(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

守口堡水庫(kù)為膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩，位于山西省陽(yáng)高縣城西北約10km處的黑水河上游段，總庫(kù)容980萬(wàn)m3，屬Ⅳ等小(1)型水庫(kù)。大壩主體采用砂礫石料(一般為就地取材)和膠凝材料以一定配合比，經(jīng)拌和、攤鋪、碾壓而成。上下游防滲保護(hù)均采用常態(tài)混凝土。

守口堡水庫(kù)大壩主體施工機(jī)械及施工碾壓工藝為：膠凝砂礫料采用JGL200專用設(shè)備拌和，15t自卸汽車運(yùn)輸，SD16型履帶式推土機(jī)平料，SSR260單鋼輪大型振動(dòng)碾壓機(jī)碾壓，鋪料厚度每層350～450mm，先無(wú)振動(dòng)碾壓2遍，再振動(dòng)碾壓6遍，邊角部位采用富漿膠凝砂礫石填筑，用手扶式振動(dòng)碾碾壓，層間面鋪設(shè)一層1∶3的水泥砂漿，砂漿層厚15mm，采用通倉(cāng)、連續(xù)碾壓澆筑。

混凝土碾壓質(zhì)量控制是碾壓混凝土施工質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié),直接關(guān)系到大壩安全。碾壓混凝土壓實(shí)度降低，混凝土強(qiáng)度會(huì)成倍降低，壓實(shí)度若下降1%，混凝土強(qiáng)度約下降8%～10%[1]，可見(jiàn)壓實(shí)度對(duì)碾壓混凝土壩強(qiáng)度的影響非常顯著。碾壓混凝土只有達(dá)到很高的相對(duì)壓實(shí)度，才能具有預(yù)期的強(qiáng)度、不透水性和拉伸應(yīng)變能力。目前,評(píng)定碾壓混凝土壩體壓實(shí)度常用的檢測(cè)方法主要有試坑灌水法、壓實(shí)計(jì)法和核子密度濕度儀法等。壓實(shí)度又稱夯實(shí)度，指的是土或其他筑路材料壓實(shí)后的干密度與標(biāo)準(zhǔn)最大干密度之比。為有效控制施工質(zhì)量，本文對(duì)守口堡膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩的干(濕)密度采用多種檢測(cè)方法進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。

1 試驗(yàn)方案

分別采用試坑灌水法、核子密度濕度儀法和切取立方體試塊稱重法對(duì)守口堡膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行密度測(cè)量，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對(duì)比分析3種檢測(cè)方法在碾壓混凝土重力壩應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)及可靠程度。

依據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，確定試驗(yàn)研究步驟如下：

a.選取與水庫(kù)大壩運(yùn)輸距離相同的壩址上游河床位置作為試驗(yàn)地點(diǎn)。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照大壩主體碾壓施工工藝進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)所用膠凝砂礫石料的配合比、拌和方式、養(yǎng)護(hù)方式都與大壩施工完全相同，試驗(yàn)壩面積為11m×90m，分兩層碾壓。

b.待膠凝砂礫石試驗(yàn)壩初凝后，隨機(jī)選擇3片試驗(yàn)區(qū)域，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域先用MC-3型核子密度濕度儀測(cè)量，再用試坑灌水法進(jìn)行密度測(cè)量，最后從試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)切取立方體(尺寸約為350mm×350mm×350mm)試塊，對(duì)其進(jìn)行密度測(cè)量。

c.對(duì)上述3種檢測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，對(duì)測(cè)量得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 密度測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

2.1 核子密度濕度儀法測(cè)量試驗(yàn)

核子密度濕度儀是利用同位素放射原理實(shí)時(shí)檢測(cè)土工建筑材料的密度和濕度的電子儀器。核子密度濕度儀的內(nèi)部安置兩種放射源，其中銫137伽馬源發(fā)出伽馬(γ)射線用來(lái)測(cè)量材料的密度，镅241/鈹中子源用來(lái)測(cè)量材料的H2O值。核子密度濕度儀測(cè)量的是材料的總原子量，即所測(cè)材料的總密度，不會(huì)受所測(cè)材料的化學(xué)成分和物理狀態(tài)的影響。H2O值測(cè)量時(shí)，中子源放射出的高能中子進(jìn)入所測(cè)材料后，所測(cè)材料中的高能中子和氫原子互相撞擊后速度減緩，這時(shí)儀器探頭內(nèi)的氦-3探測(cè)管接收了減速后的慢中子，慢中子的數(shù)量與所測(cè)材料中的氫原子數(shù)量成正比例關(guān)系，依據(jù)這個(gè)原理就可以準(zhǔn)確測(cè)量出所測(cè)材料的H2O值。核子密度濕度儀進(jìn)行密度和H2O值測(cè)量時(shí)，分別采用不同的數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)，使用不同的放射源和不同的射線接收器，因此密度和H2O值檢測(cè)互不影響。在中國(guó)常用的核子密度濕度儀有MC-S-24 雙桿分層核子密度濕度儀、MC-3核子密度濕度儀和501DR深層核子密度濕度儀[2]，其中MC-3核子密度濕度儀為淺層測(cè)量?jī)x比較適合這次檢測(cè)試驗(yàn)。

試驗(yàn)用已經(jīng)標(biāo)定過(guò)的MC-3型核子密度濕度儀進(jìn)行測(cè)量。采用直接透射式測(cè)量，即在所測(cè)材料上打孔進(jìn)行測(cè)量，此法雖為有損測(cè)量，但測(cè)量的精度高。首先對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)區(qū)域進(jìn)行整平處理，然后用沖擊鉆垂直向下鉆得直徑2cm、深30cm的孔，每個(gè)所選區(qū)域內(nèi)鉆取3個(gè)孔，共計(jì)9個(gè)孔，鉆好后，嚴(yán)格按照核子密度濕度儀操作步驟進(jìn)行測(cè)量。

將事先標(biāo)定好的MC-3型核子密度濕度儀預(yù)熱約10min，放射源棒擰出，插入已預(yù)先鉆好的孔內(nèi)，按下開(kāi)始檢測(cè)按鈕，迅速撤到距儀器2m以外的地方，按照設(shè)定的檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量(一般設(shè)定為1min)，到達(dá)測(cè)定時(shí)間后，讀取顯示的各項(xiàng)數(shù)值，并迅速關(guān)機(jī)。每個(gè)區(qū)域測(cè)取3個(gè)孔，求得干密度的平均值，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表1。核子密度濕度儀操作簡(jiǎn)單、快速。

2.2 試坑灌水法測(cè)量試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)三個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行測(cè)量，所用工具主要有鐵環(huán)(外直徑150cm，內(nèi)直徑138cm，高20cm)、水位測(cè)針、電子秤(稱重在50kg，精確到g)、儲(chǔ)水桶、邊長(zhǎng)大于3m完整結(jié)實(shí)的薄塑料布(塑料布大小與試坑相適應(yīng))。

表1 核子密度濕度儀法測(cè)量結(jié)果

試坑灌水法具體試驗(yàn)步驟為：在挖坑前，將鐵環(huán)平穩(wěn)放好，在試坑頂做灌水試驗(yàn)兩次，用水位測(cè)針測(cè)試兩次，使灌水量誤差控制在不大于1%的范圍內(nèi)，記錄灌水量(M1)、水位測(cè)針的位置和讀數(shù)。由于膠凝砂礫石碾壓混凝土石塊直徑大小不一，開(kāi)挖困難，試坑開(kāi)挖直徑約100cm，深度40～60cm,將挖出的石料和砂漿料分別稱重計(jì)量(M2)，然后取樣裝袋密封保存，送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含水量測(cè)試和密度計(jì)算。將塑料布平鋪并緊貼試坑內(nèi)側(cè)(塑料布要超出鐵環(huán))，一邊把稱量過(guò)的水倒入試坑，一邊把塑料布與試坑之間的空氣排盡，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，當(dāng)達(dá)到?jīng)]有挖坑前水位側(cè)針的讀數(shù)位置時(shí)停止灌水，記錄總灌水量(M3)。試坑體積V=(M3-M1)/ρ水，濕密度ρ=M2/V,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)算，得到的試坑部位密度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。試坑灌水法用時(shí)較長(zhǎng)，一般一天測(cè)量2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，影響工程施工進(jìn)度。

表2 試坑灌水法測(cè)量結(jié)果

2.3 切取立方體試塊稱重法測(cè)量試驗(yàn)

為使試驗(yàn)順利進(jìn)行，可以切割得到完整的膠凝砂礫石試塊，必須在膠凝砂礫石混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度后進(jìn)行試驗(yàn)，又因?yàn)槭乜诒に畮?kù)膠凝砂礫石設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求為180天達(dá)到6MPa，所以對(duì)試驗(yàn)壩進(jìn)行養(yǎng)護(hù)達(dá)到180天后開(kāi)始切割試塊。試驗(yàn)采用大型專業(yè)切割機(jī)，分別在三個(gè)試驗(yàn)區(qū)域切取立方體試塊(尺寸約為350mm×350mm×350mm)，在實(shí)際切割過(guò)程中由于試塊體積較大，若尺寸不太規(guī)整，試塊尺寸有所偏差，應(yīng)進(jìn)行后期打磨加工,再進(jìn)行密度測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，先計(jì)算出立方體試塊體積，然后對(duì)立方體試塊稱重，最后用壓力機(jī)將其壓碎，取部分碎料測(cè)含水率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。切取立方體試塊稱重法工程量大，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且需要專業(yè)設(shè)備切割，條件高、周期長(zhǎng)、破壞性大。

表3 切割立方體試塊稱重法測(cè)量結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)上節(jié)三種檢測(cè)干密度數(shù)據(jù)匯總后，繪制不同檢測(cè)方法的干密度對(duì)比圖，見(jiàn)圖1。

圖1 不同檢測(cè)方法的干密度對(duì)比

在利用不同檢測(cè)方法對(duì)守口堡膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩進(jìn)行密度檢測(cè)試驗(yàn)的過(guò)程中可以看出：核子密度濕度儀法用時(shí)短，方便且易于操作；試坑灌水法比較費(fèi)工費(fèi)時(shí)，對(duì)工程施工進(jìn)度有一定的影響；切取立方體試塊稱重法工程量大，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)而且切割所需要的條件高、周期長(zhǎng)，不適合碾壓混凝土施工的及時(shí)檢測(cè)。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：3種檢測(cè)方法數(shù)據(jù)非常接近，干密度平均值也基本一致，其中核子密度濕度儀法檢測(cè)碾壓混凝土重力壩不僅操作簡(jiǎn)單用時(shí)短，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用3種檢測(cè)方法對(duì)守口堡膠凝砂礫石碾壓混凝土重力壩的密度進(jìn)行檢測(cè)，相互驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。切取立方體試塊稱重法費(fèi)工費(fèi)時(shí)且周期長(zhǎng)破壞性大，不適合在碾壓混凝土工程中進(jìn)行干密度檢測(cè)，但在本次試驗(yàn)中此法可起到驗(yàn)證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的作用；試坑灌水法雖然數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但用時(shí)長(zhǎng)，影響工程施工進(jìn)度；核子密度濕度儀法檢測(cè)碾壓混凝土不僅操作簡(jiǎn)單、用時(shí)短，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。因此，在碾壓混凝土的施工質(zhì)量控制中可以廣泛應(yīng)用核子密度濕度儀進(jìn)行密度檢測(cè)。