守口堡水库胶凝砂砾石坝密实度检测方法研究

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

守口堡水库为胶凝砂砾石碾压混凝土重力坝，位于山西省阳高县城西北约10km处的黑水河上游段，总库容980万m3，属Ⅳ等小(1)型水库。大坝主体采用砂砾石料(一般为就地取材)和胶凝材料以一定配合比，经拌和、摊铺、碾压而成。上下游防渗保护均采用常态混凝土。

守口堡水库大坝主体施工机械及施工碾压工艺为：胶凝砂砾料采用JGL200专用设备拌和，15t自卸汽车运输，SD16型履带式推土机平料，SSR260单钢轮大型振动碾压机碾压，铺料厚度每层350～450mm，先无振动碾压2遍，再振动碾压6遍，边角部位采用富浆胶凝砂砾石填筑，用手扶式振动碾碾压，层间面铺设一层1∶3的水泥砂浆，砂浆层厚15mm，采用通仓、连续碾压浇筑。

混凝土碾压质量控制是碾压混凝土施工质量控制的重要环节,直接关系到大坝安全。碾压混凝土压实度降低，混凝土强度会成倍降低，压实度若下降1%，混凝土强度约下降8%～10%[1]，可见压实度对碾压混凝土坝强度的影响非常显著。碾压混凝土只有达到很高的相对压实度，才能具有预期的强度、不透水性和拉伸应变能力。目前,评定碾压混凝土坝体压实度常用的检测方法主要有试坑灌水法、压实计法和核子密度湿度仪法等。压实度又称夯实度，指的是土或其他筑路材料压实后的干密度与标准最大干密度之比。为有效控制施工质量，本文对守口堡胶凝砂砾石碾压混凝土重力坝的干(湿)密度采用多种检测方法进行了试验，并对数据进行分析对比。

1 试验方案

分别采用试坑灌水法、核子密度湿度仪法和切取立方体试块称重法对守口堡胶凝砂砾石碾压混凝土重力坝试验场进行密度测量，将试验数据进行整理，对比分析3种检测方法在碾压混凝土重力坝应用中的优缺点及可靠程度。

依据相关规程规范，确定试验研究步骤如下：

a.选取与水库大坝运输距离相同的坝址上游河床位置作为试验地点。试验过程严格按照大坝主体碾压施工工艺进行，试验时所用胶凝砂砾石料的配合比、拌和方式、养护方式都与大坝施工完全相同，试验坝面积为11m×90m，分两层碾压。

b.待胶凝砂砾石试验坝初凝后，随机选择3片试验区域，在每个试验区域先用MC-3型核子密度湿度仪测量，再用试坑灌水法进行密度测量，最后从试验区域内切取立方体(尺寸约为350mm×350mm×350mm)试块，对其进行密度测量。

c.对上述3种检测方法进行优缺点对比，对测量得到的试验数据进行分析。

2 密度测量试验结果

2.1 核子密度湿度仪法测量试验

核子密度湿度仪是利用同位素放射原理实时检测土工建筑材料的密度和湿度的电子仪器。核子密度湿度仪的内部安置两种放射源，其中铯137伽马源发出伽马(γ)射线用来测量材料的密度，镅241/铍中子源用来测量材料的H2O值。核子密度湿度仪测量的是材料的总原子量，即所测材料的总密度，不会受所测材料的化学成分和物理状态的影响。H2O值测量时，中子源放射出的高能中子进入所测材料后，所测材料中的高能中子和氢原子互相撞击后速度减缓，这时仪器探头内的氦-3探测管接收了减速后的慢中子，慢中子的数量与所测材料中的氢原子数量成正比例关系，依据这个原理就可以准确测量出所测材料的H2O值。核子密度湿度仪进行密度和H2O值测量时，分别采用不同的数据计算系统，使用不同的放射源和不同的射线接收器，因此密度和H2O值检测互不影响。在中国常用的核子密度湿度仪有MC-S-24 双杆分层核子密度湿度仪、MC-3核子密度湿度仪和501DR深层核子密度湿度仪[2]，其中MC-3核子密度湿度仪为浅层测量仪比较适合这次检测试验。

试验用已经标定过的MC-3型核子密度湿度仪进行测量。采用直接透射式测量，即在所测材料上打孔进行测量，此法虽为有损测量，但测量的精度高。首先对试验现场3个区域进行整平处理，然后用冲击钻垂直向下钻得直径2cm、深30cm的孔，每个所选区域内钻取3个孔，共计9个孔，钻好后，严格按照核子密度湿度仪操作步骤进行测量。

将事先标定好的MC-3型核子密度湿度仪预热约10min，放射源棒拧出，插入已预先钻好的孔内，按下开始检测按钮，迅速撤到距仪器2m以外的地方，按照设定的检测时间进行测量(一般设定为1min)，到达测定时间后，读取显示的各项数值，并迅速关机。每个区域测取3个孔，求得干密度的平均值，测量数据结果见表1。核子密度湿度仪操作简单、快速。

2.2 试坑灌水法测量试验

试验对三个区域分别进行测量，所用工具主要有铁环(外直径150cm，内直径138cm，高20cm)、水位测针、电子秤(称重在50kg，精确到g)、储水桶、边长大于3m完整结实的薄塑料布(塑料布大小与试坑相适应)。

表1 核子密度湿度仪法测量结果

试坑灌水法具体试验步骤为：在挖坑前，将铁环平稳放好，在试坑顶做灌水试验两次，用水位测针测试两次，使灌水量误差控制在不大于1%的范围内，记录灌水量(M1)、水位测针的位置和读数。由于胶凝砂砾石碾压混凝土石块直径大小不一，开挖困难，试坑开挖直径约100cm，深度40～60cm,将挖出的石料和砂浆料分别称重计量(M2)，然后取样装袋密封保存，送至实验室进行含水量测试和密度计算。将塑料布平铺并紧贴试坑内侧(塑料布要超出铁环)，一边把称量过的水倒入试坑，一边把塑料布与试坑之间的空气排尽，保证试验的准确性，当达到没有挖坑前水位侧针的读数位置时停止灌水，记录总灌水量(M3)。试坑体积V=(M3-M1)/ρ水，湿密度ρ=M2/V,经过试验测算，得到的试坑部位密度数据见表2。试坑灌水法用时较长，一般一天测量2个试验点，影响工程施工进度。

表2 试坑灌水法测量结果

2.3 切取立方体试块称重法测量试验

为使试验顺利进行，可以切割得到完整的胶凝砂砾石试块，必须在胶凝砂砾石混凝土达到一定的强度后进行试验，又因为守口堡水库胶凝砂砾石设计强度要求为180天达到6MPa，所以对试验坝进行养护达到180天后开始切割试块。试验采用大型专业切割机，分别在三个试验区域切取立方体试块(尺寸约为350mm×350mm×350mm)，在实际切割过程中由于试块体积较大，若尺寸不太规整，试块尺寸有所偏差，应进行后期打磨加工,再进行密度测量。在测量过程中，先计算出立方体试块体积，然后对立方体试块称重，最后用压力机将其压碎，取部分碎料测含水率。试验结果见表3。切取立方体试块称重法工程量大，不仅费工费时，而且需要专业设备切割，条件高、周期长、破坏性大。

表3 切割立方体试块称重法测量结果

3 试验结果对比分析

对上节三种检测干密度数据汇总后，绘制不同检测方法的干密度对比图，见图1。

图1 不同检测方法的干密度对比

在利用不同检测方法对守口堡胶凝砂砾石碾压混凝土重力坝进行密度检测试验的过程中可以看出：核子密度湿度仪法用时短，方便且易于操作；试坑灌水法比较费工费时，对工程施工进度有一定的影响；切取立方体试块称重法工程量大，不仅费工费时而且切割所需要的条件高、周期长，不适合碾压混凝土施工的及时检测。

分析试验数据可知：3种检测方法数据非常接近，干密度平均值也基本一致，其中核子密度湿度仪法检测碾压混凝土重力坝不仅操作简单用时短，而且试验数据可靠。

4 结 语

利用3种检测方法对守口堡胶凝砂砾石碾压混凝土重力坝的密度进行检测，相互验证，试验数据准确可靠。切取立方体试块称重法费工费时且周期长破坏性大，不适合在碾压混凝土工程中进行干密度检测，但在本次试验中此法可起到验证数据准确性的作用；试坑灌水法虽然数据准确，但用时长，影响工程施工进度；核子密度湿度仪法检测碾压混凝土不仅操作简单、用时短，而且试验数据可靠。因此，在碾压混凝土的施工质量控制中可以广泛应用核子密度湿度仪进行密度检测。