探析灌水法检测堆石坝填筑质量的影响因素与误差控制

王 红，古今用，张 涛

(1.贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州资环工程勘察设计有限公司，贵州 贵阳 550001)

堆石坝填筑质量直接影响工程质量与大坝安全，而密度作为衡量堆石坝填筑工程质量的重要参数，在堆石坝填筑质量评价中占有重要地位[1]。测定堆石坝填筑密度的方法较多，又以灌水法的使用率最高，该方法不仅操作简单，且结果准确，但在检测过程中容易受到多种因素影响产生误差[2]。本文以下把比水库堆石坝填筑密度检测为实例，以灌水法检测堆石坝填筑质量试验原理与步骤为基础，分析影响试验结果的影响因素，并给出了相应的误差控制措施，旨在明确影响因素的前提下，制定有效的误差控制措施，从而提高试验结果的准确性。

1 工程概况

下把比水库位于龙里县东北部，距离龙里县约55km，距离洗马镇约6km。水库位于洗马河支流沙田溪沟上，坝址集雨面积4.5km2，多年平均径流量234万m3，多年平均流量为0.074m3/s。

水库校核洪水位1204.33m，总库容181万m3，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。水库正常蓄水位为1202.00m，相应库容164万m3，死水位1171.00m，相应库容18.8万m3，兴利库容145.2万m3。下把比水库坝型为面板堆石坝，坝轴线方位角为N4.651°E，坝顶高程为1205.30m，大坝趾板基础置弱风化上部，河床趾板建基面高程为1148.00m，最大坝高57.3m。坝顶宽6.0m，上下游坝面坡比均为1∶1.4，坝顶轴线长145.8m。大坝采用右岸岸坡开敞式溢洪道泄洪，堰顶高程1202.00m，堰宽8m，取水建筑物布置于右岸。

2 灌水法试验原理与步骤

2.1 实验原理

灌水法作为坝体填筑质量的一种最基础的密度测定方法，广泛应用于控制坝体填筑质量中[3]。此法在依据相关技术要求下进行试坑开挖、土料的称重，土料含水率、干质量以及试坑体积的测定等，最后利用干质量与试坑体积的比值作为此次堆石坝填筑的干密度。根据DL/T5129—2001《碾压式土石坝施工规范》，灌水法操作过程中涉及的主要仪器及设备包括套环、台秤、薄膜以及温度计等。

2.2 试验步骤

(1)检测地点选定及率定。依据设计或DL/T5129—2001规定选定检测地点后，将套环固定在所检测位置，并铺设薄膜后注水，注水结束后，记录水位测针读数、所注水的质量以及水温等数据[4]。

(2)试坑的开挖。将套环内的水排干，并将薄膜取出，依据DL/T5129—2001技术要求进行试坑开挖。在套环开挖直径相对较小的试坑，然后向外缓慢修整试坑的尺寸直至完全符合规范，随即对挖出的试料进行称量。此次垫层料试坑直径为最大粒径的4倍，试坑深度为碾压厚度；过渡料试坑直径为最大粒径的3～4倍，试坑深度为碾压厚度；堆石料试坑直径为最大粒径的2～3倍，试坑直径最大不超过2m。特别要求试坑开挖过程中，注意开挖力度，不得挤压坑壁，不与套环发生碰撞，试坑开挖结束后铺设薄膜[5]。

(3)灌水法测试坑体积。向试坑内注水，同时记录注水质量，当注水达到预定水位位置时，以水位测针针尖与水面接触的位置为准，记录试坑水总量与水温。需要注意的是，在注水的同时，对塑料薄膜进行抚平，尽可能消除塑料薄膜与试坑壁之间的空隙，仔细观察塑料薄膜是否存在漏水情况，若存在漏水情况则立即停止注水，将试坑中水排干后，换新塑料薄膜后继续注水，此外，不要流到套环外，以免影响注水体积。

(4)含水率的测定。分别小于20mm与20～100mm的试样进行含水率的测定，试样大于100mm的含水率可以忽略不计。

(5)待所有现场检测工作完成后，将土料混合填筑到试坑中，碾压直至密实。

3 试验影响因素与误差控制

3.1 下把比水库灌水试验结果

下把比水库坝体填筑共检测样品9个，垫层料、过渡料、堆石料各3个。检测结果见表1—3和图1—3。从检测结果来看，所检测的9个样品的干密度、孔隙率与垫层料的渗透系数均满足设计指标要求；而垫层料XBBSK-DLC1#试坑小于5mm，颗粒含量不满足要求，如图1所示，3个样品试坑小于0.075mm颗粒含量也不满足设计指标要求。根据SL49—2015《混凝土面板堆石坝施工规范》：“取样所测定的干密度，其平均值不小于设计值，标准差不宜大于0.05g/cm3。当样本数小于20组时，应按合格率不小于90%，不合格点的干密度不低于设计干密度的95%控制”，本次下把比水库填筑检测的试坑垫层料、过渡料、主堆石料组数均小于20组，合格率为100%，满足规范合格率90%的要求，干密度评价为合格。

图1 垫层料颗粒大小分布图

表1 垫层料试验结果

此外，除了对该试验结果进行复核，还应对试验结果影响因素进行分析，总结经验，从而提出尽可能减小其误差的控制措施。

表2 过渡料试验结果

图2 过渡料颗粒大小分布图

表3 堆石料试验结果

图3 堆石料颗粒大小分布图

3.2 试验影响因素与误差控制

3.2.1挖坑过程影响测试精度因素分析与控制

(1)试坑开挖是在套环内进行的，前期应该对套环进行固定，固定后不允许移动或者扰动，开挖时不能与套环发生碰撞，否则会大大影响测试的精度[6]。此外值得注意的是，在挖坑时应由中心开始不断向下挖出直径相对较小的试坑，然后再缓慢向外增加试坑直径，直至试坑开挖达到规定要求为止。如果挖坑过程中遇大块石，将其周围的细料挖出后，可借助扒杆将其从试坑中移出；当块石过大时，对其量好尺寸后进行分解与开挖，总重计入该块石颗粒粒径筛余量[7]。

(2)试坑尺寸需要根据粒径来确定[8]。试坑尺寸受堆石体填料最大粒径的影响，由于其颗粒较多、分布不均匀等造成检测结果与实际值差异较大，碾压过后的堆石体一般呈现上密下松的情况，试坑深度太浅，造成密度检测值偏大。故根据相关规范及经验，试坑直径应不小于坑内坝料最大粒径的3倍，其中，垫层料4倍，过渡料3～4倍，主堆石区2～3倍。

(3)试坑形状应近似呈U字形，试坑壁形状的规整度则会对坑壁与塑料薄膜的贴合度造成影响，从而影响测试结果精度。故当试坑开挖接近U字形时，注意开挖力度，缓慢并仔细进行修正，直至符合规范要求为止[9]。如果遇见块石分布而影响试坑形状，导致坑壁极不规整或者越出套环外时，从而导致塑料薄膜无法与坑壁贴合，造成对测试精度的影响，故此试坑应予废弃，重新选择测点[10]。

3.2.2材料误差分析与控制

(1)套环。套环刚度不够、用钢材料不足等原因，在试验中易产生变形或者滑移；此外，在套环高度达不到要求的情况下，会导致所注水量有所偏差，同时影响塑料薄膜与套环壁间的贴合度。这些因素均会影响试验精度，因此，试验前期应对套环的刚度、高度以及原材料检测，以确保套环质量达到试验要求。建议采用#20槽钢来进行套环加工，以达到试验要求[11]。

(2)水位测针。在试验中，通常一些检测单位不使用测针，将水灌满套环时直接用肉眼观察，测试过程极为随意，直接影响到测试结果的准确性。因此，在试验过程中，应选择水工模型试验用的水位测针，测针精度要求达到0.1mm以上，这样才能确保测试结果的准确性[12]。

(3)塑料薄膜。试验中用于测量体积的塑料薄膜的选择同样会影响试验精度，特别是塑料薄膜的材质与膜厚。塑料薄膜太厚，则会影响其与试坑壁间的贴合度，造成脱空，所测得的试坑体积偏小，导致密度测量结果偏大[13]。塑料薄膜太薄易损坏，造成漏水，从而致使试验无法继续。所以，一般采用厚度为0.1mm、柔性良好的聚乙烯塑料薄膜，但测试结果与实际值相比偏小，因此，需要对其进行校正，校正公式为：

(1)

式中，V—试坑体积，cm3；m1—套环中注水的质量，g；m2—试坑与套环的注水总质量,g；K—校正系数；ρw—水密度,g/cm3[14]。

塑料薄膜在铺设过程中也要仔细，理顺塑料薄膜的褶皱，此外，在灌水过程中应在注水的同时排空塑料薄膜与坑壁之间的气体，避免塑料薄膜与试坑壁间存在脱空。

(4)台秤。实验精度受台秤的影响最大，其中台秤精度、摆放位置等对称量结果造成影响[15]。因此，要定期对台秤进行检查、维护及校准，在使用前期应选择精度满足要求的台秤，特别是机械台秤，应及时做好台秤的基本检查与维护。此外，在试验过程中台秤必须放置平稳，减少移动，因称量次数越多，累积误差则越大，故称量时应尽量仔细，防止漏称或者重复称量等，每次称量结束后，应将容器中的泥土倾倒干净，确保台秤对试验精度的影响减到最小。另外，当含水量较大时，少量的泥土会粘到称量所用的筐壁，因此，称量时应注意当筐前后的质量差为1kg时，应及时更换称量筐或者将筐壁泥土除去。

(5)试验用水。在试验过程，因试坑体积较大，注水量较多，水的密度与水体积的测量精度同样会影响试验结果，因此，应尽量选择无杂质的纯净水作为试验用水，且使用精度高的流量计测水体积或者台秤测水的质量；此外，也可使用储水箱来测水体积，同时测量水的温度，然后对水的密度进行换算[16]。

3.2.3水位测量时的误差分析与控制

测针应尽量细而尖，这样容易观察测针针尖与水面接触时的接触点，确保参考水平面在试验过程中依旧保持一致。在试验过程中，禁止触碰测针，避免水位变化而影响试坑体积。此外，在试验过程中，因挖坑时间较长，很难避免会触碰到水位测针，影响水位测针的位置，故建议采用双水位测针记录水位，同时尽量保持同一个人同一个视角来观察，确保试坑体积误差减小到最小。

4 结语

试坑灌水法作为最基本的密度检测方法，广泛应用于坝体填筑质量检测中。灌水法检测堆石坝填筑密度时，结果会受到诸多因素的影响，绝大部分因素会造成所测试试坑体积偏小，干密度偏大，其检测结果可能会合格，但实际上未达到设计要求而出现误判的情况，如此，直接造成工程质量安全。本文通过对检测结果分析，总结试验经验，认为在试验操作中，实验人员应具有高度责任感，严格按照相关技术规范要求执行操作，对其检测结果仔细分析求证，确保试验数据的可靠性及准确性。此外，每次试验过后应及时总结试验经验，多交流、多思考、多试验，以确保在试验中最大限度地避免或减少操作中的误差。