关于附加质量法数据采集方法改进的探讨

李先高，王洪岩，杜爱明，余灿林

（1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明，650214；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京，100024；3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明，650041）

关于附加质量法数据采集方法改进的探讨

李先高1，王洪岩2，杜爱明3，余灿林3

（1.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明，650214；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京，100024；3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明，650041）

附加质量法是一种准确、快捷、无损的检测堆石体密度方法。通过梨园水电站大坝堆石体密度附加质量法测试，在测试中不断摸索与实践，改进了检波器与附加质量块的连接方法。检波器与附加质量块的连接采用磁铁连接代替传统的丝口连接，大大提高了工作效率，并有效保护了仪器设备。实践证明，磁铁连接后采集信号质量没有降低，测试成果未受到影响。

附加质量法；传统连接；磁铁连接；对比

0 引言

附加质量法测试大坝堆石体密度，给大坝填筑施工提供了一种十分重要的检测手段。它不仅可以在施工过程中对施工质量进行实时检测，以达到控制填筑质量的目的，同时，还可以给建成后的大坝建立密度数据库和三维密度分布图形。所以，从水电站大坝施工过程质量控制和安全运行的角度来看，采用附加质量法测试堆石体密度具有十分重要的意义。梨园水电站大坝填筑具有填筑量大、工期紧等特点，检测过程干扰又大，要求检测的时间又短，如何提高检测速度是附加质量法急待解决的问题。在实际检测过程中，为了提高检测速度，改进了检波器与附加质量块的连接方法，即采用磁铁连接代替传统的丝口连接。与传统连接方式相比，改进后的方法大大提高了附加质量法的工作效率，而且没有影响到测试精度。

1 大坝填筑料密度检测情况

大坝施工填筑阶段为全面检测阶段，该阶段跟踪检测填筑验收单元，检测时逐层分单元进行。附加质量法测试部位由现场监理工程师指定或由检测人员随机选取，检测数量采取按单元面积进行测点数控制的方法，粗堆石料按单元面积2 000 m2一个测点进行测点数控制，细堆石料按单元面积500 m2一个测点进行测点数控制，但至少保证每个单元布置2个测点。施工填筑过程中，一个单元验仓完毕就进行现场检测，现场提交成果单，及时反馈检测信息，对检测不合格的部位要求及时进行补碾，补碾后用坑测法或附加质量法进行复测，复测合格后才允许上一层填筑。

从2011年9月大坝开始填筑到2013年5月，应用附加质量法共测试6 115点。为了保证每一层第一个单元均有测试数据，实际检测频率是根据施工进度控制的，有时几天没有测试工作，有时一天要测试几个单元的数据，因此，更加要依靠附加质量法无损、快速、准确的优势，达到控制质量的要求。

2 附加质量法工作原理

附加质量法又称为Δm法，该方法的基本思路为：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ρω；第四，用等体积法求取测点地基填筑体的干密度ρd；第五，利用湿密度ρω和干密度ρd求解含水率ω。

2.1 K、m0的测量

地基刚度和地基参振质量是反映地基物理力学特性的两个重要参数，因此地基刚度（K）及地基参振质量（m0）的测量是求解地基土密度（ρ）的首要环节。附加质量法是将一定面积以下的填筑体等效为单自由度线性弹性体系，用附加质量（Δmi）的方法求解堆石（土）体刚度（K）及参振质量（m0），见图1。

图1 附加质量法测试原理示意图Fig.1 Principle of the additional mass method

从（2）式可以看出，如果在地基上加一级质量△m1，可测到一个ω1，这样一个方程中仍有两个未知量K、m0，还是没有唯一解；只有加两级质量△m1、△m2，得到两个相应的频率ω1、ω2，方程（2）才有唯一解，见（3）、（4）式。为了消除测量误差，加上一系列质量△m1、△m2、…，可以测到相应的ω1、ω2、…，作（ω-2-△m）曲线，其反斜率即为K，如（5）式；曲线在m0轴上的截距即为地基土参振质量m0，如（6）式。

2.2 填筑体密度（ρ）的计算

K、m0测量的最终目的是为了计算填筑体密度ρ，根据ρ与K、m0的不同情况，第三代技术提出了解析法、相关法和神经网络法三种密度反演方法。此次试验采用体积相关法求解填筑体密度ρ。所谓“体积相关法”，即参振质量m0除以坑测密度ρ坑得m0相应的体积V0，并利用回归分析的办法建立V0与m0关系。

总之，利用K、m0以及相应的坑测密度ρ坑选取一个样本，只要样本有足够的代表性（样本量足够大、范围足够宽），就一定能够得到V0与m0的较佳关系，利用此关系，即可准确地计算出密度来。干密度ρd的求解可利用V0-m0和V0-md关系求得，md为参振质量m0脱水后的参振质量。

3 附加质量法设备及采集过程

3.1 附加质量法设备

附加质量法设备主要包括：振动信号分析仪、传感器、附加质量块、激振锤、电缆等。相关设备的相关仪器参数如下：

（1）振动信号分析仪：要求有较佳的频率细化功能和绘图功能；

（2）60～80 Hz的速度型传感器1～3只；

（3）刚性附加质量块（以铁饼为宜）80 kg×5块；

（4）激振锤一个，50 kg左右；

（5）电缆5～10 m。

3.2 附加质量法数据采集过程

附加质量法数据采集主要过程如下：

（1）选点：根据工程要求选定点位；

（2）在测点处找平铺砂；

（3）将铁饼或承压板平置在测点上；

（4）在测点处承压板（或铁饼）中心埋置一只传感器，并与仪器连接；

（5）激震测点旁土，由仪器记录传感器输入仪器的信号，并分析、显示、保存。

4 附加质量法采集方法的改进

4.1 改进后的连接与传统连接

传统检波器与附加质量块之间的连接方法见图2，主要靠丝牙连接，改进后检波器与附加质量块之间的连接方法见图3，主要靠磁铁连接。传统丝牙连接方法有以下弊端：

图2 传统检波器连接方法Fig.2 Traditional connection of the detector

图3 改进后的检波器连接方法Fig.3 Improved connection of the detector

（1）测试点数过多，时间过长的话，丝牙特别容易损坏，也容易损坏检波器。

（2）丝牙口经常堵，易进粉尘、泥垢之类脏物，影响检波器与附加质量块的耦合。

（3）在将检波器转进丝牙的过程中，时间长了，容易损伤电缆，而附加质量法对电缆的要求特别高。

（4）每次都需要转动检波器，较浪费时间。

如果采用改进后的磁铁连接方法，以上所有弊端都可以避免，磁铁连接的测试效果如下文所述。

4.2 方法改进后论证

为了验证检波器与附加质量块连接方法改进后的有效性，有必要对改进后方法进行有效性论证。论证分以下步骤进行：

（1）对垫层区2A料、过渡区3A料、主堆石区3B料各测试一个点；

（2）分五级、四级、三级、二级、一级附加质量块分别测试；

（3）各级块上进行传统连接与改进后磁铁连接测试；

（4）改进后的磁铁连接分正中间、半径中点与半径最外侧测试；

（5）对比各种情况测试的频率值。

4.2.1 垫层区2A料

垫层区2A料最大粒径80 mm，在附加质量块为五级时，传统直接丝牙连接时检波器在附加质量块正中间，改进后的磁铁连接时检波器在附加质量块上的正中间、半径中点及两处半径最外侧，这五种情况时分别测试频率，并进行误差分析。同样，当附加质量块为四块、三块、二块和一块时，分别进行以上五种情况频率分析。

通过测试分析，最终垫层区2A料在不同连接情况下的测试信号频率分析成果见表1。

当改进后用磁铁连接时，只要检波器在附加质量块半径中点以内，其测试信号频率和传统丝牙直接连接时的信号频率相对误差都比较小，相对误差最大值3.70%，最小值0.54%，平均值1.99%。

4.2.2 过渡区3A料

过渡区3A料最大粒径300 mm，与垫层区2A料进行同样的分析，过渡区3A料采用不同附加质量块不同连接情况下的测试成果见表2。

当改进后用磁铁连接时，只要检波器在附加质量块半径中点以内，其测试信号频率和传统丝牙直接连接时的信号频率相对误差都比较小，相对误差最大值3.92%，最小值0.00%，平均值1.56%。

4.2.3 主堆石区3B料

主堆石区3B料最大粒径800 mm，与垫层区2A料、过渡区3A料进行同样的分析，主堆石区3B料采用不同附加质量块不同连接情况下的测试成果见表3。

当改进后用磁铁连接时，只要检波器在附加质量块半径中点以内，其测试信号频率和传统丝牙直接连接时的信号频率相对误差都比较小，相对误差最大值5.57%，最小值0.00%，平均值1.66%。

通过以上不同分区、不同最大粒径料源在不同连接情况下的频率分析，可得出如下结论：只要检波器在附加质量块半径中点以内，其测试信号频率和传统丝牙直接连接时的信号频率相对误差都比较小。

表2 过渡区3A料测试信号频率分析成果表Table 2 Analysis result of the test signal frequency for the 3A material in the transition area

4.3 方法改进后实测值与坑测值对比

梨园水电站大坝自2011年8月份开始填筑，随即用附加质量法开始进行检测，至2013年6月份共检测6 100点左右。附加质量法数据采集按上述方法是从2012年1月开始，2012年1月～2013年5月共检测5 029个点，此期间业主第三方试验共进行坑测法669个点，将此期间附加质量法与坑测法检测成果汇总，得到成果表4。

从表4可看出，不同分区、不同料源的附加质量法与坑测法的干密度相对误差值非常小，相对误差最大值2.00%，最小值0.08%，平均值0.93%。不同分区、不同料源的附加质量法与坑测法干密度的

表3 主堆石区3B料测试信号频率分析成果表Table 3 Analysis result of the test signal frequency for the 3B material in the main rockfill area

表4 附加质量法检测与坑测法检测情况汇总表Table 4 Results by additional mass method and pit measurement method

标准差也十分接近，说明两种方法测试成果的离散程度也非常接近。

5 结语

在附加质量法测试中，对于检波器与附加质量块的连接方式，通过对不同最大料径料源、检波器在不同位置等各种情况下的频率分析，结果表明只要检波器在附加质量块半径中点以内，改进后的磁铁连接方式比传统的丝牙连接方式具有更高的工作效率，也大大地减少了仪器设备的损伤率。通过两年的现场实际测试数据分析，将改进后的附加质量法与坑测法数据进行比对，也充分说明了改进后的附加质量法与坑测法相对误差非常小。附加质量法检波器连接方式的改进更加体现了准确、快捷、无损等特点。■

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[3]郭庆国,蒋华安.测原位密度的附加质量法在小浪底工程中的应用与评价[J].水利水电科技进展,1999,19(5)：46-48.

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Improvement of data collection in application of additional mass method

LI Xian-gao,WANG Hong-yan,DU Ai-ming and YU Can-lin//Huaneng Lancang River Hydropower Co.,Ltd.

Additional mass method is fast,accurate and non-destructive for density measurement of rockfill body.Combined with the case of Liyuan hydropower station,the connection between detector and additional mass block is improved,in which magnetic connection is adopted instead of thread connection.In this way,efficiency is enhanced and the instruments are well protected.The practical application shows that the magnetic connection doesn't exert adverse influence on collection signal and the test result is not effected.

additional mass method;traditional connection;magnetic connection;comparison

TV523

A

1671-1092（2017）03-0026-06

2016-05-20；收回日期：2016-12-19

李先高（1981-），男，贵州遵义人，工程师，主要从事水电工程安全质量及环保管理工作。

作者邮箱：bjjcwhy@163.com