李金峰

(桓仁世元工程質(zhì)量檢測有限公司，遼寧 本溪 117200)

0 引 言

水庫土石壩的安全施工與填筑質(zhì)量檢測之間存在密切關(guān)系，當前最為常見的檢測方法有現(xiàn)場鉆孔、挖坑試驗等技術(shù)。然而，這些方法存在破壞性強、耗資大、費時費力、代表性低及檢測效率低等特點，對土石壩填筑速度和工程施工產(chǎn)生明顯的制約作用。為了從根本上解決常規(guī)檢測技術(shù)存在的問題，非常有必要發(fā)展形成一種無損、簡便、經(jīng)濟、快速的檢測技術(shù)。當前，傳統(tǒng)的土石壩壩體填筑質(zhì)量檢測技術(shù)已無法適應(yīng)水利水電工程建設(shè)發(fā)展的新要求[1]。因此，本研究結(jié)合壩體填筑質(zhì)量檢測實踐經(jīng)驗探討了瞬態(tài)瑞利波檢測技術(shù)原理，通過對瞬態(tài)瑞利波檢測技術(shù)的研究分析了填筑材料的質(zhì)量狀況和波速特征，在此基礎(chǔ)上提出瑞利波反演分析結(jié)果和各測點頻散曲線；根據(jù)現(xiàn)場取樣實驗室檢測數(shù)據(jù)和瞬態(tài)瑞利波檢測的干密度值，揭示了波速與干密度之間的關(guān)系，以期為水庫土石壩施工質(zhì)量監(jiān)控及無損檢測提供一種新的技術(shù)手段[2-10]。

1 土石壩壩體填筑質(zhì)量檢測方法

1.1 技術(shù)原理

瞬態(tài)瑞利波檢測是一種綜合應(yīng)用波的動力學、運動學等特征實現(xiàn)材料質(zhì)量檢測的新方法。在瞬態(tài)激振作用下，將形成一種垂直于自由界面的波型，在傳播過程中波的質(zhì)點震動界面垂直于波傳播方向，且隨著深度的增大振波呈指數(shù)型衰減區(qū)級，質(zhì)點在震動軌跡為沿傳播方向上作橢圓形逆時針或順時針轉(zhuǎn)動。工程質(zhì)量檢測與瑞利波有關(guān)的特征為瞬態(tài)瑞利波檢測技術(shù)的根本依據(jù)，主要包括3個方面，即：①瑞利波在分層介質(zhì)中的頻散特性較為顯著，所以瑞利波波速在不同地質(zhì)分界層處存在較大變化，由此實現(xiàn)準確分層工程地質(zhì)的目標；②瑞利波的穿過深度因波長的不同而不同，地層深度低于某一1/2波長的物性與該波長的波速密切相關(guān)，按照此關(guān)系可對地質(zhì)層厚度及深度測定；③介質(zhì)的物理力學性質(zhì)為決定瑞利波在介質(zhì)中傳播速度的重要因素，介質(zhì)的存在狀態(tài)和物理力學特性可以利用瑞利波速度值的大小反映，并作為介質(zhì)密度值的主要判定依據(jù)。

1.2 工作方法

通過人工的方式將瞬時沖擊力施加于地面，能夠在地面附近形成由多個簡諧波組成的一定頻率區(qū)間的瞬態(tài)瑞利波，這些簡諧波以一定的相速度vR脈沖式向前傳播，在疊加作用下每一諧波的vR為頻率f的函數(shù)。采用炸藥、落重或錘擊作為震源，選取單排列多道觀測系統(tǒng)為瞬態(tài)瑞利波檢測的工作方法。根據(jù)檢測區(qū)物性條件、地勢地貌和地質(zhì)特征，合理選擇儀器工作參數(shù)、各道之間的距離、激振方式、傳感器主頻、第1道傳感器與激振點的偏移距離等，為獲取最佳的觀測效果選取合適的瑞利波觀測窗口。

沿傳播方向?qū)⒂糜谟^測的多道檢波器布置于檢測地面，通過處理所收集的各現(xiàn)場測點信息，按照不同的頻率對各測點的瑞利波進行分離處理，在此基礎(chǔ)上建立瑞利波頻散曲線，即隨著深度的變化瑞利波波速曲線。采用反演分析法對各測點的實測頻散曲線分析，通過各測點速度層位的準確劃分，求解出各層介質(zhì)中每一測點的瑞利波速度值VR。土石壩壩體不同部位的填筑質(zhì)量按照壩體中每個測點的頻散曲線分析確定，如壩基-壩體的接觸情況、填筑材料的均勻性及密實性等。根據(jù)頻散曲線的異常情況描述壩基壩體接觸效果及填筑材料的均勻性、密實性等，如判定離散性、低速拐點等情況。

1.3 干密度檢測技術(shù)

壩體填筑材料的干密度利用瑞利波波速計算時，利用下式反映介質(zhì)密度與瑞利波傳播速度的關(guān)系，即：

(1)

式中：G、VR為剪切模量和瑞利波速度，Pa、m/s；ρ為材料密度，kg/m3。

較密度的增大速度剪切模型明顯較快，因此隨著瑞利波波速的增加密度值也會增大，對此可建立特定介質(zhì)的密度ρ與速度VR關(guān)系式，壩體填筑材料干密度采用瑞利波速度計算確定。試驗研究和理論模型表明，瑞利波波速VR與介質(zhì)密度ρ存在的關(guān)系式如下：

(2)

式中：A、B為待定系數(shù)，根據(jù)指數(shù)回歸分析法和對比分析已知填筑材料干密度試驗確定。

根據(jù)如下流程計算確定填筑材料的干密度：①采用瑞利波頻散曲線反演分析實測土石壩壩體填筑材料，通過速度層位的劃分求解各層介質(zhì)中壩體每一測點的瑞利波速度值；②根據(jù)現(xiàn)場取樣實驗室檢測數(shù)據(jù)和瞬態(tài)瑞利波檢測的干密度值，建立干密度與波速關(guān)系式，在此基礎(chǔ)上完成各層壩體材料每一測點的干密度計算。

2 瞬態(tài)瑞利波檢測技術(shù)的應(yīng)用

2.1 工程概況

遼寧省某水利樞紐工程位于大凌河干流，主要由排減泵站、自動化管理系統(tǒng)、引供水河道、防水扎、堤壩、泵閘、節(jié)制閘、交通橋、景觀綠化及管理區(qū)等組成，是一座集城市供水、防洪排澇、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游觀光等功能于一體的大(1)型水利工程。水庫堤壩型式為均質(zhì)土壩，堤頂構(gòu)造為綠化帶加7m寬瀝青混凝土路面，高程位于6.0-6.2m范圍。粉土為壩體主要填筑材料，其含水量、干密度等主要物理力學指標為25.2%-32.0%和1.41-1.57g/cm3，選用土方?jīng)_挖填法對堤壩壩體填筑施工。結(jié)合質(zhì)量檢測站相關(guān)資料和現(xiàn)場實地調(diào)查結(jié)果，該水庫大壩的填筑材料密實性良好、質(zhì)量均勻穩(wěn)定，基巖未發(fā)現(xiàn)沉渣現(xiàn)象且整體保存良好，可以滿足工程設(shè)計和施工要求。在土石壩壩體施工過程中，技術(shù)管理人員結(jié)合項目實際需要建立了系統(tǒng)、完善的填筑碾壓技術(shù)控制體系，根據(jù)質(zhì)量控制目標和技術(shù)規(guī)范要求保證了填筑施工的整體實效性；同時，施工人員具有認真負責的態(tài)度和高度的責任感，能夠及時有效處理填筑施工過程中存在的問題，保證了各建設(shè)階段吹填粉土填筑碾壓的順利實施[11-13]。

2.2 檢測方法

水庫壩體吹填粉土填筑質(zhì)量的檢測利用多波列數(shù)字圖像完成，壩體填筑檢測樁號為8+085-8+152，檢測段長和堤頂高程為67m、6.2m，粉土填筑深為5.0m，將12個檢測點按照6m等間距布設(shè)于測線上。在壩頂測線檢測點兩側(cè)對稱埋置現(xiàn)場檢測中的傳感器，應(yīng)保持同一直線上排列傳感器與振源點，采用18磅大鐵錘激發(fā)振源并選取主振頻率為4Hz的傳感器。工程勘探多波列檢測和數(shù)字圖像系統(tǒng)的工作參數(shù)設(shè)置為：采集偏移距為5m、道間距為1m的12個采集道，采樣點數(shù)和采樣時間間隔為1022點、0.5ms，以全通過作為通頻寬帶；瑞利波檢測儀、信號傳輸電纜、傳感器和振源等為工程勘探多波列檢測和數(shù)字圖像系統(tǒng)的主要組成。

2.3 瞬態(tài)瑞利波檢測結(jié)果分析

1)壩體填筑質(zhì)量的均勻性和密實性。瑞利波頻散曲線在壩體樁號為8+145和8+081測點時如圖1所示，瑞利波波速剖面圖在吹填粉土壩體8+081-8+147樁號段如圖2所示。其中，橫、縱坐標代表距8+081樁號和壩頂?shù)木嚯x。

(a)樁號為8+145測點處

圖1 瑞利波頻散曲線圖

從圖1(a)可知，頻散曲線在樁號8+145測點處為連續(xù)光滑，波速值為發(fā)現(xiàn)明顯的離散點和低速拐點，變化量較小且處于正常范圍，可見該點處存在均勻性、密實性良好的壩體吹填粉土，整體存在較好的施工質(zhì)量。根據(jù)圖1(b)可知，樁號8+081測點處深度為1.60、3.70m左右的瑞利波頻散曲線存在較為顯著的低速拐點，波速下降幅度較為明顯，可見壩體吹填粉土在1.60、3.70m深左右的均勻性和密實性較差，因此軟弱疏松帶可能存在于該位置處。根據(jù)剖面圖可以看出，瑞利波速度在樁號8+081-8+147段的吹填粉土壩體處較高，存在較好的均勻性和密實性，局部吹填粉土瑞利波速度在壩頂以下2m左右范圍內(nèi)較低，其均勻性和密實性較差?？傮w而言，壩體吹填粉土可能存在疏松、軟弱的部位及其密室情況了依據(jù)瑞利波速度剖面圖反映，由此能夠較為系統(tǒng)、全面的掌握壩體填筑施工質(zhì)量。

2)壩基-壩體接觸效果。在深度為5m左右處各監(jiān)測點瑞利波頻散曲線不存在明顯的離散點或低速拐點，曲線的連續(xù)性較好，由此表明各監(jiān)測點處的吹填粉土壩基-壩體具有良好的接觸效果，壩體清基比較干凈。結(jié)合瑞利波波速在樁號8+081-8+147段的吹填粉土壩體剖面圖，壩基-壩體吹填粉土在壩體檢測段范圍內(nèi)的低速變化區(qū)域不明顯，可見壩體檢測段區(qū)間內(nèi)壩體基礎(chǔ)較為干凈，壩基-壩體的吹填分布存在良好的接觸效果。

3)波速VR與干密度ρd之間的關(guān)系。檢測點的選取位置為壩體施工現(xiàn)場，結(jié)合現(xiàn)場實際情況選取4個鉆孔點，各樣本之間的深度間隔為0.5m，干密度試驗在實驗室完成。通過對比分析4個檢測點處的干密度試驗值和速度大小，利用指數(shù)回歸法建立速度VR與干密度ρd關(guān)系式，見圖2。壩體吹填粉土VR與ρd在壩體填筑檢測段8+081-8+147的關(guān)系式為：

ρd=0.3265VR0.3012

(3)

式中：相關(guān)系數(shù)取值為0.90；根據(jù)上式可知，壩體吹填粉土干密度ρd可依據(jù)現(xiàn)場實測的VR值計算確定。

4)壩體填筑材料干密度。吹填粉土為該水庫大壩的填筑材料，各層吹填粉土在8+095測點處的干密度計算值和瑞利波波速值見表1。

表1 吹填粉土干密度值及瑞利波速度

結(jié)合測點處的干密度計算值和波速大小，吹填粉土的干密度取值區(qū)間為1.245-1.671g/cm3，其中90%以上的層位的干密度值超過1.380g/cm3，僅有少部分層位低于1.380g/cm3。計算得到的密度值>1.380g/cm3為該水利樞紐工程的設(shè)計要求，因此壩體吹填粉土干密度值利用瞬態(tài)瑞利波檢測法得到的合格率為92.4%，可見具有較好的施工質(zhì)量。

根據(jù)不同層位上干密度檢測結(jié)果可知，瑞利波波速值在一定程度上隨著吹填分布干密度的增大而增加，結(jié)合指數(shù)回歸法建立速度VR與干密度ρd關(guān)系，波速值在干密度設(shè)計要求不低于1.380g/cm3以上時應(yīng)控制在120m/s以上。

3 結(jié) 論

1)根據(jù)指數(shù)回歸法建立速度VR與干密度ρd關(guān)系，波速值在干密度設(shè)計要求不低于1.380g/cm3以上時應(yīng)控制在120m/s以上，控制水庫大壩壩體吹填粉土干密度質(zhì)量的有效方法為利用瞬態(tài)瑞利波檢測吹填粉土的瑞利波波速值。

2)對于壩體填筑材料的干密度、壩基-壩體接觸效果、填筑材料均勻性和密實性均可利用瞬態(tài)瑞利波檢測技術(shù)快速檢測，檢測結(jié)果能夠較為準確、客觀的反映填筑材料的實際狀況，可為全面評價和監(jiān)控填筑工程質(zhì)量提供一種新的手段。

3)瞬態(tài)瑞利波檢測壩體填筑質(zhì)量較常規(guī)的檢測方法，存在代表性好、檢測結(jié)果可靠性高、適用范圍廣、信息量豐富等優(yōu)點。采用瞬態(tài)瑞利波檢測技術(shù)可實現(xiàn)快速、簡便、高精度無損檢測，在水利行業(yè)質(zhì)量檢測中的應(yīng)用將越來越廣泛。