核子密度仪在土石坝砾石土心墙碾压试验质检检测应用研究

李福增

【摘要】 在水电建设工程中，土石坝坝型应用广泛，为使土石坝心墙填筑高质量、高效率的完成，需对心墙掺砾料碾压后密度进行快速检测，传统挖坑法强度大、效率低，严重影响施工进度，难以满足工程建设需要，因此，运营先进的密度检测方法十分必要。本文通过核子密度仪法在雅砻江两河口水电站大坝心墙掺砾土料碾压试验中的应用，研究，总结出一套行之有效的工作流程和方法，进一步验证该方法在土石坝心墙掺砾土料填筑工程中应用的可行性。

【关键词】 土石坝心墙掺砾土填筑 核子密度仪法 压实密度 质量检测

1 工程概况

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河汇合口下游约2km河段。两河口水电站总装机容量300万kW，年发电量114.91亿kW.h，为雅砻江中、下游的"龙头"水库电站。水库正常蓄水位2865.00m，相应库容101.54亿m3，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。

大壩坝体主要分区如下：心墙防渗体顶宽为6m，顶高程2874.00m，心墙上、下游坡均为1：0.2，心墙两岸岸坡基岩表面设1m厚的混凝土盖板，盖板与心墙连接处铺设水平厚度4m的接触性粘土；心墙上游高程2775.00m以上设置两层水平厚度为4m反滤层、高程2775.00m以下设一层水平厚度8m的反滤层，下游设两层水平厚度为6m的反滤层。上、下游反滤层与坝体堆石之间设置过渡层，过渡层顶高程2865.00m，顶宽6.5m，上、下游坡均为1：0.4。在心墙后的坝基与过渡料之间设置二层3m厚的水平反滤排水层。上游高程2658.00m以上设置堆石Ⅰ区，高程2658.00m以下设置堆石Ⅱ区；下游坝壳内部高程2630.00m～2804.13m之间设置为堆石Ⅲ区，其下游坝壳采用堆石Ⅰ区料填筑。

1.2 项目简介

两河口水电站心墙堆石坝最大坝高295m，属于超高堆石坝，国内目前缺乏在高山峡谷地区建设300m级心墙堆石坝的设计和施工经验。大坝心墙砾质土设计需用量为429.40万m3，需接触粘土料16.40万m3。筑坝材料研究是两河口心墙堆石坝关键技术问题之一。

1.3核子密度检测试验研究的目的和内容

1、核子密度仪检测研究的目的

通过碾压试验质量检测，对检测数据进行统计、分析，建立核子密度仪质量检测的评价标准，通过与传统现场试验方法进行比较，论证核子密度仪在检测中应用的可行性。

2、核子密度仪检测研究的内容

（1） 结合本项目碾压试验的重点、难点对核子密度仪表面反射法、钻孔透射法快速检测进行研究，对几种方法间的差异性及在试验检测中的有效性进行分析研究；

（2） 通过核子密度仪碾后压实密度、含水量的检测成果，分析、评价碾压试验的碾压效果，得出合理的结论性意见；

（3） 与传统"挖坑法"进行比较分析，评价方法的可行性。

1.4试验的基本思路

1、广泛借鉴学习国内同类工程核子密度仪检测的成熟经验，结合本工程实际作出实施方案；

2、根据规范要求通过标准计数和现场标定对仪器自身稳定性、总体偏差进行跟踪评价并分析偏差成因；

3、按照现场试验实施方案做好土料的现场碾压试验的压实密度以及含水量的检测工作，总结现场实施操作经验；

4、对试验检测成果数据进行总结分析，并对试验中遇到的问题客观认识、分析。

5、选取代表性的核子密度仪检测数据与挖坑法进行比较，分析偏差率及离散度情况。

1.5执行的规程规范

《水电水利工程物探规程》（DL/T5010-2005）

《核子水分-密度仪现场测试规程》（SL275-2001）

《水电水利工程砾质土心墙堆石坝施工规范》（DL/T5269-2012）

《碾压式土石坝施工规范》（DL/T5129-2001）

2 核子密度仪工作原理

2.1仪器构造

核子密度仪由主机、探头和其他辅助部件构成。仪器的探头中装有一个微量密封的铯137伽马源，和一个微量密封的镅241/铍中子源。

根据检测深度不同，常见的核子密度湿度仪可以分为浅层核子密度湿度仪、双杆分层核子密度湿度仪、深层核子密度湿度仪几种，分别满足不同的现场检测要求。图2-1常见核子密度湿度仪结构图。

核子密度湿度仪使用的放射源是密封在不锈钢棒中的，储运和使用过程中不会产生泄漏物质，保养清洁都非常方便。

2.2密度测试原理

核子密度仪测量的是材料的总原子量，从而计算被测材料的单位体积的总密度，不受被测材料的物理状态和化学成分的影响。铯137伽马源发出伽马（γ）射线进入被测材料，如果材料的密度较低，较多的γ射线就会穿过材料，材料吸收的γ射线较少；反之，如果材料的密度较高，高密度的材料吸收了更多的γ射线，较少的γ射线会穿过材料。装在仪器内的盖革----密勒计数管将会检测到并统计穿透被测材料的射线量，被材料反射和吸收的射线量。这些信号经转换、放大后会通过传输电缆输送到仪器的数据处理器中并与仪器伽马源的射线发出量进行对比，根据相应的数据处理程序，可精确集散被测材料的密度。

2.3水分测试原理

核子密度仪测量的是土工材料的总含水率，包括自由水和结合水。仪器测量水分时，中子源放射的高能中子进入被测材料中，被测材料中的氢原子和高能中子相碰撞后减速，减速后的慢中子可以被探头内的氦-3探测管接收到。慢中子的数目与土壤中的氢原子数目成正比关系。根据这个原理可以精确测量出土工材料的总含水率。

3标准计数

仪器中的放射源会缓慢地随时间衰变，必须定期地使用标准计数块对仪器进行标准计数。每做一次标准计数，新的计数值就会取代上一次的计数值用来计算现场计数和标准计数的比值，以补偿放射源的衰减。标准计数值的大小还可以用来检验仪器的性能。一般情况下应每天进行一次标准计数。

标准计数操作步骤：

（1）选择开阔平整的场地，，仪器周围8m以内不应有放射源，3m以内不应有大型建筑，测量人员应与仪器保持2m以上距离；

（2）仪器开机预热4min；

（3）将仪器放置在随仪器配备的标准计数块上，对齐底座，并按下仪器操作界面"标准计数"按钮，然后按"开始"按钮，仪器自动进行标准计数，标准计数时间一般为256s。

（4）用自动连续多次测量方法测取新的标准计数，如新测取的密度或水分标准计数符合公式（3-1）的规定范围，则该新测取的标准计数为合格，否则视为不合格。

（3-1）

式中n为新测取的密度或水分标准计数，即是一组所有单次测取的密度或水分标准计数的平均值；为该组单次測取的密度或水分标准计数的标准差；f为预置比例因子。

（5）根据不同型号仪器，选择上述规定的方法，进行标准计数的检验。如第一次检验不合格，可再次检验，其间可让仪器开机继续稳定一段时间，并检查标准计数测取条件，如不符合，应及时纠正后再继续检验。如多次检验仍不合格，则认为机器不能正常工作，需要检查和修理。

两河口碾压试验所用仪器标准计数均用仪器自带标准计数块进行标准计数，通过每日进行标准计数跟踪测量表明，仪器标准计数值都在规范要求范围内，仪器工作状态稳定。

4核子密度仪快速检测方法比较分析

根据《防渗土料现场掺合及碾压试验大纲》的要求，对核子密度仪检测的结果与传统挖坑注水检测密度的成果进行比较分析。为了对表面反射法、钻孔透射法检测数据成果以及挖坑法检测的成果有一个整体的认识，选取一定的样本进行整体平均值、单点差值统计，这里主要选取土料复合场的数据进行统计。

平均值的统计样本选取的是土料碾压试验中复合场的检测数据，统计的参数有湿密度、干密度、含水率，统计成果见表4-1。

单点差值统计是求得单个测点几种检测方法的对应参数差的绝对值，然后统计其在一定范围内的分布状况，以表示偏差大小，差值统计分布图见图4-1～图4-2。

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

（2）表面反射湿密度平均值和干密度平均值均小于钻孔透射法和挖坑法检测值，说明土料碾后表层的密度偏低于整体压实密度。

钻孔透射法与挖坑法碾后湿密度平均值与干密度平均值相近，干密度平均值之间的差值为0.01g/cm3，湿密度平均值之间的差值为0.04g/cm3。

从干密度差值分布可以看出：差值绝对值主要集中在0～0.1 g/cm3范围内，挖坑法和钻孔透射法干密度值最为接近，差值绝对值在0 ～0.1 g/cm3的测点占79.8%；表面反射法分别与挖坑法和钻孔透射法的差值分布相差不大，表面反射法与挖坑法差值绝对值在0～0.1 g/cm3的测点占59.5%，表面反射法与钻孔透射法差值绝对值在0～0.1 g/cm3的测点占57.7%。

从含水率差值绝对值分布可知：差值绝对值主要集中在0～2%范围内，表面反射法和钻孔透射法含水率最接近，表面反射法-钻孔透射法差值绝对值在0～2%的测点占91.7%；其次为表面反射法和挖坑法，含水率差值绝对值在0～2%的测点占60.1%，差别较大的为钻孔透射法与挖坑法，含水率差值绝对值在0～2%的测点占48.2%。

5 结论

核子密度仪检测法作为快速检测方法之一配合土石坝心墙土料碾压施工进行了大量的现场试验检测工作，获得了丰富的试验数据。通过对试验数据的整理分析并与挖坑法进行了对比，研究表明：核子密度仪检测法适用于大坝填筑土料的施工碾压质量快速检测，通过现场密度和水分检测对碾压施工过程和质量进行控制。