双江口水电站堆石体附加质量法检测参数试验研究

张 岩,马圣敏,张建清,刘林鳢

(1.四川大渡河双江口水电开发有限公司,四川 马尔康 513229;2.长江地球物理探测(武汉)有限公司,武汉 430000)

0 引 言

附加质量法作为一种无损、快速的堆石体压实密度评价方法,已在国内外众多大型水利水电工程得到大规模应用。1999年,附加质量法得到了零星应用,以小浪底工程、清江水布垭为代表[1-2];2008年,糯扎渡水电站开展了附加质量法的大规模现场试验,通过技术革新,使得附加质量法技术逐渐成熟[3];其后,该技术逐渐推广到了其他工程,如梨园水电站[4-5]、句容抽水蓄电站、观景口水电站[6-7];随着一带一路建设,该技术也应用在国外水利水电工程,如巴基斯坦Karot水电站[8]。附加质量法检测方法从零星生产试验到大规模应用,经历了较长时间的发展,也开展了工程实用化方面的诸多研究。对于附加质量法在水利水电工程的应用范围问题,武晓杰等[9]在两河口水电站针对不同的堆石料区开展了附加质量法现场试验,将掺砾土料纳入到了附加质量法试验范围,结果证实附加质量法对堆石料具有广泛的适用性,但掺砾土料不适用的结论;对于附加质量法检测参振体范围问题,张智等[10-11]、李旭[12]、谢海粟[13]采用数值模拟方法深入研究了介质参数对堆石体参振范围和接收信号主频的影响,质量块个数、质量块偏移距、质量块半径对堆石体参振范围的影响;在现场测试技术方面,李先高等[14]对附加质量法现场采集进行了改进尝试,徐伟等[15]对现场测试过程中影响主频的各种重物干扰进行了分析,得出其影响距离,蔡加兴等[16]采用相对密度方法尝试提高附加质量法测试精度,张智等[17]采用现场试验数据分析了附加质量的级数、主频的确定方法对测试结果的影响以及外界因素对主频测试结果的影响;马其等[18]结合现场生产试验利用附加质量法进行碾压效果监测分析,说明附加质量法在不同压实条件下适应性较好。在方法技术的应用效果方面,张建清等[19]总结了附加质量法成套检测技术体系及其应用效果,充分印证了该方法的有效性与实用性。

虽然附加质量法在大坝堆石体碾压质量控制上进行了大规模应用,应用效果良好,但在最佳附加质量法测试参数的选取上,还未从采集波形、频谱分析、回归分析以及成果验证方面进行整体评价,有必要结合大量的试验,得出相应工程的最佳测试参数。本文结合双江口水电站大坝堆石体碾压试验,开展了相关试验研究,并进行了实践验证。

1 附加质量检测方法

1.1 测试原理

将堆石体(如图1所示)等效为无阻尼线性弹性系统(如图2所示),通过测试附加质量体Δm与堆石体参振质量m0产生共振的固有频率ω,建立堆石体弹性系数(动刚度)K=ω2(m0+Δm)的关系型式。通过现场测试,求解参振堆石体的动刚度K、参振质量m0及固有频率ω0(如图3所示),进而求得堆石体密度ρ0。

图1 参振堆石体

图2 等效体系

图3 ω-2-Δm曲线

1.2 测试方法

将附加质量块逐层叠放在堆石体上,检波器置于最上层附加质量块中央。根据炮检距(炮检距为震源中心点与质量块中心点的距离)设置震源中心点的位置。抬升震源,让其自由落体,使得被测堆石体与附加质量块产生共振,测得当前附加质量下的主频;移除一块质量块,采用同样的方法测试下一级主频;继续测试,直到最后一块质量块。

1.3 测试参数

附加质量法需要确定的现场测试参数主要有质量块直径、炮检距、震源高度。

1.3.1 附加质量块直径

1.3.2 炮检距

炮检距变化对振动信号有一定影响,从而影响到主频数据,需要现场试验来确定。

1.3.3 震源高度

震源高度对附加质量块与参振堆石体共振影响较大。当偏移距固定时,主频随震源高度的变化并不具有规律性,也需要现场试验来确定。

2 现场试验

2.1 试验场地与试验对象

试验场地选择双江口水电站大坝堆石堆石料Ⅲ区。双江口水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康市、金川县境内,是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库。拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝,砾石土心墙堆石坝坝顶高程2 510.0 m,河床部位心墙底高程2 199～2 205 m,基底设混凝土基座,基座内设置基岩帷幕灌浆廊道(3.0 m×3.5 m),最大坝高312 m(含1 m厚基座),坝顶宽度16.0 m,坝顶长度639.25 m。试验所处的位置位于堆石料Ⅲ区,具有如下特征：

(1)堆石料Ⅲ区料源为微、弱风化或新鲜的枢纽区开挖料,石料的饱和抗压强度>60 MPa。

(2)级配连续良好,最大与最小边长之比≤4,最大粒径≤800 mm,<5 mm的颗粒含量≤25%,堆石料Ⅲ实际颗粒级配曲线图如图4所示。

图4 堆石料Ⅲ区颗粒级配曲线

(3)堆石料Ⅲ区孔隙率≤22%。

2.2 试验方案

为了分析不同的测试参数对采集波形、分析主频、回归精度以及对比验证的影响,在堆石料Ⅲ区选择了一定数量的试验点进行全过程试验,先进行附加质量法的测试,再进行同点位坑测法的测试。每个测点选取不同附加质量块直径、炮检距、震源高度参数组合,其中,质量块直径为50、70、90、120 cm,炮检距为25、50、75 cm,震源高度为35、50 cm。

2.3 评价方法

如前所述,为选择最佳现场测试参数,对附加质量法测试全过程数据进行了评价,分为采集波形、主频分析、回归精度及与坑测法的对比误差。

2.3.1 检测波形质量

由于附加质量法检测对象为碾压密实的堆石体,在无强振动干扰且检波器与质量块贴合紧密的情况下,采集的波形质量与震源能量直接相关,而震源能量与震源距质量块的平面位置、震源高度有关。

波形试验主要评价波形的完整性,波形完整性评价标准为：①能识别有效波,波形尾端无干扰波;②采集长度范围内,波形正常衰减;③同一级多次采样信号相位一致;④无削波现象。

依据以上评价标准,图5(a)为正常波形,图5(b)为不正常波形。

图5 检测波形示意图

2.3.2 主频分析

通过对采集的波形进行频谱分析,得到频谱图。频图应呈正态分布,如图6(a)所示,不能出现“多峰”现象,如图6(b)所示。频谱图呈现多峰的主要原因是附加质量块与堆石体无法建立完整的振动体系,一方面震源提供的能量无法促使二者共振;另一方面堆石体颗粒分布、附加质量块的重量、直径等对振动体系的建立有一定影响。为避免多峰现象,一是要提高震源高度、锤击点贴近质量块中心;二是选择与颗粒级配相匹配的质量块直径参数,以及合理的质量块重量,使得附加质量块与堆石体共振,产生有效振动信号。

图6 频谱分析示意图

2.3.3 相关系数

基于测试参数计算ω-2、Δm,分析两者的线性相关系数。ω-2与Δm应呈正相关,且相关系数应>0.99。

2.3.4 误差分析

对附加质量法测试结果与坑测法结果进行对比分析,计算其绝对误差与相对误差,通过误差大小评价试验效果。

通过收集整理糯扎渡、苗尾、猴子岩、两河口、江坪河、拉洛、锅浪跷、观景口、句容、长龙山和巴基斯坦karot共11个水利水电项目的4 500个附加质量法与坑测法对比数据,统计结果如表1所示,相对误差<3%的样本约占样本总数的95%,满足工程检测要求,为此本文将3%作为误差分析结果的评判依据。

表1 附加质量法与坑测法误差分析统计

3 试验结果与分析

本次试验共选取了408个测点进行了试验,具体如下：

3.1 检测波形质量

检测数据如表2所示,从表2可知,在只考虑质量块直径的情况下,直径为50 cm的波形合格率平均值为98.03%,高于70、90、120 cm的波形合格率平均值;若只考虑震源高度,震源高度为35 cm的波形合格率整体优于震源高度为50 cm的波形合格率;若只考虑炮检距,则炮检距为25 cm的波形合格率整体优于炮检距为50、75 cm的波形合格率。

表2 波形质量评价

将参数进行组合并绘制了如图7所示直方图,由图7可以看出,质量块直径50 cm、震源高度35 cm、炮检距25 cm,质量块直径50 cm、震源高度35 cm、炮检距50 cm,质量块直径50 cm、震源高度50 cm、炮检距25 cm,质量块直径50 cm、震源高度50 cm、炮检距50 cm的4组试验参数组合成果为最优,波形合格的数据为100%。

图7 合格波形占比分布

3.2 主频图谱

主频图谱分析数据如表3所示。

表3 主频图谱评价

在只考虑质量块直径的情况下,直径为50 cm的频谱合格率优于直径为70、90、120 cm的波形合格率平均值;若只考虑震源高度,震源高度为35 cm的频谱合格率整体优于震源高度为50 cm的频谱合格率;若只考虑炮检距,则炮检距为25 cm的频谱合格率整体优于炮检距为50、75 cm的频谱合格率。

将参数进行组合并绘制了如图8所示直方图,从图8可知,质量块直径50 cm、震源高度为35 cm、炮检距为25 cm的1组试验参数组合成果数据为最优,频谱合格的数据为100%。

图8 单主频占比分布

3.3 相关系数

相关系数的分析数据如表4所示(负相关数据未进行统计)。若只考虑质量块直径及相关系数>0.99的情况,直径为50 cm的合格率优于直径为70、90、120 cm的合格率;若只考虑震源高度以及相关系数>0.99情况,震源高度为35 cm的合格率优于震源高度为50 cm的合格率;若只考虑炮检距及相关系数>0.99情况,则炮检距为25 cm的合格率整体优于炮检距为50、75 cm的合格率。

将相关系数>0.96的数据按参数组合后整理成如图9所示直方图,从图9可以看出,质量块直径50 cm、震源高度为35 cm、炮检距为25 cm,质量块直径50 cm、震源高度为50 cm、炮检距为25 cm及质量块直径70 cm、震源高度为35 cm、炮检距为25 cm的3组试验参数组合成果数据为最优,占比为100%。

3.4 误差分析

此次试验有117个试验数据无法计算,参与误差计算的数据有291个,误差分析结果如表5所示。如以相对误差<3%为评判标准,单考虑质量块直径,直径为50 cm的合格率优于直径为70、90、120 cm的合格率;单考虑震源高度,震源高度为35 cm的合格率优于震源高度为50 cm的合格率;单考虑炮检距,则炮检距为25cm的合格率整体优于炮检距为50、75 cm的合格率。

表4 相关系数分析

图9 相关系数>0.96占比分布

将相对误差<3%的数据按参数组合后整理成如图10所示直方图,从图10可知,质量块直径50 cm、震源高度为35 cm、炮检距为25 cm的1组试验参数组合成果数据为最优,占比为100%。

3.5 综合分析

考虑到附加质量法测试数据质量与采集波形、频谱分析图、回归分析精度以及与坑测数据的误差均有关联,对前述波形分析、频谱分析、相关系数分析以及误差分析参数组合集合进行取交运算,得出质量块直径为50 cm、震源高度为35 cm、炮检距为25 cm的试验参数组合。

表5 误差统计分析

图10 相对误差<3%占比分布

4 结论与建议

4.1 结 论

附加质量法测试参数对于检测成果质量具有至关重要的作用,而附加质量法测试数据质量与其数据采集、处理流程紧密关联,特别是采集波形的合格率、频谱分析图的合格率、回归分析的精度及与坑测数据的误差。

为了获取附加质量法现场测试参数,本文以双江口水电站堆石料区为试验对象,开展了大批量的试验,通过对试验数据的统计分析,得出了质量块直径为50 cm、震源高度为35 cm、炮检距为25 cm的附加质量法测试参数,指导了附加质量法现场测试工作。

本文首次结合现场试验开展了附加质量法测试参数的大量数据统计分析,从数据采集、分析处理全过程进行了评价,最终优选了适应双江口水电站现场的测试参数,形成了一套测试参数的现场确定方法。

4.2 建 议

由于附加质量法测试过程耗时较长,在试验参数的选取上,只考虑了常见的几个参数,其取值也较少,建议后续增加更多的测试参数,同时对取值范围做相应的调整,从而得出更优的测试参数。