馬雨峰，劉雙華，古向軍，李斌

（國網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北豐寧068350）

基于面波法的堆石料密度無損檢測技術(shù)

馬雨峰，劉雙華，古向軍，李斌

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現(xiàn)有的面板堆石壩筑壩料干密度的檢測，多采用灌水(砂)法進(jìn)行，針對該方法檢測周期較長、耗費(fèi)人力較大等問題，文中采用SWS多道瞬態(tài)面波法研究了堆石料干密度的快速檢測技術(shù)，成果對于堆石壩的質(zhì)量控制與合理加快施工進(jìn)度具有一定的指導(dǎo)意義。

堆石料；干密度；面波法；快速檢測

1 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，水利、電力等工程的大量興建，堆石體結(jié)構(gòu)由于其顯著的實(shí)用與經(jīng)濟(jì)特性，使用的比重越發(fā)加大。如面板堆石壩、港口堆石路基等。堆石體結(jié)構(gòu)一般是利用天然巖石、塊石等材料經(jīng)爆破開采、振動(dòng)碾壓等多道工序填筑而成，對許多工程而言可實(shí)現(xiàn)就地取材，且料源充裕、便于施工，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)方面具有顯著的優(yōu)勢?，F(xiàn)有的面板堆石壩筑壩料干密度的檢測，多采用灌水（砂）法進(jìn)行，該方法存在檢測周期較長、耗費(fèi)人力較大等問題。因此，研究并提出堆石體結(jié)構(gòu)密度的合理、快捷檢測與評(píng)價(jià)方法，從而及時(shí)、準(zhǔn)確的控制堆石體的壓實(shí)干密度，在保證堆石體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的前提下節(jié)省填筑碾壓時(shí)間具有重要的意義。下面以河北省某面板堆石壩為依托，進(jìn)行SWS多道瞬態(tài)面波法檢測，建立無損檢測參數(shù)與上壩料物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系，進(jìn)而提出堆石料快速檢測技術(shù)。

2 面波法檢測的基本原理

面波顧名思義，是指在介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟?，這個(gè)“表面”的厚度大約為面波的半個(gè)波長，該范圍內(nèi)約集中了全部能量的70%以上。瞬態(tài)面波的頻散特性及其在介質(zhì)中的傳播速度與堆石材料的物理性質(zhì)密切相關(guān)。研究過程中，可采用人為激振法，如重錘敲擊、輕型炸藥等在堆石體表面激發(fā)產(chǎn)生振動(dòng)脈沖，同時(shí)在距離激振點(diǎn)一定的距離(此次研究采用100~200 cm)處布置檢波器進(jìn)行面波信號(hào)采集。由于堆石材料為散粒狀，其不同粒徑的含量不盡相同，再加之碾壓過程中存在一定的不均性，使得堆石介質(zhì)在空間上存在差異，這種差異將引起密度的變化。面波在傳過不同密度的堆石材料時(shí)，必然產(chǎn)生不同的頻散特征。頻散特征經(jīng)波形分析軟件處理后即可獲取測點(diǎn)處的面波速度加權(quán)平均值，并在面波檢測面處進(jìn)行挖坑取樣，測得密度值后與實(shí)測面波波速進(jìn)行擬合確定二者之間的關(guān)系公式。具體檢測使用時(shí)，先采用面波法快速檢測獲取堆石體的波速值，通過擬合關(guān)系直接計(jì)算出檢測區(qū)域的干密度值，從而實(shí)現(xiàn)堆石料密度的快速檢測。

3 面波法檢測結(jié)果

偏移距為激振點(diǎn)距離第1個(gè)檢波器的距離采用100~200 cm，具體大小需結(jié)合現(xiàn)場檢測波形數(shù)據(jù)而定；12個(gè)檢波器之間的距離固定為10 cm。檢測時(shí)使用重錘敲擊激振點(diǎn)的承壓板，采集12道波形數(shù)據(jù)。

對采集到的波形進(jìn)行處理，剔除表面直達(dá)波后將每次灌水法測試干密度值與波速測試結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合方法采用線性、冪函數(shù)擬合，2種擬合方式檢測最大誤差分別為3.4%，3.8%。

3.1 線性擬合

線性擬合結(jié)果見圖1、式(1)，其基本物理意義為系統(tǒng)測試最小干密度1.956 g/cm3，隨測試波速的增加，干密度呈線性增加規(guī)律。

3.2 冪函數(shù)擬合

冪函數(shù)擬合結(jié)果見圖2、式(2)，其基本物理意義為系統(tǒng)測試最大干密度2.205 g/cm3，隨測試波速的減小，干密度呈冪函數(shù)形式減小的規(guī)律。

圖1 線性擬合結(jié)果

圖2 冪函數(shù)形式擬合結(jié)果

4 數(shù)值模擬

采用有限差分法對面波在堆石料中的傳播特性進(jìn)行模擬研究。研究模型為半無限空間，上邊界為自由邊界，左、右兩側(cè)為無限遠(yuǎn)邊界，即避免兩側(cè)邊界對波速傳播產(chǎn)生干擾。模擬時(shí)，在上邊界施加激振力，監(jiān)測同一時(shí)刻不同密度的堆石料中面波的傳播特征，基本規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同密度土在0.24 s時(shí)刻波場

經(jīng)模擬計(jì)算，得到堆石料模型在震源作用下，不同密實(shí)度模型內(nèi)部面波能量分布特征：顏色由冷色到暖色代能量大小的變化，冷色表示負(fù)值，暖色代表正值。圖3中可以看出：堆石體密實(shí)度越高，傳播范圍越大，說明某一時(shí)刻的傳播速度越大；相反，密度越小，傳播速度也越低，即面波波速隨堆石體密度的增大線性增加。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比可知，兩者具有較好的一致性。

［1］孫繼增，范吉力，陶慧珍，等.堆石壩壓實(shí)密度快速無損檢測新技術(shù)［J］.水利水電技術(shù)，1996（1）：22—27.

［2］楊成林.瑞雷波勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，1993.

［3］李兵.瑞雷波技術(shù)在巨粒土路基檢測中的應(yīng)用［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2011.

［4］王千年.瑞雷面波在堆石體結(jié)構(gòu)中的傳播特性及在密實(shí)度檢測中的應(yīng)用［D］.上海：上海交通大學(xué)，2013.

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