基于GPS的面板堆石壩監測與填筑質量控制

劉海濤

(饒河縣勝利農場水務局，黑龍江 饒河 156324)

1 引言

隨著社會的不斷發展，監測設計理論的逐步完善，以及監測儀器和技術的革新，為大壩的設計、施工和運行提供了有力保障。如光纖傳感技術運用來監測裂縫，應力應變的監測尚需進一步研究[1-2];滲流熱監測壩體、壩基滲流。

目前，堆石壩填筑施工的質量管理主要采取控制碾壓參數和試坑法檢測的“雙控”，在實施過程中，也發現了一些不足，如試坑取樣費工費時、試坑尺寸、形狀不規則的問題，以及測量試坑體積方法不精確的問題等;因而很難適應新形勢發展的要求。同時監控大壩的安全問題，有重大的實用意義和科學價值。GPS(全球定位系統)具有全天候、實時性、連續性、自動化、高精度等特點已在隔河巖等大壩變形監測中獲得了應用，隨著成本的降低，測量精度的提高，將在土石壩監測中逐步應用，這為我國大壩位移監測以及施工質量控制又提供了一種有效的方法[3]。

2 GPS監控系統主要結構組成及功能

2.1 系統組成

通常GPS(Globe Positioning System)實時監控系統由3個部分組成:系統監控中心、無線通訊中繼站和移動遠端監控系統，GPS監控系統由監控中心、網絡中繼站、現場分控站、GPS基準站和移動遠端(或GPS流動站、動碾和工程監理車)等部分組成。GPS構成一個自動監測系統，通過少量人工干預就能很容易地獲取堤壩長期和短期變化情況。

2.2 監控中心是本系統的核心

系統綜合應用了無線網絡傳輸和衛星定位系統(CPS)，通過無線數據通訊方式，將GPS基準站的差分數據連續、實時地發布給各GPS流動站，同時，接收各流動站反饋的位置信息。其主要觀測項目是(碾壓機械的運行軌跡、運行速度和碾壓遍數)攤鋪層碾壓前后的堆石料厚度的變化，為控制攤鋪層厚度與平整度、計算壓實率提供數據，并將觀測結果發送回中心控制室。另外，根據系統監控數據，從質量管理角度指導現場施工。

2.3 GPS監控系統特點

1)連續、實時監控。通訊數據實現了真正意義上的雙向實時傳送。測點速度一般只有十幾分鐘或幾分鐘。無論在監控中心、現場分控站，還是在移動遠端，均可實時顯示碾壓機械的運行軌跡和運行速度，在顯示屏上實時反映系統1 s采樣率的三維位置信息。

2)操作簡便。移動遠端設備簡潔，體積小，重量輕，安裝和拆卸也非常簡便。另外移動遠端的操作過程非常簡便，僅涉及到開機和關機等幾個必要步驟。

3)全天候和高精度的優點。其表面定位精度可到厘米級甚至毫米級，高程可達四等水準。由于其點位間不存在誤差積累，測量點不像傳統控制測量那樣有等級之分。采用GPS技術無需過渡點，不用造標，點位間不需要通視。

3 GPS移位安全監測

系統由數據采集、數據傳輸和數據處理3部分組成。GPS大壩位移監測點的定位主要有絕對定位和相對定位。絕對定位的精度一般較低，因此，在GPS大壩位移監測中，應采用相對定位。應用其靜態和快速定位方法直接獲取大壩位移，提供給GIS、ES等系統進行大壩安全評價使用。

3.1 架設基準站與監控中心，連接基準站與監控中心

根據土木工程和地質資料，合理布置監測站點，作為基準點，且與壩區變形監測網聯測。將具有穩定的地帶和穩定的標石點作為參考點向目標點進行監測。

3.2 數據采集與傳輸

每次觀測時間60～180 min。數據傳輸部分，基準點數據可采用微波擴頻無線通訊技術，將數據傳輸至控制中心服務器;監測點數據也采用智能多串口卡和光隔離器[5]進行數據采集和傳輸，并通過光纖傳輸至控制中心服務器。這樣可以集到多種檢測與對比分析數據，具體包括GPS、全站儀測量的檢測點平面坐標和水準測高。

3.3 進行數據處理與分析

包括網平差計算，位移參數精度和靈敏度等相關分析。

再測量過程中誤差可能主要來源于儀器，如衛星和接收機鐘差、SA頻率抖動、衛星頻率的不穩定和天線校準和天線高度誤差等等。這些誤差都是可以在實際操作和數據處理過程中進行消除的。如衛星和接收機鐘差:衛星和接收機振蕩器引起的誤差，采用差分法消除。

4 填筑施工參數控制

壩料填筑是面板堆石壩施工之中的關鍵，直接影響壩體施工質量和施工速度。采用GPS定位技術作為大壩填筑碾壓施工質量監控系統的主要依托技術是有堅實的科學基礎和物質基礎的，應用也越來越廣泛。如水布埡水電站面板堆石壩填筑施工中就采用了GPS系統來進行施工過程的實時監控。在面板堆石壩施工過程中GPS主要運用于如下幾個方面:

4.1 鋪料厚度

為了使壩體均勻協調填筑升高，做到填筑兩層墊層料壓實后等于一層堆石料的壓實厚度，并考慮到機械鋪料和人工鋪料、前進法和后退法卸料以及不同填料壓實沉陷量不同的影響，又針對墊層料進行了生產性試驗調整，墊層料鋪料厚度為55 cm，碾壓后沉降率為30%左右，填筑兩層后與上游堆石區填筑一層壓實后的厚度相當。通過運用GPS相對定位技術能精確測量，夠提示大壩施工管理人員和質量監理工程師，填筑過程中的攤鋪厚度是否符合規定。如上游堆石區(主堆石區)要求鋪料厚度為80 cm，實際鋪料厚度為80～85 cm，其它填筑區的鋪料厚度基本按要求進行。鋪料層厚的控制采用測量、放樣和標尺檢查的方法進行。墊層料填筑碾壓后經挖坑檢測，干密度值全部合格，說明其調整后的鋪料厚度便于施工，也達到質量要求。

4.2 碾壓遍數

運用GPS監控系統根據實時監測的大壩壩面碾壓機械的碾壓遍數和碾壓機運行速度等監控結果，能夠以較簡單明了的提示方式，及時反映給碾壓機械操作人員，并能按照大壩填筑規劃對大壩各區、各層填筑碾壓層厚進行復核，記錄施工各區、各層的實際填筑碾壓厚度，并及時提示現場工程師糾正可能出現的錯誤，使施工質量在整個施工過程中始終處于受控狀態。具體情況為:除小區料采用平板振動碾、墊層料斜坡面采用10 t振動碾外，其余填筑區均采用16～18 t振動碾進行碾壓，碾壓遍數為6～8遍，碾壓遍數按振動碾錯距20～30 cm進行控制。砂礫料填筑區的碾壓遍數按振動碾錯距45～50 cm進行控制。斜坡面碾壓時振動碾的上行速度為0.3 ～0.35 m/s，下行速度 ＜0.4 m/s。

4.3 面板混凝土施工控制

面板施工主要包括縫的處理、止水施工、鋼筋綁扎、滑模澆筑、養護等幾個工序。面板有一個固定的坡比，在設計大壩時已經確定，常用1∶1.3和1∶1.4，這一坡面形成的傾角約為36°～37°。這一坡比數值關系到滑模的系統設計、養護和保溫措施等，所以在施工上要求比較嚴格，運用GPS技術可以完成整個過程的實時監測，確保施工質量。

5 結束語

實踐證明，GPS定位技術在面板堆石壩監測與填筑質量控制方面所顯示出來的優勢越來越被同所關注和重視。GPS定位技術的監測精度高、觀測時間短、測站間無需通視、全天候作業以及操作簡便等諸多優點也在實際運用中體現出來。GPS實時監控系統通過野外數據采集、數據傳輸以及數據處理和分析達到實時監控大壩運行狀況和填筑質量控制，為我國大壩位移監測以及施工質量控制又提供了一種有效的方法。

[1] 李珍照.國外大壩監測幾項新技術[J].大壩觀測與土工測試，1997，21(l):16-18.

[2] 李振寧，朱紅.新型大壩安全自動化監測系統數據采集軟件[J]. 大壩觀測與土工測試，1999，23(4):37-39.

[3] 張秀芝，劉志清，GPS在水布埡大壩施工質量監控中的運用[J].人民長江，2006，37(7):65-67.

[4] 貢建兵.隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監測系統[J].大壩與安全，1999，23(2):60-65.