核子密度儀在土石壩礫石土心墻碾壓試驗質檢檢測應用研究

李福增

【摘要】 在水電建設工程中，土石壩壩型應用廣泛，為使土石壩心墻填筑高質量、高效率的完成，需對心墻摻礫料碾壓后密度進行快速檢測，傳統挖坑法強度大、效率低，嚴重影響施工進度，難以滿足工程建設需要，因此，運營先進的密度檢測方法十分必要。本文通過核子密度儀法在雅礱江兩河口水電站大壩心墻摻礫土料碾壓試驗中的應用，研究，總結出一套行之有效的工作流程和方法，進一步驗證該方法在土石壩心墻摻礫土料填筑工程中應用的可行性。

【關鍵詞】 土石壩心墻摻礫土填筑 核子密度儀法 壓實密度 質量檢測

1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上，壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河匯合口下游約2km河段。兩河口水電站總裝機容量300萬kW，年發電量114.91億kW.h，為雅礱江中、下游的"龍頭"水庫電站。水庫正常蓄水位2865.00m，相應庫容101.54億m3，調節庫容65.6億m3，具有多年調節能力。

大壩壩體主要分區如下：心墻防滲體頂寬為6m，頂高程2874.00m，心墻上、下游坡均為1：0.2，心墻兩岸岸坡基巖表面設1m厚的混凝土蓋板，蓋板與心墻連接處鋪設水平厚度4m的接觸性粘土；心墻上游高程2775.00m以上設置兩層水平厚度為4m反濾層、高程2775.00m以下設一層水平厚度8m的反濾層，下游設兩層水平厚度為6m的反濾層。上、下游反濾層與壩體堆石之間設置過渡層，過渡層頂高程2865.00m，頂寬6.5m，上、下游坡均為1：0.4。在心墻后的壩基與過渡料之間設置二層3m厚的水平反濾排水層。上游高程2658.00m以上設置堆石Ⅰ區，高程2658.00m以下設置堆石Ⅱ區；下游壩殼內部高程2630.00m～2804.13m之間設置為堆石Ⅲ區，其下游壩殼采用堆石Ⅰ區料填筑。

1.2 項目簡介

兩河口水電站心墻堆石壩最大壩高295m，屬于超高堆石壩，國內目前缺乏在高山峽谷地區建設300m級心墻堆石壩的設計和施工經驗。大壩心墻礫質土設計需用量為429.40萬m3，需接觸粘土料16.40萬m3。筑壩材料研究是兩河口心墻堆石壩關鍵技術問題之一。

1.3核子密度檢測試驗研究的目的和內容

1、核子密度儀檢測研究的目的

通過碾壓試驗質量檢測，對檢測數據進行統計、分析，建立核子密度儀質量檢測的評價標準，通過與傳統現場試驗方法進行比較，論證核子密度儀在檢測中應用的可行性。

2、核子密度儀檢測研究的內容

（1） 結合本項目碾壓試驗的重點、難點對核子密度儀表面反射法、鉆孔透射法快速檢測進行研究，對幾種方法間的差異性及在試驗檢測中的有效性進行分析研究；

（2） 通過核子密度儀碾后壓實密度、含水量的檢測成果，分析、評價碾壓試驗的碾壓效果，得出合理的結論性意見；

（3） 與傳統"挖坑法"進行比較分析，評價方法的可行性。

1.4試驗的基本思路

1、廣泛借鑒學習國內同類工程核子密度儀檢測的成熟經驗，結合本工程實際作出實施方案；

2、根據規范要求通過標準計數和現場標定對儀器自身穩定性、總體偏差進行跟蹤評價并分析偏差成因；

3、按照現場試驗實施方案做好土料的現場碾壓試驗的壓實密度以及含水量的檢測工作，總結現場實施操作經驗；

4、對試驗檢測成果數據進行總結分析，并對試驗中遇到的問題客觀認識、分析。

5、選取代表性的核子密度儀檢測數據與挖坑法進行比較，分析偏差率及離散度情況。

1.5執行的規程規范

《水電水利工程物探規程》（DL/T5010-2005）

《核子水分-密度儀現場測試規程》（SL275-2001）

《水電水利工程礫質土心墻堆石壩施工規范》（DL/T5269-2012）

《碾壓式土石壩施工規范》（DL/T5129-2001）

2 核子密度儀工作原理

2.1儀器構造

核子密度儀由主機、探頭和其他輔助部件構成。儀器的探頭中裝有一個微量密封的銫137伽馬源，和一個微量密封的镅241/鈹中子源。

根據檢測深度不同，常見的核子密度濕度儀可以分為淺層核子密度濕度儀、雙桿分層核子密度濕度儀、深層核子密度濕度儀幾種，分別滿足不同的現場檢測要求。圖2-1常見核子密度濕度儀結構圖。

核子密度濕度儀使用的放射源是密封在不銹鋼棒中的，儲運和使用過程中不會產生泄漏物質，保養清潔都非常方便。

2.2密度測試原理

核子密度儀測量的是材料的總原子量，從而計算被測材料的單位體積的總密度，不受被測材料的物理狀態和化學成分的影響。銫137伽馬源發出伽馬（γ）射線進入被測材料，如果材料的密度較低，較多的γ射線就會穿過材料，材料吸收的γ射線較少；反之，如果材料的密度較高，高密度的材料吸收了更多的γ射線，較少的γ射線會穿過材料。裝在儀器內的蓋革----密勒計數管將會檢測到并統計穿透被測材料的射線量，被材料反射和吸收的射線量。這些信號經轉換、放大后會通過傳輸電纜輸送到儀器的數據處理器中并與儀器伽馬源的射線發出量進行對比，根據相應的數據處理程序，可精確集散被測材料的密度。

2.3水分測試原理

核子密度儀測量的是土工材料的總含水率，包括自由水和結合水。儀器測量水分時，中子源放射的高能中子進入被測材料中，被測材料中的氫原子和高能中子相碰撞后減速，減速后的慢中子可以被探頭內的氦-3探測管接收到。慢中子的數目與土壤中的氫原子數目成正比關系。根據這個原理可以精確測量出土工材料的總含水率。

3標準計數

儀器中的放射源會緩慢地隨時間衰變，必須定期地使用標準計數塊對儀器進行標準計數。每做一次標準計數，新的計數值就會取代上一次的計數值用來計算現場計數和標準計數的比值，以補償放射源的衰減。標準計數值的大小還可以用來檢驗儀器的性能。一般情況下應每天進行一次標準計數。

標準計數操作步驟：

（1）選擇開闊平整的場地，，儀器周圍8m以內不應有放射源，3m以內不應有大型建筑，測量人員應與儀器保持2m以上距離；

（2）儀器開機預熱4min；

（3）將儀器放置在隨儀器配備的標準計數塊上，對齊底座，并按下儀器操作界面"標準計數"按鈕，然后按"開始"按鈕，儀器自動進行標準計數，標準計數時間一般為256s。

（4）用自動連續多次測量方法測取新的標準計數，如新測取的密度或水分標準計數符合公式（3-1）的規定范圍，則該新測取的標準計數為合格，否則視為不合格。

（3-1）

式中n為新測取的密度或水分標準計數，即是一組所有單次測取的密度或水分標準計數的平均值；為該組單次測取的密度或水分標準計數的標準差；f為預置比例因子。

（5）根據不同型號儀器，選擇上述規定的方法，進行標準計數的檢驗。如第一次檢驗不合格，可再次檢驗，其間可讓儀器開機繼續穩定一段時間，并檢查標準計數測取條件，如不符合，應及時糾正后再繼續檢驗。如多次檢驗仍不合格，則認為機器不能正常工作，需要檢查和修理。

兩河口碾壓試驗所用儀器標準計數均用儀器自帶標準計數塊進行標準計數，通過每日進行標準計數跟蹤測量表明，儀器標準計數值都在規范要求范圍內，儀器工作狀態穩定。

4核子密度儀快速檢測方法比較分析

根據《防滲土料現場摻合及碾壓試驗大綱》的要求，對核子密度儀檢測的結果與傳統挖坑注水檢測密度的成果進行比較分析。為了對表面反射法、鉆孔透射法檢測數據成果以及挖坑法檢測的成果有一個整體的認識，選取一定的樣本進行整體平均值、單點差值統計，這里主要選取土料復合場的數據進行統計。

平均值的統計樣本選取的是土料碾壓試驗中復合場的檢測數據，統計的參數有濕密度、干密度、含水率，統計成果見表4-1。

單點差值統計是求得單個測點幾種檢測方法的對應參數差的絕對值，然后統計其在一定范圍內的分布狀況，以表示偏差大小，差值統計分布圖見圖4-1～圖4-2。

（1）表面反射法濕密度平均值為2.13g/cm3，，干密度平均值為2.09g/cm3，含水率平均值為7.4%。鉆孔透射法濕密度平均值為2.29g/cm3，干密度平均值為2.14g/cm3，含水率平均值為7.0%。挖坑法濕密度平均值為2.33g/cm3，干密度平均值為2.13g/cm3，含水率平均值為9.13%。

（2）表面反射濕密度平均值和干密度平均值均小于鉆孔透射法和挖坑法檢測值，說明土料碾后表層的密度偏低于整體壓實密度。

鉆孔透射法與挖坑法碾后濕密度平均值與干密度平均值相近，干密度平均值之間的差值為0.01g/cm3，濕密度平均值之間的差值為0.04g/cm3。

從干密度差值分布可以看出：差值絕對值主要集中在0～0.1 g/cm3范圍內，挖坑法和鉆孔透射法干密度值最為接近，差值絕對值在0 ～0.1 g/cm3的測點占79.8%；表面反射法分別與挖坑法和鉆孔透射法的差值分布相差不大，表面反射法與挖坑法差值絕對值在0～0.1 g/cm3的測點占59.5%，表面反射法與鉆孔透射法差值絕對值在0～0.1 g/cm3的測點占57.7%。

從含水率差值絕對值分布可知：差值絕對值主要集中在0～2%范圍內，表面反射法和鉆孔透射法含水率最接近，表面反射法-鉆孔透射法差值絕對值在0～2%的測點占91.7%；其次為表面反射法和挖坑法，含水率差值絕對值在0～2%的測點占60.1%，差別較大的為鉆孔透射法與挖坑法，含水率差值絕對值在0～2%的測點占48.2%。

5 結論

核子密度儀檢測法作為快速檢測方法之一配合土石壩心墻土料碾壓施工進行了大量的現場試驗檢測工作，獲得了豐富的試驗數據。通過對試驗數據的整理分析并與挖坑法進行了對比，研究表明：核子密度儀檢測法適用于大壩填筑土料的施工碾壓質量快速檢測，通過現場密度和水分檢測對碾壓施工過程和質量進行控制。