基于瞬态瑞利波检测技术的水库土石坝坝体填筑质量研究

李金峰

(桓仁世元工程质量检测有限公司，辽宁 本溪 117200)

0 引 言

水库土石坝的安全施工与填筑质量检测之间存在密切关系，当前最为常见的检测方法有现场钻孔、挖坑试验等技术。然而，这些方法存在破坏性强、耗资大、费时费力、代表性低及检测效率低等特点，对土石坝填筑速度和工程施工产生明显的制约作用。为了从根本上解决常规检测技术存在的问题，非常有必要发展形成一种无损、简便、经济、快速的检测技术。当前，传统的土石坝坝体填筑质量检测技术已无法适应水利水电工程建设发展的新要求[1]。因此，本研究结合坝体填筑质量检测实践经验探讨了瞬态瑞利波检测技术原理，通过对瞬态瑞利波检测技术的研究分析了填筑材料的质量状况和波速特征，在此基础上提出瑞利波反演分析结果和各测点频散曲线；根据现场取样实验室检测数据和瞬态瑞利波检测的干密度值，揭示了波速与干密度之间的关系，以期为水库土石坝施工质量监控及无损检测提供一种新的技术手段[2-10]。

1 土石坝坝体填筑质量检测方法

1.1 技术原理

瞬态瑞利波检测是一种综合应用波的动力学、运动学等特征实现材料质量检测的新方法。在瞬态激振作用下，将形成一种垂直于自由界面的波型，在传播过程中波的质点震动界面垂直于波传播方向，且随着深度的增大振波呈指数型衰减区级，质点在震动轨迹为沿传播方向上作椭圆形逆时针或顺时针转动。工程质量检测与瑞利波有关的特征为瞬态瑞利波检测技术的根本依据，主要包括3个方面，即：①瑞利波在分层介质中的频散特性较为显著，所以瑞利波波速在不同地质分界层处存在较大变化，由此实现准确分层工程地质的目标；②瑞利波的穿过深度因波长的不同而不同，地层深度低于某一1/2波长的物性与该波长的波速密切相关，按照此关系可对地质层厚度及深度测定；③介质的物理力学性质为决定瑞利波在介质中传播速度的重要因素，介质的存在状态和物理力学特性可以利用瑞利波速度值的大小反映，并作为介质密度值的主要判定依据。

1.2 工作方法

通过人工的方式将瞬时冲击力施加于地面，能够在地面附近形成由多个简谐波组成的一定频率区间的瞬态瑞利波，这些简谐波以一定的相速度vR脉冲式向前传播，在叠加作用下每一谐波的vR为频率f的函数。采用炸药、落重或锤击作为震源，选取单排列多道观测系统为瞬态瑞利波检测的工作方法。根据检测区物性条件、地势地貌和地质特征，合理选择仪器工作参数、各道之间的距离、激振方式、传感器主频、第1道传感器与激振点的偏移距离等，为获取最佳的观测效果选取合适的瑞利波观测窗口。

沿传播方向将用于观测的多道检波器布置于检测地面，通过处理所收集的各现场测点信息，按照不同的频率对各测点的瑞利波进行分离处理，在此基础上建立瑞利波频散曲线，即随着深度的变化瑞利波波速曲线。采用反演分析法对各测点的实测频散曲线分析，通过各测点速度层位的准确划分，求解出各层介质中每一测点的瑞利波速度值VR。土石坝坝体不同部位的填筑质量按照坝体中每个测点的频散曲线分析确定，如坝基-坝体的接触情况、填筑材料的均匀性及密实性等。根据频散曲线的异常情况描述坝基坝体接触效果及填筑材料的均匀性、密实性等，如判定离散性、低速拐点等情况。

1.3 干密度检测技术

坝体填筑材料的干密度利用瑞利波波速计算时，利用下式反映介质密度与瑞利波传播速度的关系，即：

(1)

式中：G、VR为剪切模量和瑞利波速度，Pa、m/s；ρ为材料密度，kg/m3。

较密度的增大速度剪切模型明显较快，因此随着瑞利波波速的增加密度值也会增大，对此可建立特定介质的密度ρ与速度VR关系式，坝体填筑材料干密度采用瑞利波速度计算确定。试验研究和理论模型表明，瑞利波波速VR与介质密度ρ存在的关系式如下：

(2)

式中：A、B为待定系数，根据指数回归分析法和对比分析已知填筑材料干密度试验确定。

根据如下流程计算确定填筑材料的干密度：①采用瑞利波频散曲线反演分析实测土石坝坝体填筑材料，通过速度层位的划分求解各层介质中坝体每一测点的瑞利波速度值；②根据现场取样实验室检测数据和瞬态瑞利波检测的干密度值，建立干密度与波速关系式，在此基础上完成各层坝体材料每一测点的干密度计算。

2 瞬态瑞利波检测技术的应用

2.1 工程概况

辽宁省某水利枢纽工程位于大凌河干流，主要由排减泵站、自动化管理系统、引供水河道、防水扎、堤坝、泵闸、节制闸、交通桥、景观绿化及管理区等组成，是一座集城市供水、防洪排涝、水产养殖和旅游观光等功能于一体的大(1)型水利工程。水库堤坝型式为均质土坝，堤顶构造为绿化带加7m宽沥青混凝土路面，高程位于6.0-6.2m范围。粉土为坝体主要填筑材料，其含水量、干密度等主要物理力学指标为25.2%-32.0%和1.41-1.57g/cm3，选用土方冲挖填法对堤坝坝体填筑施工。结合质量检测站相关资料和现场实地调查结果，该水库大坝的填筑材料密实性良好、质量均匀稳定，基岩未发现沉渣现象且整体保存良好，可以满足工程设计和施工要求。在土石坝坝体施工过程中，技术管理人员结合项目实际需要建立了系统、完善的填筑碾压技术控制体系，根据质量控制目标和技术规范要求保证了填筑施工的整体实效性；同时，施工人员具有认真负责的态度和高度的责任感，能够及时有效处理填筑施工过程中存在的问题，保证了各建设阶段吹填粉土填筑碾压的顺利实施[11-13]。

2.2 检测方法

水库坝体吹填粉土填筑质量的检测利用多波列数字图像完成，坝体填筑检测桩号为8+085-8+152，检测段长和堤顶高程为67m、6.2m，粉土填筑深为5.0m，将12个检测点按照6m等间距布设于测线上。在坝顶测线检测点两侧对称埋置现场检测中的传感器，应保持同一直线上排列传感器与振源点，采用18磅大铁锤激发振源并选取主振频率为4Hz的传感器。工程勘探多波列检测和数字图像系统的工作参数设置为：采集偏移距为5m、道间距为1m的12个采集道，采样点数和采样时间间隔为1022点、0.5ms，以全通过作为通频宽带；瑞利波检测仪、信号传输电缆、传感器和振源等为工程勘探多波列检测和数字图像系统的主要组成。

2.3 瞬态瑞利波检测结果分析

1)坝体填筑质量的均匀性和密实性。瑞利波频散曲线在坝体桩号为8+145和8+081测点时如图1所示，瑞利波波速剖面图在吹填粉土坝体8+081-8+147桩号段如图2所示。其中，横、纵坐标代表距8+081桩号和坝顶的距离。

(a)桩号为8+145测点处

图1 瑞利波频散曲线图

从图1(a)可知，频散曲线在桩号8+145测点处为连续光滑，波速值为发现明显的离散点和低速拐点，变化量较小且处于正常范围，可见该点处存在均匀性、密实性良好的坝体吹填粉土，整体存在较好的施工质量。根据图1(b)可知，桩号8+081测点处深度为1.60、3.70m左右的瑞利波频散曲线存在较为显著的低速拐点，波速下降幅度较为明显，可见坝体吹填粉土在1.60、3.70m深左右的均匀性和密实性较差，因此软弱疏松带可能存在于该位置处。根据剖面图可以看出，瑞利波速度在桩号8+081-8+147段的吹填粉土坝体处较高，存在较好的均匀性和密实性，局部吹填粉土瑞利波速度在坝顶以下2m左右范围内较低，其均匀性和密实性较差。总体而言，坝体吹填粉土可能存在疏松、软弱的部位及其密室情况了依据瑞利波速度剖面图反映，由此能够较为系统、全面的掌握坝体填筑施工质量。

2)坝基-坝体接触效果。在深度为5m左右处各监测点瑞利波频散曲线不存在明显的离散点或低速拐点，曲线的连续性较好，由此表明各监测点处的吹填粉土坝基-坝体具有良好的接触效果，坝体清基比较干净。结合瑞利波波速在桩号8+081-8+147段的吹填粉土坝体剖面图，坝基-坝体吹填粉土在坝体检测段范围内的低速变化区域不明显，可见坝体检测段区间内坝体基础较为干净，坝基-坝体的吹填分布存在良好的接触效果。

3)波速VR与干密度ρd之间的关系。检测点的选取位置为坝体施工现场，结合现场实际情况选取4个钻孔点，各样本之间的深度间隔为0.5m，干密度试验在实验室完成。通过对比分析4个检测点处的干密度试验值和速度大小，利用指数回归法建立速度VR与干密度ρd关系式，见图2。坝体吹填粉土VR与ρd在坝体填筑检测段8+081-8+147的关系式为：

ρd=0.3265VR0.3012

(3)

式中：相关系数取值为0.90；根据上式可知，坝体吹填粉土干密度ρd可依据现场实测的VR值计算确定。

4)坝体填筑材料干密度。吹填粉土为该水库大坝的填筑材料，各层吹填粉土在8+095测点处的干密度计算值和瑞利波波速值见表1。

表1 吹填粉土干密度值及瑞利波速度

结合测点处的干密度计算值和波速大小，吹填粉土的干密度取值区间为1.245-1.671g/cm3，其中90%以上的层位的干密度值超过1.380g/cm3，仅有少部分层位低于1.380g/cm3。计算得到的密度值>1.380g/cm3为该水利枢纽工程的设计要求，因此坝体吹填粉土干密度值利用瞬态瑞利波检测法得到的合格率为92.4%，可见具有较好的施工质量。

根据不同层位上干密度检测结果可知，瑞利波波速值在一定程度上随着吹填分布干密度的增大而增加，结合指数回归法建立速度VR与干密度ρd关系，波速值在干密度设计要求不低于1.380g/cm3以上时应控制在120m/s以上。

3 结 论

1)根据指数回归法建立速度VR与干密度ρd关系，波速值在干密度设计要求不低于1.380g/cm3以上时应控制在120m/s以上，控制水库大坝坝体吹填粉土干密度质量的有效方法为利用瞬态瑞利波检测吹填粉土的瑞利波波速值。

2)对于坝体填筑材料的干密度、坝基-坝体接触效果、填筑材料均匀性和密实性均可利用瞬态瑞利波检测技术快速检测，检测结果能够较为准确、客观的反映填筑材料的实际状况，可为全面评价和监控填筑工程质量提供一种新的手段。

3)瞬态瑞利波检测坝体填筑质量较常规的检测方法，存在代表性好、检测结果可靠性高、适用范围广、信息量丰富等优点。采用瞬态瑞利波检测技术可实现快速、简便、高精度无损检测，在水利行业质量检测中的应用将越来越广泛。