反之就少。然后微處理器把接收的慢中子數(shù)(稱為水分計數(shù)值)除以水分標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)值，得到水分計數(shù)比，再把計數(shù)比送入水分計算程序可算出被測材料的含水率。

4 核子密度儀測量方式

MC—3型核子密度儀有反射法和直接透射法兩種測量方式。反射式測量時被測材料不需打孔，屬無損測量，根據(jù)源離地面的距離大小，反射式測量又分為BS、AC兩種位置。直接透射法測量時被測材料上必須打孔，屬于有損測量。從檢測的精度要求來說，透射式測量精度高于反射式測量精度。但反射式測量不需打孔，測量速度快，現(xiàn)場也經(jīng)常使用。

4.1 反射式測量BS位置

圖1 BS位置反射式測量

4.2 反射式測量AC位置

圖2 AC位置反射式測量

4.3 直接透射式測量

這種測量要求測前用導(dǎo)板和釬桿在被測材料上垂直打一個比測量深度稍深的孔，孔直徑約30mm，然后將源金屬桿放入孔內(nèi)至需要的深度，放平儀器。測量時源放射的粒子穿過被測材料，被蓋革—密勒檢測管接收。源下移的距離間隔為25mm或50mm兩種。下移的最大深度分別為200mm或300mm。這樣檢測時可根據(jù)需要測量出地面至源所在位置的平均濕密度，如圖3所示。

圖3 直接透射式測量

5 核子密度儀現(xiàn)場測量成果探討

云南文山暮底河水庫大壩為粘土心墻堆石壩，最大壩高68.65m，水庫總庫容5784.9萬m3。心墻料具有典型含特殊礦物的紅粘土特征［4］，按設(shè)計要求，粘土心墻壓實質(zhì)量采用以壓實度為主的多項技術(shù)指標(biāo)控制。施工前期心墻壓實質(zhì)量檢測采用環(huán)刀法，環(huán)刀體積約500cm3，含水率測定采用烘干法。心墻料主要物理力學(xué)性指標(biāo)見表1。

表2為心墻第74層壓實土采用新購進(jìn)的MC—3型核子密度儀未修正時的5個測點檢測成果，為反映壓實土層下部壓實情況及成果的可比性，檢測采用直接透射式測量，測量深度控制為略大于壓實層厚，一般在20～25mm左右。為排除偶然誤差，提高檢測精度，每個測點沿 0°、90°、180°和360°各測一次，然后取其平均值作為該測點周圍壓實土體的密度。測量計數(shù)時間選5min。為檢驗核子密度儀檢測成果的精度，試后均在孔四周壓實土層中部深度用環(huán)刀取樣4個測其平均密度，并用標(biāo)準(zhǔn)烘干法測含水率，以資對比。為檢驗各測點壓實度是否滿足設(shè)計要求，試驗完備后，在測點處挖坑取料采用濕法制樣做標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗以求得土料的最大干密度和最優(yōu)含水率，坑尺寸約為50cm×50cm，深度為壓實土層厚度。從表2中可看出:核子密度法與環(huán)刀法所測濕密度已非常接近，兩種方法所測濕密度差最大為0.02g/cm3。如以環(huán)刀法為標(biāo)準(zhǔn)，總體上未修正的核子密度儀檢測到的濕密度均有所偏小，平均比環(huán)刀法小0.013g/cm3。而核子密度法所測含水率則明顯小于烘干法4.5% ～6.2%，平均小5.4%。從計算出的干密度看，兩種方法計算出的干密度相差0.03～0.05g/cm3，平均相差0.045 g/cm3。顯然未修正的核子密度儀檢測成果的精度不能滿足規(guī)范要求。從表2中還可看出:兩種方法所得壓實度相差也較大，壓實度相差最大達(dá)3.9%，平均為3.2%，即用核子密度儀所檢測壓實度偏高，易出現(xiàn)以壓實度控制的施工質(zhì)量誤判現(xiàn)象，工程偏于不安全狀態(tài)。

表1 暮底河水庫大壩心墻料物理力學(xué)性試驗成果

表2 未修正的核子密度儀檢測成果及壓實質(zhì)量對比(第74層)

儀器出廠前工廠對密度和水分在標(biāo)定塊上已做過標(biāo)定，標(biāo)定曲線的數(shù)據(jù)和密度、水分計算程序已存在儀器內(nèi)的微處理器中供檢測用。如果被測材料中含有特殊的礦物質(zhì)或有機物時，用MC—3型核子密度儀測出的水分可能與實驗室用其他方法測出的密度和含水率有所差異，此時必須用裝入偏移量的方法來修正儀器的檢測數(shù)據(jù)使之更為符合實際，才能用于工程檢測。圖4及圖5為利用心墻第76層壓實土進(jìn)行的修正成果。圖4為濕密度不修正，而假定不同含水率修正值輸入儀器后在同一測點實測到的含水率與含水率修正值關(guān)系曲線;圖5為含水率不修正，而假定不同濕密度修正值輸入儀器后在另一測點實測到的濕密度與濕密度修正值關(guān)系曲線。經(jīng)回歸后可得出:

圖4 含水率修正值與實測含水率關(guān)系

圖5 濕密度修正值與實測濕密度關(guān)系

上二式中 Δω——假定含水率修正值;

ω——實測含水率，%;

Δρ——假定濕密度修正值，g/cm3;

ρ——實測濕密度，g/cm3。

從成果可看出:假定含水率修正值或濕密度修正值與實測含水率或濕密度之間有良好線型關(guān)系，線型相關(guān)系數(shù)大于0.9928。將圖4測點用烘干法所測含水率ω=41.0%代入式(1)可求得含水率真修正值為0.028，將圖5測點用環(huán)刀法所測濕密度ρ=1.898g/cm3代入式(2)可求得濕密度真修正值為0.011g/cm3。

表3給出了修正后的核子密度儀對第76層、第77層、第131層及第145層壓實土檢測成果。為驗證修正后測量成果的精度，試后還進(jìn)行了環(huán)刀法和試坑注水法檢測。從測值可看出:經(jīng)修正后，用MC—3型核子密度儀測出的濕密度與常規(guī)環(huán)刀法及試坑注水法檢測成果十分接近，而用MC—3型核子密度儀測出的含水率與常規(guī)烘干法也十分接近。經(jīng)修正后，21個測點用常規(guī)環(huán)刀法及試坑注水法所測濕密度與核子密度法之差在－0.04～0.02g/cm3之間，平均為0.00g/cm3;所測含水率之差在 －1.8%～1.4%之間，平均為－0.3%;對應(yīng)的計算干密度差在－0.02～0.02g/cm3之間，平均為0.00g/cm3，可見經(jīng)修正后，常規(guī)法與核子密度法所測結(jié)果已非常接近，檢測精度能滿足規(guī)范要求;

對應(yīng)的計算壓實度差在－1.8% ～1.5%之間，平均為0.02%。21個測點用常規(guī)法所測成果統(tǒng)計平均壓實度為98.1%，用MC—3型核子密度濕度儀得平均壓實度為98.0%。按設(shè)計不小于96%壓實度要求計算統(tǒng)計，兩種方法檢測壓實度合格率均為95.2%，常規(guī)法與核子密度儀法檢測質(zhì)量評定結(jié)果均能滿足要求，評定結(jié)果十分一致。

表3 修正后的核子密度儀檢測成果及壓實質(zhì)量對比

6 結(jié)語

利用核子法測定粘土材料原位密度和含水率是一項無損、快速的質(zhì)量檢測新技術(shù)。本文介紹了最新MC—3型核子密度儀特點、工作原理及測量方式，并結(jié)合云南文山暮底河水庫大壩粘土心墻壓實質(zhì)量檢測控制，用常規(guī)法與核子測量法進(jìn)行了系列現(xiàn)場檢測成果的試驗對比分析和核子測量修正方法探討。結(jié)果表明:經(jīng)修正后，核子密度儀檢測結(jié)果與常規(guī)法十分接近，檢測精度能滿足工程要求，值得推廣應(yīng)用。

1 SL 275－2001核子水分——密度儀現(xiàn)場測試規(guī)程［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

2 保華富，金波，張春.暮底河水庫大壩心墻壓實質(zhì)量檢測和成果分析［J］.云南水力發(fā)電，2004(4):72－77.

3 SL 237－1999土工試驗規(guī)程［S］.北京:水利電力出版社，1999.

4 黃文熙主編.土的工程性質(zhì)［M］.北京:水利電力出版社，1983.