大坝填筑坑测干密度与附加质量法测干密度相关性研究

谭崧

【摘 要】某水电站大坝坝型为混凝土面板堆石坝，为确保大坝堆石填筑质量，堆石填筑密度采用传统的灌水法和附加质量法共同检测。但实际施工中因堆石的岩性、粒径及成分复杂多变，以及附加质量法本身条件的限制，实际施工中测试精度有一定得偏差。本文就附加质量法干密度测试精度与传统的灌水法进行比较，找出在特定的条件下两者之间的一般关系。

【关键词】大坝填筑；坑测干密度；相关性

0.工程概况

某水电站混凝土面板堆石坝坝顶高程1626.00m，坝基最低高程1471.00m，最大坝高155m。坝顶长525.328m，坝顶宽12m，坝底最大宽度455m，坝顶上游侧设4.2m高混凝土防浪墙，墙顶高程1627.20m。坝体从上游向下游依次分为垫层区（2A）、过渡区（3A）、主堆石区（3B）、下游干燥堆石区（3C）、下游堆石排水区（3D），在周边缝下设特殊垫层区（2B）。在面板上游面下部设上游铺盖区1A及盖重区1B。

1.附加质量法

附加质量法又称为△m法，其基本原理为：第一，将测点抽象为“质弹体系”振动模型；第二，用附加质量法测量测点处的地基刚度K和地基土参振质量m0；第三，用体积相关法求解地基填筑体的湿密度ρ；第四，用等体积法求取测点地基填筑体的干密度ρ；第五，利用湿密度ρ和干密度ρ求解含水率ω。

本工程附加质量法的主要设备配置：WYS密度检测仪、频率27Hz～100Hz拾震器、半径25cm，重量80㎏的圆形钢质承压板5块、50kg击震锤等。

2.传统灌水法

灌水法又名坑测法，适用于各类土。其试验过程为：第一，找平需要试验的部位，安放套环；第二，将塑料薄膜铺设在套环底部，然后将套环注满水至与套环顶面齐平并计算水质量m；第三，排出套环内水，取出薄膜，在套环内挖坑取样，计算取样质量m；第四，在试坑内铺设薄膜，注水至与套环齐平，计算水质量m。据此计算试样湿密度ρ；

ρ=·ρ

式中：

ρ——试坑土的湿密度，g/cm3；

m——注入套环内水的质量，g；

m——试样的质量，g；

m——注入套环和试坑内水的质量，g；

ρ——水的密度，g/cm3；

3.现场试验检测

附加质量法测点按单元面积进行控制，粗堆石料按面积2000m2一个测点进行控制，细堆石料按面积500m2一个测点进行控制，并保证每个填筑单元布置一个测点。对检测不合格的部位及时进行补碾，补碾后用灌水法或附加质量法进行复测。附加质量法的实验结果按2.3g/cm3控制，即小于2.3g/cm3，的测点为不合格测点，灌水法按设计压实干密度控制。

4.试验结果统计

截止到2012年11月底，完成大坝填筑453.56万方，其中2A料12.102万方，2B料1.32万方，3A料45.218万方，3B料253.24万方，3C料53.216万方，3D料168.24万方。

完成附加质量法测点5357个，完成灌水法测点681个。以上测点数据包含对不合格点的复测数据。

5.试验结果对比

2A料：两种干密度测试方法的干密度最小值相同，而附加质量法干密度的最大值和平均值较灌水法偏高，分别高102.90%和 101.73%。两种测试方法干密度的离散程度相差不大，两者相比灌水法的离散性稍好。

2B料：附加质量法干密度实验数据范围较灌水法宽泛，由此可见附加质量法实验结果离散性较灌水法大，其中最大值前者是后者的104.62%，最小值前者是后前的96.90%，平均值前者是后者的100.87%。

3A料：灌水法干密度的最大值和最小值较附加质量法都偏大，数据显示最大值、最小值前者比后者分别大105.58%、104.27%。虽两者的平均值相同，但灌水法干密度的离散性较附加质量法的大。

3B料：如同2B料，附加质量法干密度的数据范围较灌水法宽，标准差显示附加质量法干密度实验结果的离散性较大。最大值前者是后者的134.57%，最小值前者是后者的92.14%。平均值两者相差不大，前者是后者的99.41%。

3C料：附加质量法干密度的数据范围较灌水法宽，但平均值相近。干密度最大值前者是后者的102.53%，最小值前者是后者的97.35%，平均值前者是后者的100.43%，前者数据的离散性较后者稍大。

3D料：灌水法干密度的最大值和最小值较附加质量法都大，但两者平均值和标准差都相近。最大值前者是后者的101.21%，最小值前者是后者的104.63%，平均值前者是后者的100.43%。后者数据的离散性稍大。

6.数据分析

2A料：两种干密度测试方法的样本数量都足够大，从数据上来看实验结果的最大值和最小值有少许差异，但都在3%以内。两者的标准差都不大，在0.04以下，且两者标准差的数值相差较小，说明实验结果的离散性不大，在一定的、合理的范围内波动。如以两种方法的平均值代替两组样本数据，则其数值关系为：

△m=1.0173ρ

2B料：因2B料的填筑方量不大，且填筑面积较小，故两种干密度实验方法的样本数量都不大。从仅有的数据分析，两者无论最小值、最小值或者是平均值的数值差异都在5%以内。附加质量法的样本数量较少，故数值的离散性较大。2B料两种干密度测试方法的数值关系不做相关性分析。

3A料：两种干密度测试方法的样本数量都足够大，具有一定的代表性。从数据上来看，灌水法干密度的最大值较附加质量法大了105.58%，但从总体样本上看，灌水法干密度大于2.5g/cm3的测点仅此一个，因此可以将该点从样本总数里面扣除，扣除后的样本最大值是2.5g/cm3，平均值几乎不受影响，而此时灌水法干密度的标准差为0.0366，与附加质量法相差无几。故在样本数量足够大时，可以认为附加质量法与灌水法能相互代表。即：

△m=ρ

3B料：可以认为两种测试方法的样本数量足够大，具有一定的代表性。从数据上来看，附加质量法的干密度最大值3.27g/cm3明显是不合理的（实验得出此种料的综合比重仅为2.91g/cm3），如忽略最小值相差较大的因素，可以认为两种干密度实验方法的结果可以用两组样本的平均值代替，则其数值关系为：

△m=0.9916ρ

3C料：为下游干燥堆石区，截止到目前填筑方量不大，故两种方法的实验测点数都比较小。从数据上看两者的最大值、最小值和平均值的差异都在3%以内，且两者的标准差也在0.04左右，数据的离散性程度相近。但因两种方法的样本数量都不大，故不作相关性分析。

3D料：为主堆石区，填筑方量较大，测点较多。从数据表中可以看出灌水法的最大值、最小值和平均值比附加质量法的都略大，前者分别是后者的101.21%、104.63%和100.43%，两组数据差异在5%以内，且两者标准差都在0.04左右，数据的离散程度相仿。在此条件下，如用平均值代表两组样本，则其数值关系为：

△m=0.9958ρ

以上式中：

△m——附加质量法试验密度

ρ——灌水法试验密度

7.结论

附加质量法密度检测技术，是一种原位、快速和无损的密度测定新方法，特别是在大粒径的堆石区，其快速、准确的优越性更加明显。在测试中，需要选取合适的测试参数和技术，才能达到满足工程条件和规范的质量检测。在上述两个情况不同的实例中，附加质量法密度测试结果与灌水法实验值比较，附加质量法的测试精度绝大部分高于95%，相对误差一般小于5%，个别点位误差为5%-6%。附加质量法测试结果达到了施工设计要求，同时也满足了快速、高强度生产条件下施工质量要求。