張 巖,馬圣敏,張建清,劉林鱧

(1.四川大渡河雙江口水電開發(fā)有限公司,四川 馬爾康 513229;2.長江地球物理探測(武漢)有限公司,武漢 430000)

0 引 言

附加質(zhì)量法作為一種無損、快速的堆石體壓實密度評價方法,已在國內(nèi)外眾多大型水利水電工程得到大規(guī)模應(yīng)用。1999年,附加質(zhì)量法得到了零星應(yīng)用,以小浪底工程、清江水布埡為代表[1-2];2008年,糯扎渡水電站開展了附加質(zhì)量法的大規(guī)?，F(xiàn)場試驗,通過技術(shù)革新,使得附加質(zhì)量法技術(shù)逐漸成熟[3];其后,該技術(shù)逐漸推廣到了其他工程,如梨園水電站[4-5]、句容抽水蓄電站、觀景口水電站[6-7];隨著一帶一路建設(shè),該技術(shù)也應(yīng)用在國外水利水電工程,如巴基斯坦Karot水電站[8]。附加質(zhì)量法檢測方法從零星生產(chǎn)試驗到大規(guī)模應(yīng)用,經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展,也開展了工程實用化方面的諸多研究。對于附加質(zhì)量法在水利水電工程的應(yīng)用范圍問題,武曉杰等[9]在兩河口水電站針對不同的堆石料區(qū)開展了附加質(zhì)量法現(xiàn)場試驗,將摻礫土料納入到了附加質(zhì)量法試驗范圍,結(jié)果證實附加質(zhì)量法對堆石料具有廣泛的適用性,但摻礫土料不適用的結(jié)論;對于附加質(zhì)量法檢測參振體范圍問題,張智等[10-11]、李旭[12]、謝海粟[13]采用數(shù)值模擬方法深入研究了介質(zhì)參數(shù)對堆石體參振范圍和接收信號主頻的影響,質(zhì)量塊個數(shù)、質(zhì)量塊偏移距、質(zhì)量塊半徑對堆石體參振范圍的影響;在現(xiàn)場測試技術(shù)方面,李先高等[14]對附加質(zhì)量法現(xiàn)場采集進(jìn)行了改進(jìn)嘗試,徐偉等[15]對現(xiàn)場測試過程中影響主頻的各種重物干擾進(jìn)行了分析,得出其影響距離,蔡加興等[16]采用相對密度方法嘗試提高附加質(zhì)量法測試精度,張智等[17]采用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析了附加質(zhì)量的級數(shù)、主頻的確定方法對測試結(jié)果的影響以及外界因素對主頻測試結(jié)果的影響;馬其等[18]結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)試驗利用附加質(zhì)量法進(jìn)行碾壓效果監(jiān)測分析,說明附加質(zhì)量法在不同壓實條件下適應(yīng)性較好。在方法技術(shù)的應(yīng)用效果方面,張建清等[19]總結(jié)了附加質(zhì)量法成套檢測技術(shù)體系及其應(yīng)用效果,充分印證了該方法的有效性與實用性。

雖然附加質(zhì)量法在大壩堆石體碾壓質(zhì)量控制上進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用,應(yīng)用效果良好,但在最佳附加質(zhì)量法測試參數(shù)的選取上,還未從采集波形、頻譜分析、回歸分析以及成果驗證方面進(jìn)行整體評價,有必要結(jié)合大量的試驗,得出相應(yīng)工程的最佳測試參數(shù)。本文結(jié)合雙江口水電站大壩堆石體碾壓試驗,開展了相關(guān)試驗研究,并進(jìn)行了實踐驗證。

1 附加質(zhì)量檢測方法

1.1 測試原理

將堆石體(如圖1所示)等效為無阻尼線性彈性系統(tǒng)(如圖2所示),通過測試附加質(zhì)量體Δm與堆石體參振質(zhì)量m0產(chǎn)生共振的固有頻率ω,建立堆石體彈性系數(shù)(動剛度)K=ω2(m0+Δm)的關(guān)系型式。通過現(xiàn)場測試,求解參振堆石體的動剛度K、參振質(zhì)量m0及固有頻率ω0(如圖3所示),進(jìn)而求得堆石體密度ρ0。

圖1 參振堆石體

圖2 等效體系

圖3 ω-2-Δm曲線

1.2 測試方法

將附加質(zhì)量塊逐層疊放在堆石體上,檢波器置于最上層附加質(zhì)量塊中央。根據(jù)炮檢距(炮檢距為震源中心點與質(zhì)量塊中心點的距離)設(shè)置震源中心點的位置。抬升震源,讓其自由落體,使得被測堆石體與附加質(zhì)量塊產(chǎn)生共振,測得當(dāng)前附加質(zhì)量下的主頻;移除一塊質(zhì)量塊,采用同樣的方法測試下一級主頻;繼續(xù)測試,直到最后一塊質(zhì)量塊。

1.3 測試參數(shù)

附加質(zhì)量法需要確定的現(xiàn)場測試參數(shù)主要有質(zhì)量塊直徑、炮檢距、震源高度。

1.3.1 附加質(zhì)量塊直徑

1.3.2 炮檢距

炮檢距變化對振動信號有一定影響,從而影響到主頻數(shù)據(jù),需要現(xiàn)場試驗來確定。

1.3.3 震源高度

震源高度對附加質(zhì)量塊與參振堆石體共振影響較大。當(dāng)偏移距固定時,主頻隨震源高度的變化并不具有規(guī)律性,也需要現(xiàn)場試驗來確定。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗場地與試驗對象

試驗場地選擇雙江口水電站大壩堆石堆石料Ⅲ區(qū)。雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市、金川縣境內(nèi),是大渡河流域水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫。攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩,礫石土心墻堆石壩壩頂高程2 510.0 m,河床部位心墻底高程2 199～2 205 m,基底設(shè)混凝土基座,基座內(nèi)設(shè)置基巖帷幕灌漿廊道(3.0 m×3.5 m),最大壩高312 m(含1 m厚基座),壩頂寬度16.0 m,壩頂長度639.25 m。試驗所處的位置位于堆石料Ⅲ區(qū),具有如下特征：

(1)堆石料Ⅲ區(qū)料源為微、弱風(fēng)化或新鮮的樞紐區(qū)開挖料,石料的飽和抗壓強(qiáng)度>60 MPa。

(2)級配連續(xù)良好,最大與最小邊長之比≤4,最大粒徑≤800 mm,<5 mm的顆粒含量≤25%,堆石料Ⅲ實際顆粒級配曲線圖如圖4所示。

圖4 堆石料Ⅲ區(qū)顆粒級配曲線

(3)堆石料Ⅲ區(qū)孔隙率≤22%。

2.2 試驗方案

為了分析不同的測試參數(shù)對采集波形、分析主頻、回歸精度以及對比驗證的影響,在堆石料Ⅲ區(qū)選擇了一定數(shù)量的試驗點進(jìn)行全過程試驗,先進(jìn)行附加質(zhì)量法的測試,再進(jìn)行同點位坑測法的測試。每個測點選取不同附加質(zhì)量塊直徑、炮檢距、震源高度參數(shù)組合,其中,質(zhì)量塊直徑為50、70、90、120 cm,炮檢距為25、50、75 cm,震源高度為35、50 cm。

2.3 評價方法

如前所述,為選擇最佳現(xiàn)場測試參數(shù),對附加質(zhì)量法測試全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行了評價,分為采集波形、主頻分析、回歸精度及與坑測法的對比誤差。

2.3.1 檢測波形質(zhì)量

由于附加質(zhì)量法檢測對象為碾壓密實的堆石體,在無強(qiáng)振動干擾且檢波器與質(zhì)量塊貼合緊密的情況下,采集的波形質(zhì)量與震源能量直接相關(guān),而震源能量與震源距質(zhì)量塊的平面位置、震源高度有關(guān)。

波形試驗主要評價波形的完整性,波形完整性評價標(biāo)準(zhǔn)為：①能識別有效波,波形尾端無干擾波;②采集長度范圍內(nèi),波形正常衰減;③同一級多次采樣信號相位一致;④無削波現(xiàn)象。

依據(jù)以上評價標(biāo)準(zhǔn),圖5(a)為正常波形,圖5(b)為不正常波形。

圖5 檢測波形示意圖

2.3.2 主頻分析

通過對采集的波形進(jìn)行頻譜分析,得到頻譜圖。頻圖應(yīng)呈正態(tài)分布,如圖6(a)所示,不能出現(xiàn)“多峰”現(xiàn)象,如圖6(b)所示。頻譜圖呈現(xiàn)多峰的主要原因是附加質(zhì)量塊與堆石體無法建立完整的振動體系,一方面震源提供的能量無法促使二者共振;另一方面堆石體顆粒分布、附加質(zhì)量塊的重量、直徑等對振動體系的建立有一定影響。為避免多峰現(xiàn)象,一是要提高震源高度、錘擊點貼近質(zhì)量塊中心;二是選擇與顆粒級配相匹配的質(zhì)量塊直徑參數(shù),以及合理的質(zhì)量塊重量,使得附加質(zhì)量塊與堆石體共振,產(chǎn)生有效振動信號。

圖6 頻譜分析示意圖

2.3.3 相關(guān)系數(shù)

基于測試參數(shù)計算ω-2、Δm,分析兩者的線性相關(guān)系數(shù)。ω-2與Δm應(yīng)呈正相關(guān),且相關(guān)系數(shù)應(yīng)>0.99。

2.3.4 誤差分析

對附加質(zhì)量法測試結(jié)果與坑測法結(jié)果進(jìn)行對比分析,計算其絕對誤差與相對誤差,通過誤差大小評價試驗效果。

通過收集整理糯扎渡、苗尾、猴子巖、兩河口、江坪河、拉洛、鍋浪蹺、觀景口、句容、長龍山和巴基斯坦karot共11個水利水電項目的4 500個附加質(zhì)量法與坑測法對比數(shù)據(jù),統(tǒng)計結(jié)果如表1所示,相對誤差<3%的樣本約占樣本總數(shù)的95%,滿足工程檢測要求,為此本文將3%作為誤差分析結(jié)果的評判依據(jù)。

表1 附加質(zhì)量法與坑測法誤差分析統(tǒng)計

3 試驗結(jié)果與分析

本次試驗共選取了408個測點進(jìn)行了試驗,具體如下：

3.1 檢測波形質(zhì)量

檢測數(shù)據(jù)如表2所示,從表2可知,在只考慮質(zhì)量塊直徑的情況下,直徑為50 cm的波形合格率平均值為98.03%,高于70、90、120 cm的波形合格率平均值;若只考慮震源高度,震源高度為35 cm的波形合格率整體優(yōu)于震源高度為50 cm的波形合格率;若只考慮炮檢距,則炮檢距為25 cm的波形合格率整體優(yōu)于炮檢距為50、75 cm的波形合格率。

表2 波形質(zhì)量評價

將參數(shù)進(jìn)行組合并繪制了如圖7所示直方圖,由圖7可以看出,質(zhì)量塊直徑50 cm、震源高度35 cm、炮檢距25 cm,質(zhì)量塊直徑50 cm、震源高度35 cm、炮檢距50 cm,質(zhì)量塊直徑50 cm、震源高度50 cm、炮檢距25 cm,質(zhì)量塊直徑50 cm、震源高度50 cm、炮檢距50 cm的4組試驗參數(shù)組合成果為最優(yōu),波形合格的數(shù)據(jù)為100%。

圖7 合格波形占比分布

3.2 主頻圖譜

主頻圖譜分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 主頻圖譜評價

在只考慮質(zhì)量塊直徑的情況下,直徑為50 cm的頻譜合格率優(yōu)于直徑為70、90、120 cm的波形合格率平均值;若只考慮震源高度,震源高度為35 cm的頻譜合格率整體優(yōu)于震源高度為50 cm的頻譜合格率;若只考慮炮檢距,則炮檢距為25 cm的頻譜合格率整體優(yōu)于炮檢距為50、75 cm的頻譜合格率。

將參數(shù)進(jìn)行組合并繪制了如圖8所示直方圖,從圖8可知,質(zhì)量塊直徑50 cm、震源高度為35 cm、炮檢距為25 cm的1組試驗參數(shù)組合成果數(shù)據(jù)為最優(yōu),頻譜合格的數(shù)據(jù)為100%。

圖8 單主頻占比分布

3.3 相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)的分析數(shù)據(jù)如表4所示(負(fù)相關(guān)數(shù)據(jù)未進(jìn)行統(tǒng)計)。若只考慮質(zhì)量塊直徑及相關(guān)系數(shù)>0.99的情況,直徑為50 cm的合格率優(yōu)于直徑為70、90、120 cm的合格率;若只考慮震源高度以及相關(guān)系數(shù)>0.99情況,震源高度為35 cm的合格率優(yōu)于震源高度為50 cm的合格率;若只考慮炮檢距及相關(guān)系數(shù)>0.99情況,則炮檢距為25 cm的合格率整體優(yōu)于炮檢距為50、75 cm的合格率。

將相關(guān)系數(shù)>0.96的數(shù)據(jù)按參數(shù)組合后整理成如圖9所示直方圖,從圖9可以看出,質(zhì)量塊直徑50 cm、震源高度為35 cm、炮檢距為25 cm,質(zhì)量塊直徑50 cm、震源高度為50 cm、炮檢距為25 cm及質(zhì)量塊直徑70 cm、震源高度為35 cm、炮檢距為25 cm的3組試驗參數(shù)組合成果數(shù)據(jù)為最優(yōu),占比為100%。

3.4 誤差分析

此次試驗有117個試驗數(shù)據(jù)無法計算,參與誤差計算的數(shù)據(jù)有291個,誤差分析結(jié)果如表5所示。如以相對誤差<3%為評判標(biāo)準(zhǔn),單考慮質(zhì)量塊直徑,直徑為50 cm的合格率優(yōu)于直徑為70、90、120 cm的合格率;單考慮震源高度,震源高度為35 cm的合格率優(yōu)于震源高度為50 cm的合格率;單考慮炮檢距,則炮檢距為25cm的合格率整體優(yōu)于炮檢距為50、75 cm的合格率。

表4 相關(guān)系數(shù)分析

圖9 相關(guān)系數(shù)>0.96占比分布

將相對誤差<3%的數(shù)據(jù)按參數(shù)組合后整理成如圖10所示直方圖,從圖10可知,質(zhì)量塊直徑50 cm、震源高度為35 cm、炮檢距為25 cm的1組試驗參數(shù)組合成果數(shù)據(jù)為最優(yōu),占比為100%。

3.5 綜合分析

考慮到附加質(zhì)量法測試數(shù)據(jù)質(zhì)量與采集波形、頻譜分析圖、回歸分析精度以及與坑測數(shù)據(jù)的誤差均有關(guān)聯(lián),對前述波形分析、頻譜分析、相關(guān)系數(shù)分析以及誤差分析參數(shù)組合集合進(jìn)行取交運算,得出質(zhì)量塊直徑為50 cm、震源高度為35 cm、炮檢距為25 cm的試驗參數(shù)組合。

表5 誤差統(tǒng)計分析

圖10 相對誤差<3%占比分布

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

附加質(zhì)量法測試參數(shù)對于檢測成果質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用,而附加質(zhì)量法測試數(shù)據(jù)質(zhì)量與其數(shù)據(jù)采集、處理流程緊密關(guān)聯(lián),特別是采集波形的合格率、頻譜分析圖的合格率、回歸分析的精度及與坑測數(shù)據(jù)的誤差。

為了獲取附加質(zhì)量法現(xiàn)場測試參數(shù),本文以雙江口水電站堆石料區(qū)為試驗對象,開展了大批量的試驗,通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,得出了質(zhì)量塊直徑為50 cm、震源高度為35 cm、炮檢距為25 cm的附加質(zhì)量法測試參數(shù),指導(dǎo)了附加質(zhì)量法現(xiàn)場測試工作。

本文首次結(jié)合現(xiàn)場試驗開展了附加質(zhì)量法測試參數(shù)的大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,從數(shù)據(jù)采集、分析處理全過程進(jìn)行了評價,最終優(yōu)選了適應(yīng)雙江口水電站現(xiàn)場的測試參數(shù),形成了一套測試參數(shù)的現(xiàn)場確定方法。

4.2 建 議

由于附加質(zhì)量法測試過程耗時較長,在試驗參數(shù)的選取上,只考慮了常見的幾個參數(shù),其取值也較少,建議后續(xù)增加更多的測試參數(shù),同時對取值范圍做相應(yīng)的調(diào)整,從而得出更優(yōu)的測試參數(shù)。