两河口水电站大坝工程招标阶段填筑料核子密度仪快速检测方法研究

施召云，张登平

(雅砻江流域水电开发有限公司两河口建设管理局，四川雅江627450)

两河口水电站大坝工程招标阶段填筑料核子密度仪快速检测方法研究

施召云，张登平

(雅砻江流域水电开发有限公司两河口建设管理局，四川雅江627450)

堆石坝工程中细料压实度、粗料孔隙率是施工质量控制的一个重要指标。从保证测试精度角度而言，应采用大粒径大试坑人工检测为主；但从工程施工角度而言，为加快施工进度，减少因质量检测影响施工时间，检测试坑不宜过大；因此，施工质量检测要求与现场施工进度要求存在一定的矛盾。为解决这一矛盾，两河口水电站大坝工程在招标阶段碾压试验过程中，开展了一系列施工质量快速检测方法研究。结合现场碾压试验，对核子密度仪法在掺砾土料、堆石料施工质量检查中的运用进行了介绍。

砾土料；堆石料；核子密度仪法；砾石土心墙堆石坝；两河口水电站

1 工程概况

两河口水电站是雅砻江中下游的控制性工程，坝址控制流域面积6.57万km2，坝址处多年平均流量666 m3/s。水库正常蓄水位2 865 m，相应库容101.54亿m3，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。电站装机容量3 000 MW，多年平均发电量110.00亿kW·h，工程为一等大(1)型工程。挡水建筑物为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程2 875.00 m，最大坝高295.00 m，坝顶宽度16.00 m，为世界在建的最高的土石坝。上游坝坡坡比1∶2.0，下游坝坡坡比1∶1.9。大坝总填筑方量约4 160.50万m3，其中心墙掺砾土料441.14万m3、堆石料2 939.14万m3。

堆石坝工程的细料压实度、粗料孔隙率是施工质量控制的一个重要指标。对于最大粒径≤300 mm粗堆石土的密度测试方法，根据NB/T 35016—2013《土石筑坝材料碾压试验规程》[1]、DL/T5355—2006《水电水利工程土工试验规程》[2]、DL/T5356—2006《水电水利工程粗粒土试验规程》[3]、SL237—1999《土工试验规程》[4]、DL/T5010—2005《水电水利工程物探规程》[5]、SL275—2001《核子水分-密度仪现场测试规程》[6]等相关规范规程中试坑尺寸(直径和深度)规定为介质最大粒径的3～5倍。从保证测试精度角度而言，应采用大粒径大试坑人工检测为主；但从工程施工角度而言，为加快施工进度，减少因质量检测影响施工时间，检测试坑不宜过大；因此，施工质量检测要求与现场施工进度要求存在一定的矛盾。长期以来，专业工程技术人员探索研究，试图寻求一种准确、快捷的方法解决这一问题。在两河口水电站大坝工程招标阶段碾压试验过程中，对核子密度仪表面反射法、钻孔透射法快速检测进行研究，对几种方法间的差异性及在试验检测中的有效性进行对比分析。

2 核子密度仪法工作原理与现场试验检测方法

图1 常见核子密度湿度仪结构示意

2.1 仪器工作原理

2.1.1 仪器构造

核子密度仪由主机、探头和其他辅助部件构成。仪器的探头中装有一个微量密封的铯137伽马源和一个微量密封的镅241/铍中子源。

根据检测深度不同，常见的核子密度湿度仪可以分为浅层核子密度湿度仪、双杆分层核子密度湿度仪、深层核子密度湿度仪几种，分别满足不同的现场检测要求。图1为常见核子密度湿度仪结构示意。

2.1.2 密度测试原理

核子密度仪测量的是材料的总原子量，从而计算被测材料的单位体积总密度，不受被测材料的物理状态和化学成分的影响。铯137伽马源发出伽马(γ)射线进入被测材料，如果材料的密度较低，较多的γ射线就会穿过材料，材料吸收的γ射线较少；反之，如果材料的密度较高，高密度的材料吸收了更多的γ射线，较少的γ射线会穿过材料。装在仪器内的盖革-密勒计数管将会检测到并统计穿透被测材料的射线量(被材料反射和吸收的射线量)。这些信号经转换、放大后，通过传输电缆输送到仪器的数据处理器中，并与仪器伽马源的射线发出量进行对比，根据相应的数据处理程序，可精确集散被测材料的密度[7]。

2.1.3 水分测试原理

核子密度仪测量的是土工材料的总含水率，包括自由水和结合水。仪器测量水分时，中子源放射的高能中子进入被测材料中，被测材料中的氢原子和高能中子相碰撞后减速，减速后的慢中子可以被探头内的氦-3探测管接收到。慢中子的数目与土壤中的氢原子数目成正比关系。根据这个原理可以精确测量出土工材料的总含水率。

2.2 现场试验检测方法

2.2.1 反射法

(1)表面反射法。表面反射法是用浅层核子密度湿度仪对薄层材料或者材料表层进行检测的方法，能够检测介质表层的密度和含水量值，并可以与透射法检测数据建立折线图和差值表来反映表层碾压密度与层内碾压密度的差值大小，从而判断表层碾压的效果优劣。现场使用仪器为美国CPN公司生产的MC-3C型核子密度湿度仪。现场操作是将仪器置于被检测体表面，密封源位于仪器底部的封闭室内，部分射线经过被测体散射到检测器接收器，这样可以测量表面约7 cm厚的平均密度。因为对被测体完全无损，也称无损检测法。这种方法主要用于土基施工过程中的验收。压好的、平整的土基表面，不会因检测造成损害，且检测精度较高。

(2)钻孔反射法。钻孔反射法是用深层核子密度湿度仪对材料较深层部位进行检测的方法，检测深度最大可达10 m。现场使用仪器为美国CPN公司生产的501DR深层核子密度湿度仪。检测时需要在检测填筑料中钻检测孔，成孔后在检测孔中插入检测导管以便放入检测探头。

2.2.2 钻孔透射法

(1)单孔透射法。单孔透射法是用浅层核子密度湿度仪对材料进行透射检测的方法，现场使用仪器为美国CPN公司生产的MC-3C型核子密度湿度仪。检测工作前首先用导板确定检测点位置，再使用仪器配套专用钛合金钻杆、铁锤在检测点处人工锤击造孔，孔径为φ18 mm、深度为30 cm。取出钻杆并拿走导板，最后将带有密封源不锈钢探杆放置在检测孔孔底，同时将核子密度仪安置在检测点处进行压实密度、含水量检测，检测结束后记录数据，移动复合放射源至下一点进行检测。使用MC-3C型核子密度湿度仪进行单孔透射法检测，可按照5 cm的间距检测从地表至地下最大30 cm深度范围被检测材料压实密度和含水量。单孔透射法具有仪器操作简单，检测效率高，稳定可靠等特点。

(2)双孔透射法。双孔透射法是使用双杆分层核子密度湿度仪检测两孔之间的材料密度和含水量的检测法，现场使用仪器为美国CPN公司生产的MC-S-24型核子密度仪。现场检测在检测填筑料中钻2个检测孔，孔间距为30 cm，孔径为φ18 mm，最大深度为60 cm。该仪器密度源和密度探测器分别密封在2个探杆的端头，2根探杆同步伸入到检测材料中，检测两探杆之间每层材料的平均密度和含水量。仪器可对材料表面至表面以下60 cm深度范围进行间隔为5 cm的分层测量。双孔透射法的优点是测量精度高，对材料的平整度没有要求，采用两平行探杆，可进行垂直分层检测，检测碾压层间部位的质量。

3 核子密度仪法试验研究成果

核子密度仪法质量检测试验目的是通过碾压试验质量检测，对检测数据进行统计、分析，建立核子密度仪质量检测的评价标准，通过与传统现场试验方法进行比较，论证核子密度仪在检测中应用的可行性。

3.1 防渗掺砾土料

每个碾压层在附加质量发与地质雷达检测完成后，选取其中3个位置分别做表面反射法与钻孔透射法检测。

结合碾压试验不同料场土料、各场次、各层核子密度仪法，从铺土厚度和碾压遍数、含水率比选等专项试验中，通过含水率(干密度)与碾压遍数变化关系、含水率(干密度)与铺层厚度变化关系及干密度、含水率与加水量变化关系等方面进行综合分析，其规律与坑测法基本一致，各检测成果误差值较小。土料表面反射法湿密度平均值和干密度平均值均小于透射法和挖坑法检测值，说明碾后表层的密度偏低于整体压实密度；钻孔透射法与挖坑法碾后湿密度平均值与干密度平均值相近，干密度平均值之间的差值为0.03 g/cm3，湿密度平均值之间的差值为0.04 g/cm3。通过结论对比分析，核子密度仪法较能适应于掺砾土料施工质量的检测评定。

3.2 堆石料研究成果分析

每个碾压层在附加质量发与地质雷达检测完成后，选取其中3个位置分别做表面反射法与钻孔透射法检测。

堆石料采用振动碾进行碾压试验主要包含碾重选择试验、层厚与碾压遍数选择试验、加水量比选试验、复核试验等各场次专项试验，从铺土厚度和碾压遍数、含水率比选等专项试验中，通过含水率(干密度)与碾压遍数变化关系、含水率(干密度)与铺层厚度变化关系及干密度、含水率与加水量变化关系等方面进行综合分析，其规律与坑测法基本一致，但各检测成果误差值较大。干密度平均值之间的差值为0.11 g/cm3，湿密度平均值之间的差值为0.15 g/cm3。通过结论对比分析，核子密度仪法不太能适应于堆石料施工质量的检测评定。

3.3 研究成果分析评价

(1)防渗掺砾土料、堆石料核子密度仪法检测成果与坑测法检测成果均能建立一定的关联关系，从检测成果误差方面看，防渗掺砾土料子密度仪法检测结果与坑测法检测结果关联性较好。

(2)核子密度仪检测法基本适用于大坝填筑土料及石料的施工碾压质量快速检测，通过现场密度和水分检测对碾压施工过程和质量进行控制。

(3)核子密度法在测试过程中针对不同的测试条件，分表面反射法、单孔透射法法、双孔透射法、单孔反射法。单孔透射法、双孔透射法可针对土料进行快速检测。单孔反射法具有能够检测深层介质的优势，在铺层较厚的石料碾压试验中弥补了浅层核子密度仪可检测深度有限的问题，能够满足石料碾压试验的检测需要。表面反射法可在土料、石料碾压表面针对表层碾压质量进行检测，但深层检测中相对误差较大。

4 结 语

两河口水电站大坝工程招标阶段现场碾压试验阶段，结合试验过程，开展了较为详尽的核子密度法研究工作，通过在不同性状土体、堆石体中的各测点与坑测法成果进行一一对比分析，得出了核子密度法与坑测法的成果差异值对比分析和差异率分析，虽然在检测成果绝对值上存在一定差异，但总体检测规律、成果评价是一致的，能作为施工质量评价的依据。核子密度法检测施工时间短，且对填筑体不造成破坏影响，充分体现了快速、无破坏、较准确的特点，作为均质物质、浅层检测的快速检测方法较优，可为实施阶段大坝填筑施工及同类工程建设提供了良好的借鉴。

[1] NB/T 35016—2013 土石筑坝材料碾压试验规程[S]．

[2] DL/T5355—2006 水电水利工程土工试验规程[S]．

[3] DL/T5356—2006 水电水利工程粗粒土试验规程[S]．

[4] SL237—1999 土工试验规程[S]．

[5] DL/T5010—2005 水电水利工程物探规程[S]．

[6] SL275—2001 核子水分—密度仪现场测试规程[S]．

[7] 李克友, 孙知贤, 杜松. 核子密度仪在土石回填压实度质量检测中的应用[J]. 贵州水力发电, 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，高级工程师，硕士，主要从事水利水电工程施工技术与建设管理方面的工作．

(责任编辑王 琪)