兩河口水電站大壩工程招標階段填筑料核子密度儀快速檢測方法研究

施召云，張登平

(雅礱江流域水電開發有限公司兩河口建設管理局，四川雅江627450)

兩河口水電站大壩工程招標階段填筑料核子密度儀快速檢測方法研究

施召云，張登平

(雅礱江流域水電開發有限公司兩河口建設管理局，四川雅江627450)

堆石壩工程中細料壓實度、粗料孔隙率是施工質量控制的一個重要指標。從保證測試精度角度而言，應采用大粒徑大試坑人工檢測為主；但從工程施工角度而言，為加快施工進度，減少因質量檢測影響施工時間，檢測試坑不宜過大；因此，施工質量檢測要求與現場施工進度要求存在一定的矛盾。為解決這一矛盾，兩河口水電站大壩工程在招標階段碾壓試驗過程中，開展了一系列施工質量快速檢測方法研究。結合現場碾壓試驗，對核子密度儀法在摻礫土料、堆石料施工質量檢查中的運用進行了介紹。

礫土料；堆石料；核子密度儀法；礫石土心墻堆石壩；兩河口水電站

1 工程概況

兩河口水電站是雅礱江中下游的控制性工程，壩址控制流域面積6.57萬km2，壩址處多年平均流量666 m3/s。水庫正常蓄水位2 865 m，相應庫容101.54億m3，調節庫容65.6億m3，具有多年調節能力。電站裝機容量3 000 MW，多年平均發電量110.00億kW·h，工程為一等大(1)型工程。擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程2 875.00 m，最大壩高295.00 m，壩頂寬度16.00 m，為世界在建的最高的土石壩。上游壩坡坡比1∶2.0，下游壩坡坡比1∶1.9。大壩總填筑方量約4 160.50萬m3，其中心墻摻礫土料441.14萬m3、堆石料2 939.14萬m3。

堆石壩工程的細料壓實度、粗料孔隙率是施工質量控制的一個重要指標。對于最大粒徑≤300 mm粗堆石土的密度測試方法，根據NB/T 35016—2013《土石筑壩材料碾壓試驗規程》[1]、DL/T5355—2006《水電水利工程土工試驗規程》[2]、DL/T5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗規程》[3]、SL237—1999《土工試驗規程》[4]、DL/T5010—2005《水電水利工程物探規程》[5]、SL275—2001《核子水分-密度儀現場測試規程》[6]等相關規范規程中試坑尺寸(直徑和深度)規定為介質最大粒徑的3～5倍。從保證測試精度角度而言，應采用大粒徑大試坑人工檢測為主；但從工程施工角度而言，為加快施工進度，減少因質量檢測影響施工時間，檢測試坑不宜過大；因此，施工質量檢測要求與現場施工進度要求存在一定的矛盾。長期以來，專業工程技術人員探索研究，試圖尋求一種準確、快捷的方法解決這一問題。在兩河口水電站大壩工程招標階段碾壓試驗過程中，對核子密度儀表面反射法、鉆孔透射法快速檢測進行研究，對幾種方法間的差異性及在試驗檢測中的有效性進行對比分析。

2 核子密度儀法工作原理與現場試驗檢測方法

圖1 常見核子密度濕度儀結構示意

2.1 儀器工作原理

2.1.1 儀器構造

核子密度儀由主機、探頭和其他輔助部件構成。儀器的探頭中裝有一個微量密封的銫137伽馬源和一個微量密封的镅241/鈹中子源。

根據檢測深度不同，常見的核子密度濕度儀可以分為淺層核子密度濕度儀、雙桿分層核子密度濕度儀、深層核子密度濕度儀幾種，分別滿足不同的現場檢測要求。圖1為常見核子密度濕度儀結構示意。

2.1.2 密度測試原理

核子密度儀測量的是材料的總原子量，從而計算被測材料的單位體積總密度，不受被測材料的物理狀態和化學成分的影響。銫137伽馬源發出伽馬(γ)射線進入被測材料，如果材料的密度較低，較多的γ射線就會穿過材料，材料吸收的γ射線較少；反之，如果材料的密度較高，高密度的材料吸收了更多的γ射線，較少的γ射線會穿過材料。裝在儀器內的蓋革-密勒計數管將會檢測到并統計穿透被測材料的射線量(被材料反射和吸收的射線量)。這些信號經轉換、放大后，通過傳輸電纜輸送到儀器的數據處理器中，并與儀器伽馬源的射線發出量進行對比，根據相應的數據處理程序，可精確集散被測材料的密度[7]。

2.1.3 水分測試原理

核子密度儀測量的是土工材料的總含水率，包括自由水和結合水。儀器測量水分時，中子源放射的高能中子進入被測材料中，被測材料中的氫原子和高能中子相碰撞后減速，減速后的慢中子可以被探頭內的氦-3探測管接收到。慢中子的數目與土壤中的氫原子數目成正比關系。根據這個原理可以精確測量出土工材料的總含水率。

2.2 現場試驗檢測方法

2.2.1 反射法

(1)表面反射法。表面反射法是用淺層核子密度濕度儀對薄層材料或者材料表層進行檢測的方法，能夠檢測介質表層的密度和含水量值，并可以與透射法檢測數據建立折線圖和差值表來反映表層碾壓密度與層內碾壓密度的差值大小，從而判斷表層碾壓的效果優劣。現場使用儀器為美國CPN公司生產的MC-3C型核子密度濕度儀。現場操作是將儀器置于被檢測體表面，密封源位于儀器底部的封閉室內，部分射線經過被測體散射到檢測器接收器，這樣可以測量表面約7 cm厚的平均密度。因為對被測體完全無損，也稱無損檢測法。這種方法主要用于土基施工過程中的驗收。壓好的、平整的土基表面，不會因檢測造成損害，且檢測精度較高。

(2)鉆孔反射法。鉆孔反射法是用深層核子密度濕度儀對材料較深層部位進行檢測的方法，檢測深度最大可達10 m。現場使用儀器為美國CPN公司生產的501DR深層核子密度濕度儀。檢測時需要在檢測填筑料中鉆檢測孔，成孔后在檢測孔中插入檢測導管以便放入檢測探頭。

2.2.2 鉆孔透射法

(1)單孔透射法。單孔透射法是用淺層核子密度濕度儀對材料進行透射檢測的方法，現場使用儀器為美國CPN公司生產的MC-3C型核子密度濕度儀。檢測工作前首先用導板確定檢測點位置，再使用儀器配套專用鈦合金鉆桿、鐵錘在檢測點處人工錘擊造孔，孔徑為φ18 mm、深度為30 cm。取出鉆桿并拿走導板，最后將帶有密封源不銹鋼探桿放置在檢測孔孔底，同時將核子密度儀安置在檢測點處進行壓實密度、含水量檢測，檢測結束后記錄數據，移動復合放射源至下一點進行檢測。使用MC-3C型核子密度濕度儀進行單孔透射法檢測，可按照5 cm的間距檢測從地表至地下最大30 cm深度范圍被檢測材料壓實密度和含水量。單孔透射法具有儀器操作簡單，檢測效率高，穩定可靠等特點。

(2)雙孔透射法。雙孔透射法是使用雙桿分層核子密度濕度儀檢測兩孔之間的材料密度和含水量的檢測法，現場使用儀器為美國CPN公司生產的MC-S-24型核子密度儀。現場檢測在檢測填筑料中鉆2個檢測孔，孔間距為30 cm，孔徑為φ18 mm，最大深度為60 cm。該儀器密度源和密度探測器分別密封在2個探桿的端頭，2根探桿同步伸入到檢測材料中，檢測兩探桿之間每層材料的平均密度和含水量。儀器可對材料表面至表面以下60 cm深度范圍進行間隔為5 cm的分層測量。雙孔透射法的優點是測量精度高，對材料的平整度沒有要求，采用兩平行探桿，可進行垂直分層檢測，檢測碾壓層間部位的質量。

3 核子密度儀法試驗研究成果

核子密度儀法質量檢測試驗目的是通過碾壓試驗質量檢測，對檢測數據進行統計、分析，建立核子密度儀質量檢測的評價標準，通過與傳統現場試驗方法進行比較，論證核子密度儀在檢測中應用的可行性。

3.1 防滲摻礫土料

每個碾壓層在附加質量發與地質雷達檢測完成后，選取其中3個位置分別做表面反射法與鉆孔透射法檢測。

結合碾壓試驗不同料場土料、各場次、各層核子密度儀法，從鋪土厚度和碾壓遍數、含水率比選等專項試驗中，通過含水率(干密度)與碾壓遍數變化關系、含水率(干密度)與鋪層厚度變化關系及干密度、含水率與加水量變化關系等方面進行綜合分析，其規律與坑測法基本一致，各檢測成果誤差值較小。土料表面反射法濕密度平均值和干密度平均值均小于透射法和挖坑法檢測值，說明碾后表層的密度偏低于整體壓實密度；鉆孔透射法與挖坑法碾后濕密度平均值與干密度平均值相近，干密度平均值之間的差值為0.03 g/cm3，濕密度平均值之間的差值為0.04 g/cm3。通過結論對比分析，核子密度儀法較能適應于摻礫土料施工質量的檢測評定。

3.2 堆石料研究成果分析

每個碾壓層在附加質量發與地質雷達檢測完成后，選取其中3個位置分別做表面反射法與鉆孔透射法檢測。

堆石料采用振動碾進行碾壓試驗主要包含碾重選擇試驗、層厚與碾壓遍數選擇試驗、加水量比選試驗、復核試驗等各場次專項試驗，從鋪土厚度和碾壓遍數、含水率比選等專項試驗中，通過含水率(干密度)與碾壓遍數變化關系、含水率(干密度)與鋪層厚度變化關系及干密度、含水率與加水量變化關系等方面進行綜合分析，其規律與坑測法基本一致，但各檢測成果誤差值較大。干密度平均值之間的差值為0.11 g/cm3，濕密度平均值之間的差值為0.15 g/cm3。通過結論對比分析，核子密度儀法不太能適應于堆石料施工質量的檢測評定。

3.3 研究成果分析評價

(1)防滲摻礫土料、堆石料核子密度儀法檢測成果與坑測法檢測成果均能建立一定的關聯關系，從檢測成果誤差方面看，防滲摻礫土料子密度儀法檢測結果與坑測法檢測結果關聯性較好。

(2)核子密度儀檢測法基本適用于大壩填筑土料及石料的施工碾壓質量快速檢測，通過現場密度和水分檢測對碾壓施工過程和質量進行控制。

(3)核子密度法在測試過程中針對不同的測試條件，分表面反射法、單孔透射法法、雙孔透射法、單孔反射法。單孔透射法、雙孔透射法可針對土料進行快速檢測。單孔反射法具有能夠檢測深層介質的優勢，在鋪層較厚的石料碾壓試驗中彌補了淺層核子密度儀可檢測深度有限的問題，能夠滿足石料碾壓試驗的檢測需要。表面反射法可在土料、石料碾壓表面針對表層碾壓質量進行檢測，但深層檢測中相對誤差較大。

4 結 語

兩河口水電站大壩工程招標階段現場碾壓試驗階段，結合試驗過程，開展了較為詳盡的核子密度法研究工作，通過在不同性狀土體、堆石體中的各測點與坑測法成果進行一一對比分析，得出了核子密度法與坑測法的成果差異值對比分析和差異率分析，雖然在檢測成果絕對值上存在一定差異，但總體檢測規律、成果評價是一致的，能作為施工質量評價的依據。核子密度法檢測施工時間短，且對填筑體不造成破壞影響，充分體現了快速、無破壞、較準確的特點，作為均質物質、淺層檢測的快速檢測方法較優，可為實施階段大壩填筑施工及同類工程建設提供了良好的借鑒。

[1] NB/T 35016—2013 土石筑壩材料碾壓試驗規程[S]．

[2] DL/T5355—2006 水電水利工程土工試驗規程[S]．

[3] DL/T5356—2006 水電水利工程粗粒土試驗規程[S]．

[4] SL237—1999 土工試驗規程[S]．

[5] DL/T5010—2005 水電水利工程物探規程[S]．

[6] SL275—2001 核子水分—密度儀現場測試規程[S]．

[7] 李克友, 孫知賢, 杜松. 核子密度儀在土石回填壓實度質量檢測中的應用[J]. 貴州水力發電, 2012, 26(1)： 71- 75．

StudyonNuclearDensityGaugeFastDetectionMethodofFillingMaterialfortheDamProjectofLianghekouHydropowerStationinBiddingStage

SHI Zhaoyun, ZHANG Dengping

(Lianghekou Construction Management Bureau, Yalong River Basin Hydropower Development Co., Ltd., Yajiang 627450, Sichuan, China)

The compaction degree of coarse material and the porosity of rough material are important index of construction quality control in rockfill dam project. From the point of view of ensuring the accuracy of detection, it should be based on manual detection of large-particle large-size test pit, but in order to speed up construction schedule and reduce the influence of quality inspection on construction duration, the test pit should not be too large. Therefore, there is a certain contradiction between the requirements of construction quality inspection and on-site construction progress. For solving this problem, a series of rapid inspection methods for construction quality are carried out based on on-site rolling compaction tests in the bidding stage of dam project of Lianghekou Hydropower Station. Based on on-site rolling compaction tests, the application of nuclear density gauge in construction quality inspection of gravel material and rockfill material rolling are introduced．

gravel material; rockfill material; nuclear density gauge method; gravel soil core wall rockfill dam; Lianghekou Hydropower Station

TV523;TV641.41

A

0559- 9342(2017)09- 0062- 03

2017- 03- 04

施召云(1979—)，男，四川大竹人，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程施工技術與建設管理方面的工作．

(責任編輯王 琪)