基于面波法的堆石料密度无损检测技术

马雨峰，刘双华，古向军，李斌

（国网新源河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北丰宁068350）

基于面波法的堆石料密度无损检测技术

马雨峰，刘双华，古向军，李斌

（国网新源河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北丰宁068350）

现有的面板堆石坝筑坝料干密度的检测，多采用灌水(砂)法进行，针对该方法检测周期较长、耗费人力较大等问题，文中采用SWS多道瞬态面波法研究了堆石料干密度的快速检测技术，成果对于堆石坝的质量控制与合理加快施工进度具有一定的指导意义。

堆石料；干密度；面波法；快速检测

1 概述

近年来，随着我国经济水平的不断提高，水利、电力等工程的大量兴建，堆石体结构由于其显著的实用与经济特性，使用的比重越发加大。如面板堆石坝、港口堆石路基等。堆石体结构一般是利用天然岩石、块石等材料经爆破开采、振动碾压等多道工序填筑而成，对许多工程而言可实现就地取材，且料源充裕、便于施工，在经济技术指标方面具有显著的优势。现有的面板堆石坝筑坝料干密度的检测，多采用灌水（砂）法进行，该方法存在检测周期较长、耗费人力较大等问题。因此，研究并提出堆石体结构密度的合理、快捷检测与评价方法，从而及时、准确的控制堆石体的压实干密度，在保证堆石体结构施工质量的前提下节省填筑碾压时间具有重要的意义。下面以河北省某面板堆石坝为依托，进行SWS多道瞬态面波法检测，建立无损检测参数与上坝料物理力学参数关系，进而提出堆石料快速检测技术。

2 面波法检测的基本原理

面波顾名思义，是指在介质表面传播的波，这个“表面”的厚度大约为面波的半个波长，该范围内约集中了全部能量的70%以上。瞬态面波的频散特性及其在介质中的传播速度与堆石材料的物理性质密切相关。研究过程中，可采用人为激振法，如重锤敲击、轻型炸药等在堆石体表面激发产生振动脉冲，同时在距离激振点一定的距离(此次研究采用100~200 cm)处布置检波器进行面波信号采集。由于堆石材料为散粒状，其不同粒径的含量不尽相同，再加之碾压过程中存在一定的不均性，使得堆石介质在空间上存在差异，这种差异将引起密度的变化。面波在传过不同密度的堆石材料时，必然产生不同的频散特征。频散特征经波形分析软件处理后即可获取测点处的面波速度加权平均值，并在面波检测面处进行挖坑取样，测得密度值后与实测面波波速进行拟合确定二者之间的关系公式。具体检测使用时，先采用面波法快速检测获取堆石体的波速值，通过拟合关系直接计算出检测区域的干密度值，从而实现堆石料密度的快速检测。

3 面波法检测结果

偏移距为激振点距离第1个检波器的距离采用100~200 cm，具体大小需结合现场检测波形数据而定；12个检波器之间的距离固定为10 cm。检测时使用重锤敲击激振点的承压板，采集12道波形数据。

对采集到的波形进行处理，剔除表面直达波后将每次灌水法测试干密度值与波速测试结果进行拟合，拟合方法采用线性、幂函数拟合，2种拟合方式检测最大误差分别为3.4%，3.8%。

3.1 线性拟合

线性拟合结果见图1、式(1)，其基本物理意义为系统测试最小干密度1.956 g/cm3，随测试波速的增加，干密度呈线性增加规律。

3.2 幂函数拟合

幂函数拟合结果见图2、式(2)，其基本物理意义为系统测试最大干密度2.205 g/cm3，随测试波速的减小，干密度呈幂函数形式减小的规律。

图1 线性拟合结果

图2 幂函数形式拟合结果

4 数值模拟

采用有限差分法对面波在堆石料中的传播特性进行模拟研究。研究模型为半无限空间，上边界为自由边界，左、右两侧为无限远边界，即避免两侧边界对波速传播产生干扰。模拟时，在上边界施加激振力，监测同一时刻不同密度的堆石料中面波的传播特征，基本规律如图3所示。

图3 不同密度土在0.24 s时刻波场

经模拟计算，得到堆石料模型在震源作用下，不同密实度模型内部面波能量分布特征：颜色由冷色到暖色代能量大小的变化，冷色表示负值，暖色代表正值。图3中可以看出：堆石体密实度越高，传播范围越大，说明某一时刻的传播速度越大；相反，密度越小，传播速度也越低，即面波波速随堆石体密度的增大线性增加。数值模拟结果与实测数据对比可知，两者具有较好的一致性。

［1］孙继增，范吉力，陶慧珍，等.堆石坝压实密度快速无损检测新技术［J］.水利水电技术，1996（1）：22—27.

［2］杨成林.瑞雷波勘探［M］.北京：地质出版社，1993.

［3］李兵.瑞雷波技术在巨粒土路基检测中的应用［D］.重庆：重庆交通大学，2011.

［4］王千年.瑞雷面波在堆石体结构中的传播特性及在密实度检测中的应用［D］.上海：上海交通大学，2013.

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2016-11-18