土石坝工程土工试验检测技术综述

时间：2024-07-28

郭建军，张同慧

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 引言

土工试验检测技术通常分为室内试验、原位试验和现场监测技术等几个方面。随着整体测试技术的进步，这些传统技术难点将会取得突破性进展。快速和无损测试技术以及虚拟测试技术将会在土石坝工程测试技术中得到较广泛的应用，而及时有效地利用其他学科科学技术的成果，对推动土石坝工程领域的测试技术发展起到越来越重要的作用。如电子计算机技术、电子测量技术、光学测试技术、航测技术、电、磁场测试技术、声波测试技术、遥感测试技术等方面的新进展都有可能在土石坝工程测试方面找到应用的结合点，对测试结果的可靠性、可重复性方面将会得到很大地提高。由于整体科技水平的提高，以及测试模式的改进及测试仪器精度的改善，最终将导致土石坝工程施工测试结果在可信度方面得到大大改进。

2 土工试验检测技术的现状及发展

土工试验作为研究和测定土的工程性质的重要手段，担负着为土石坝工程设计、施工提供主要参数，为土石坝工程科学研究提供理论数据并进行科学验证的艰巨史命。在新技术革命的浪潮中，土工试验是岩土工程领域中吸收并应用新技术成果最迅速，也是最广泛的学科之一。土工试验应用新技术的动因来自两方面：其一，当今科学技术的飞速发展推动了土工试验技术的进步；其二，日趋复杂的岩土工程问题对土工试验应用新技术不断提出更高的要求。

2.1 土工室内试验检测技术的现状及发展

从土石坝工程室内试验检测技术的发展来看，国内外新技术在土工试验中的应用主要体现在三个方面：一是计算机辅助测试技术在土工试验中的应用；二是利用高新技术研制出一批性能更好、自动程度更高的土工试验仪器；三是相关学科新技术的发展与岩土工程科学研究及实际应用紧密结合，所孕育出的土工试验新方法。

其中计算机辅助测试技术在土工试验中的应用，上世纪70年代初起源于英美及日本等发达国家，80年代初我国的一些科研单位和高校从这些国家引进了一批当时在国际上比较先进的土工试验仪器设备，其中先进的数据采集和处理系统通过国内有关单位及部门的共同努力和研究，已初步形成了我国自己的土工试验数据采集和处理系统模式，并且在80年代后期，土工试验数据采集和处理计算机技术得到了长足的进展，使土工试验计算机辅助测试技术日臻完善。

新技术在土工试验仪器研制中的应用，是利用计算机及现代控制技术对试验过程进行自动控制，使土工试验仪器具有更强的功能、更高的自动化及智能化水平，是近年来土工试验仪器研制的一个发展趋势。智能化、自动化仪器的种类日益增多，如等梯度固结仪和智能三轴仪为典型代表。

在相关学科新技术的发展与岩土工程科学研究及实际应用紧密结合所孕育出的土工试验新方法方面，如现代光电技术在土工试验仪器中的应用，其典型范例为光透射式粒度分析仪在细粒土的颗粒分析试验中应用。传统的移液管法和比重仪法，对试验人员的熟练程度要求较高，试验操作麻烦，周期较长，由于试验中对悬浮液均有一定程度的扰动，对试验精度也有一些影响；而光透射式粒度分析仪，是利用重力沉降测量中的“斯托克斯定律”，采用消光沉降法的原理设计的，通过用消光法测量悬浮液一定高度处颗粒浓度与沉降时间的函数关系，就可以计算沉降颗粒的累积粒度分布曲线。在土工试验新方法的研究和应用中，对岩土工程领域影响最大的莫过于土工离心模拟技术。目前，国内众多的研究机构致力于土工试验离心模拟技术的研究及土工离心模拟试验机的研制和工程应用。对岩土工程而言，由土的自重引起的应力通常占支配地位，土的力学特性随应力水平而变化，常规小比例尺模型由于其自重产生的应力远低于原型，因而不能再现原型的特性。解决这一问题的唯一途径是提高模型的自重，使之与原型等效，其中最有效的方法是将模型置于特制的离心机中，使1/n缩尺的模型在ng离心加速度的空间进行试验，由于惯性力与重力完全等效，且高加速度不会改变工程材料的性质，从而使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，能再现原型特性，这就是土工试验离心模拟技术的独到之处。从国内外已有资料看，土工离心模拟试验技术的应用范围极其广泛，几乎涉及所有岩土工程有关的基本建设工程，如检查工程设计方案的经济合理性及安全可靠性、对已建工程的安全可靠性进行重新检查、校正数据值分析以及对岩土体的抗震试验等方面均起到十分重要的作用。

2.2 土工原位试验技术的现状及发展

土工原位测试技术在土石坝工程中的运用主要集中在前期设计阶段，其目的是通过原位测试手段探明工程地质条件，从而为设计提供相关参数。原位测试技术由于其不需要取样、连续测试等优点，在岩土工程中得到广泛的运用和发展。原位测试是指在基本保持原来的含水量、天然结构以及应力状态下，对地基土物理力学特性指标进行测试。主要是通过数学理论公式处理，以此来估算出力学指标，进而确定岩土工程状态。一般工程采用的原位试验技术包括CPT、BAT、TDR三种方法。

CPT技术是原位测试技术常用的一种方法，它的优点：不需采样、方便快捷、干扰小、数据多、费用低廉等，广泛应用在高等级公路建设等大型工程中。现在CPT技术发展迅速，探头的种类、原理都有很大的创新，而我国岩土测试中一般采用上世纪中叶的单桥静力触探和双桥静力触探技术，近几十年内没有发展，已经远远落后于国际先进的CPT技术。近期东南大学进行了相关的课题研究，正在积极的同世界先进技术接轨。

BAR技术是由瑞典科学家在上世纪80年代提出的并且用其名字简写命名的，它应用于专业测试地基原位孔隙压力以及固结系数和渗透系数，此项技术在欧洲和美国应用十分广泛。我国在90年代由浙江大学引进并且应用到了工程实际中，BAR系统的主要构成有：滤头、玻璃容器、电子压力传感器、控制系统以及其他辅助设备。具体的工作方法主要是分析测试地域的水压和玻璃容器的水压正负关系，从而计算出固结土的原位渗透系数。另外，对于地基水平的测试过程，主要利用滤头贯入，引起超静孔隙水压消散，在这个过程中采用特制的圆柱形空腔和一维的固结理论分析求取水平固结系数；同时还能够取得水的样本，是一种很有前途的原位测试方法。

TDR技术的中文翻译为时间域反射测量技术，它是从其他的应用技术拓展到岩石和土工测试中来的，最早此类技术应用在物体的定位和轮廓确定，其技术的主要核心就是利用电磁波反射原理的遥测技术。具体的设备主要部件由探头、同轴电缆、计算机系统组成，一般应用于土体的含水量以及和其相关的电导率等的测定，对于监测岩土的形变、含水量等很有效。在应用方面美国已经制定了相关的标准，近几年研制出了新型的性价比高的探头，能够在大型室内模型试验应用，在以后的岩土监测应用上十分有市场。

2.3 土工现场监测技术的现状及发展

现场在线实时监测技术在土工测试技术发展过程中是一个重要的进步，其在土工测试中占有重要的地位。近些年自动化技术的发展大大推进了岩石和土工监测技术的发展和应用，如光纤监测技术、三维激光扫描技术以及无线传感技术，其中光纤监测技术是当下土工监测技术的主流，基本上取代了大型项目中的人工监测。首次利用光纤监测技术是在1989年，由Mendzez应用在混凝土结构监控中，此后发达国家纷纷采用光纤监测技术，大大发展了此项技术，使得光纤监测技术日益成熟。与此同时，我国光纤监测技术的发展相对比较落后，但是正在赶超国际先进技术，国内的监测技术主要集中在高等院校以及国家级的重大项目中。其中有代表性的是哈尔滨工业大学欧进萍院士和苑立波为代表的两个应用方向，前者主要建立了海洋平台健康监测系统，后者主导了各种桥梁的监测系统，例如山东滨州黄河大桥、南京长江第三大桥等等。另外三峡大学教授蔡德带领的团队以长江三峡工程、清江隔河岩工程、古洞口面板堆石坝、鱼跳面板堆石坝等工程为背景，进行了多项探索性研究，获得了大坝随机裂缝、板间缝与周边缝位移、温度、挠度及边坡深部变形等监测项目的分布式光纤传感技术，获得了一定的研究价值。总体上我国的光纤监测技术发展晚，但是正在以飞速的步伐赶超世界的顶端技术。

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，主要面向高精度逆向工程的三维建模与重构，可以高效地采集三维坐标点，并可以深入到复杂的现场环境中进行扫描，将各种大型的、复杂的、不规则的实景三维数据完整地采集到电脑中，从而快速重构出目标的三维点云模型。三维激光扫描系统由硬件和软件组成，硬件主要有三维激光扫描仪，它与常规的测量仪器相比其主要优势为不需要设置反射点、不接触被测物、扫描速度快，可在十几分钟内获得上百万个数据点，坐标点高密度、高精度，配合后处理软件可以生成三维向量的空间表面或实体图形。激光扫描不需要光源，可以在黑暗中进行量测，因此能够在黑暗的隧洞中进行扫描。它还可以与数码相机协同工作，数码照片与扫描点云一一对应，为数据点提供颜色，形成三维影像，方便地建立虚拟现实。三维激光扫描仪可用于边坡工程监测，能实时地获得边坡的动态三维坐标和边坡三维形态，并可用于边坡的安全监测和危险性预测。

无线传感技术是基于无线传感网络和基于无线传感器网络的自主智能系统，是涉及微机电系统、计算机、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合性技术。目前，无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到其他许多领域，能够完成如灾难预警与救助、结构健康监测、空间探索等任务。1999年，著名的美国商业周刊就将无线传感器网络列为21世纪最具影响力的21项技术之一。2003年，MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的10大新技术之一。我国中科院早在1999年就启动了无线传感网络的研究，中科院无锡工程技术研究中心是我国目前研究互联网和无线传感网络的核心单位，哈尔滨工业大学建成了包含10个节点的海洋平台结构监测的无线传感网络系统。总体来说，结构健康监测属于土木工程的一个新的研究方向，而将无线传感网络应用于结构健康监测更是发展的热点。

3 土石坝快速施工质量检测及监控技术的发展

3.1 土石坝坝料碾压实时监控技术

传统土石坝压实质量检测是在事后进行的，即当碾压完成后，检测部门按照相应的检测方法对坝体进行检测，由于现行的检测方法耗时长，抽检点数量较少，检测结果无法代表整个坝面的压实质量，当发现个别抽样点不满足要求时，很难界定重新碾压的范围，容易造成其他合格区域的“过压”现象，碾压遍数控制法和碾压轮迹控制法都是经验性的工艺控制法，属于宏观过程控制，质量控制精度不高。为此，国际上20世纪90年代已系统地提出来了连续压实控制技术(简称CCC技术)，一些欧洲国家开始建立相关技术标准，在铁路、公路、大坝、机场、地基等填筑工程领域进行了普遍应用。其原理是在土料填筑碾压过程中，根据土体与振动压路机相互动态作用原理，通过连续量的振动压路机振动轮竖向振动响应信号，建立检测评定与反馈控制体系，实现对整个碾压面压实质量的实时动态监测与控制，连续压实控制技术采用GPS实时动态定位和压实传感器监测技术，将振动压实机具作为加载设备，利用软件实时处理碾压机钢轮准确位置和振动量，根据压实机具与土体之间的相互作用，通过土体结构的反作用力(抗力)来分析和评定坝料的压实状态，进而实现碾压过程中压实质量的连续检测、连续控制，以图形、数值和声音信号等多种方式实时显示压实值，实现由点的抽样检测转变为覆盖整个碾压面的全面监控与检测。我国铁路部门已于2011年出台了相关应用规范，CCC技术已在铁路、公路路基和南水北调工程施工中得到了应用。目前，该技术研究的重点已转向如何实现智能压实碾压机根据土体的变化进行自动调频调幅以优化压实。

3.2 质量附加法快速检测技术

长期以来，面板堆石坝堆石体压实密度检测多用传统的试坑灌水法，该方法原理简单易懂，试验过程直观明了，但是试验过程中所用试验设备繁多笨重，并且试验时间长、工作效率低下，20世纪90年代首创的附加质量法，经过多年不断研究改进，己发展至第四代技术。附加质量法又称为△m法，该方法的基本思路为：第一，将测点抽象为“质弹体系”振动模型；第二，用附加质量法测量测点处的地基刚度K和地基土参振质量；第三，用体积相关法求解地基填筑体的湿密度；第四，用等体积法求取测点地基填筑体的干密度；第五，利用湿密度和干密度求解含水率。目前附加质量法作为一种密度检测方法得到了较广泛的应用，也做为《水利水电工程物探规程》(SL 326-2005)的一部分进行了相关说明，但附加质量法的应用是以坑测结果作为标尺，与所测地基刚度、参振质量建立关系的方法。这种间接测试的方法对尺子本身的精度更为依赖，故只有坑测法密度测准，附加质量法所测结果才更为准确。同时实际施工中在坝体质量评定验收方面，附加质量法作为一种新的检测手段是否作为最终评定依据仍需研究。

3.3 瞬态瑞利波检测技术

瞬态瑞利波检测技术是一种不仅利用了波的运动学特征，更重要的是利用了波的动力学特征对土石坝坝体填筑质量进行无损检测的新技术。在自由界面(如地面)上进行垂直向瞬态激振时，均会在其表面附近产生瞬态瑞利波，瑞利波在自由表面附近传播时，质点在波传播方向的垂直面内振动，振幅随深度呈指数函数急剧衰减，质点的振动轨迹在波的传播方向的铅垂面内作顺时针或逆时针的椭圆运动。在瞬态瑞利波检测技术中主要利用瑞利波与工程质量检测有关的主要特征，一是在分层介质中，瑞利波具有明显的频散特性，因而在不同地质层分界处瑞利波波速有变化，从而可以实现工程地质的分层；二是由于瑞利波的波长不同，穿过深度也不同，某一波长的波速主要与深度小于1/2波长的地层物性有关，因此，可以据此测定地质层深度及厚度；其次是瑞利波在介质中的传播速度与介质的物理力学性质密切相关，瑞利波速度值的大小可以反映出介质的物理力学特性和存在状态，因此可以据此判定被检测介质的密实度。

瞬态瑞利波检测技术又称为频率测深技术，它是在地面上人工施加一瞬间冲击力，在地面附近产生一定频率范围的瞬态瑞利波，它是由多个简谐波组成，这些简谐波叠加在一起，并以脉冲的形式传播，每一个简谐波都以一定的相速度传播，速度是频率的函数。瞬态瑞利波检测工作方法采用单排列多道观测系统，振源采用锤击、落重或炸药。结合检测区域实际地质、地形和物性条件，选择传感器主频、各道之间距离、激振点与第1道传感器的偏移距离、激振方式及仪器工作参数，选择最佳瑞利波观测窗口以获得最佳观测效果。在地面上沿着瑞利波传播的方向布置多道检波器进行观测，然后对现场各测点所采集的数据进行分析和处理，把各测点不同频率的瑞利波分离出来，给出瑞利波波速随深度变化曲线即瑞利波频散曲线。应用实测的各测点的频散曲线进行反演分析，划分出各测点的速度层位，并计算出各测点的各层介质的瑞利波速度值。对土石坝坝体每个测点频散曲线的分析可以确定土石坝坝体不同部位填筑质量，如坝体填筑材料的密实性、均匀性，坝体与坝基接触情况等。坝体填筑材料的密实性、均匀性，坝体与坝基接触情况可以根据坝体测点频散曲线的特殊异常反映，如存在低速拐点，离散性等情况等来判定。通过在已知坝体填筑材料干密度区做试验对比分析，建立土石坝坝体填筑材料瑞利波波速与坝体填筑材料干密度的相关关系，计算各测点各层坝体填筑材料的干密度。