高心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統研發與應用

崔 博，胡連興，劉東海

(天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

1 前言

隨著我國水利水電工程建設的發展，土石壩開始向300 m級高度研發和建設［1］。土石壩施工規模的提高為壩體安全性帶來了新的考驗，對大壩建設管理特別是施工質量控制提出了更高層次的要求。

心墻堆石壩是土石壩的主要壩型之一。大壩填筑，尤其是防滲體的施工質量，是心墻堆石壩施工質量控制的主要環節，直接關系到大壩的運行安全，而壩體填筑施工質量，主要與料源質量和施工參數有關，因此在心墻堆石壩的施工中，有效地控制料源質量和施工參數是保證大壩填筑施工質量的關鍵。在國內心墻堆石壩施工管理中，通常采用采樣試驗的方法來控制料源質量和填筑質量，依靠人工巡檢的方式控制施工參數［2～4］。有限的試驗不能完全反映施工質量，而人工控制施工參數在客觀性與精度方面均有欠缺。同時，人工控制方式與大規模機械化施工不相適應，也很難達到水電工程建設管理創新水平的高要求。因此，有必要研究開發一種具有實時性、連續性、自動化、高精度等特點的大壩填筑施工過程實時監控系統，對大壩填筑施工的各個環節進行有效監控，使大壩施工質量始終處于受控狀態。

應用系統的觀點進行分析，心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統可分解為兩個緊密聯系的子系統［5］:大壩填筑碾壓過程實時監控系統和上壩運輸實時監控系統，分別對填筑碾壓過程與上壩運輸過程進行監控。在土石碾壓過程監控方面，國內外學者已經開展了相關研究。國外研究主要集中于道路施工領域［6～8］，對路基土石方碾壓過程進行監控與指導，以控制路基碾壓的密實程度。國內學者近年來將GPS(global positioning system)技術應用到大壩碾壓參數實時監控中［9～11］，為大壩填筑質量控制提供了新手段。其中，在水布埡面板堆石壩施工中得到應用的大壩填筑碾壓質量GPS監控系統是土石壩填筑施工過程實時監控的一個具體應用。該系統實現了對碾壓速度、碾壓遍數、鋪料厚度這三項碾壓參數的實時監控，但沒有涉及另外一個碾壓參數——碾壓機械振動狀態，也沒有對壩料運輸過程進行監控。

文章針對高心墻堆石壩填筑施工特點，研制開發心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統，實現對土石料上壩運輸過程、壩面填筑碾壓過程的實時監控，并在實際工程中進行應用。

2 監控指標

以大壩施工工藝參數作為施工過程監控指標:在上壩運輸階段，監控指標為各上壩道路行車密度、加水量以及卸料點料源與分區匹配情況，當監測到車流量過大、加水不足、卸料地點錯誤時及時提醒現場管理人員進行處理，并統計各種壩料上壩強度;在壩面碾壓階段，監控指標為各項碾壓參數(碾壓機行駛速度、激振力、碾壓遍數、填筑層厚度)，當監測到碾壓機過速、激振力不達標、漏碾或超碾、填筑層過厚等情況時，及時提醒現場管理人員進行處理，使大壩碾壓過程始終處于受控狀態。

心墻堆石壩填筑施工過程監控指標體系見圖1。

圖1 心墻堆石壩填筑施工過程監控指標體系Fig．1 Targets architecture of high core rock-fill dam filling construction process monitoring

3 監控方法

在上壩運輸階段，通過安裝在自卸車上的空間定位設備與卸料監測設備對自卸車進行時空定位與卸料動作監測，通過PDA(personal digital assistant，個人數字助理，即掌上電腦)實現車輛調度信息更新;在加水站安裝射頻讀卡器、加水閥自動控制裝置，配合安裝在自卸車上的無線射頻卡進行加水量監測以及加水閥門的開合。監測數據通過無線網絡傳輸至監控中心。

在壩面碾壓階段，安裝于碾壓機上的監測設備對碾壓機進行高精度空間定位以獲取碾壓機精確時空位置數據，激振力監測設備實時監測碾壓機振動狀態，并將定位得到的三維空間位置坐標數據與監測得到的振動狀態信號通過無線網絡傳輸至監控中心;在各監控點電腦上安裝監控客戶端，通過互聯網絡連接監控中心獲取監測數據，對各項碾壓參數進行實時計算與圖形化顯示。

監測數據由監控中心統一管理。根據預先設定的控制標準，監控中心的應用程序實時分析判斷監控指標是否達標，通過短信向相關管理人員發送提醒信息，并配合使用監控客戶端的圖形界面進行不達標事件的處理。

4 解決方案

心墻堆石壩填筑施工過程實時監控的實現依托于幾個組成部分，包括碾壓機流動站、定位基準站、運輸車流動站、加水點控制站、總控中心、現場分控站、PDA調度模塊及通信網絡，系統結構見圖2。

1)碾壓機流動站。碾壓機流動站包括安裝于碾壓機械上的GPS接收機、DTU(data transfer unit，數據傳輸單元)、激振力監測設備。GPS接收機每秒對碾壓機械進行空間三維定位，激振力監測設備監測碾壓機振動狀態;兩種監測數據匯總至DTU，通過無線通信數據鏈路發送至位于總控中心的系統服務器。

2)定位基準站。基準站是整個監測系統的“位置標準”，通過無線電數據鏈，與流動站GPS接收機的觀測數據一起進行數據差分處理，將碾壓機械GPS設備的測量精度提高到厘米級，從而滿足大壩填筑碾壓質量控制的要求。

3)運輸車流動站。運輸車流動站包括安裝于自卸車上的GPS接收機、卸載操作設備、無線射頻卡及DTU。GPS接收機每分鐘對運輸車進行空間三維定位，卸載操作設備監測卸料動作，卸料時額外進行車輛定位;監測數據匯總至DTU，通過無線通信數據鏈路發送至位于總控中心的系統服務器。

4)加水點控制站。加水點控制站包括安裝于加水點的閥門控制器、射頻讀卡器、DTU設備。射頻讀卡器對進入加水區域的運輸車上安裝的無線射頻卡進行識別，根據車型換算出設計加水量，據此操作加水閥門。加水記錄由DTU通過無線通信鏈路發送至位于總控中心的系統服務器。

5)總控中心。總控中心是整個系統的核心組成部分，由多臺服務器組成，負責系統的通信與數據管理。總控中心設置于建設營地，可配置投影系統對施工過程進行遠程監控。

圖2 心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統結構Fig．2 Structure of real-time monitoring system of high core rock-fill dam filling construction process

6)現場分控站。現場分控站設置于大壩施工作業面附近，配置監控終端與網絡設備，由監理值守，應用系統進行過程監控與問題處理。一旦監控指標出現偏差，監理人員可及時進行糾偏工作。

7)PDA調度模塊。運輸車現場調度人員應用已安裝車輛調度模塊的PDA及時更新運輸計劃，包括運輸車的始發料場、運載的土石料的種類、目的卸料分區等，防止系統產生卸料地點判定錯誤。

5 系統開發

心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統采用N層計算結構。從邏輯角度看，系統分成客戶端、服務端、數據庫;從物理角度看，客戶端可以視用戶數從1到N進行擴充，以滿足多點監控的要求。

系統工作模式采用C/S(client/server，客戶機/服務器)模式，從邏輯上劃分為三層:表現層、應用層、數據層。

第一層:表現層，即監控客戶端，為用戶提供施工過程監控界面，負責各項監控成果的展示。

第二層:應用層，包括通信與計算服務端，是實現各種業務功能的邏輯實體，是系統的核心部分。它一方面負責數據通信，一方面負責接收來自表現層的功能請求、完成相應計算分析之后進行反饋。

第三層:數據層，存放并管理各種信息，實現對各種數據源的訪問，也是系統訪問其他數據源的統一接口。

系統工作模式見圖3。

圖3 心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統工作模式Fig．3 Operation mode of real-time monitoring system of high core rock-fill dam filling construction process

6 工程應用

糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段梯級規劃“二庫八級”電站的第五級，其攔河大壩為直粘土心墻堆石壩，最大壩高為261．5 m，是亞洲第一高堆石壩，世界第三高心墻堆石壩。

工程建設管理局牽頭并協調，大壩標監理單位具體操作，大壩標施工單位緊密配合，天津大學負責系統研發與維護，參建各方共同推動糯扎渡高心墻堆石壩填筑施工過程監控系統的實地應用。以施工單元為監控單元、以現場分控站為主要監控操作地點、以現場施工管控人員為系統反饋信息接收方，構建監控系統參與方執行流程，見圖4。系統研發單位與大壩標監理單位聯合出具監控系統運行周報，匯報系統運行情況、施工過程監控成果、監控報警匯總及處理結果，實現監控系統運行的資料閉合。此外，管理局制定監控系統配合費考核支付管理辦法、監控系統硬件設備管理辦法、監控系統反映問題的整改閉合辦法等規章制度，并將監控報告納入單元驗收環節，為監控系統切實、充分、順利、有效地運行提供了保障。

圖4 糯扎渡心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統執行流程Fig．4 Work flow of real-time monitoring system of Nuozhadu core rock-fill dam filling construction process

糯扎渡高心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統經過多年的設計、研發、建設、運行及完善，實現了對于填筑碾壓參數、加水量、卸料正確性等施工參數的實時監控以及道路行車密度、上壩運輸強度等重要參數的統計，減少了施工過程控制中的人為因素，提高了施工過程的質量控制水平與效率。系統軟件操作界面見圖5。該系統在實際應用中體現出以下特點。

圖5 糯扎渡心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統軟件操作界面Fig．5 Operation interface of real-time monitoring software system of Nuozhadu core rock-fill dam filling construction process

1)精細監控。碾壓機械定位精度達到厘米級水平;自卸車平面定位精度達到米級水平;碾壓遍數、碾壓高程、壓實厚度計算像素化，計算單位為數厘米邊長的方形網格。

2)實時、遠程監控。監測設備實時地將數據通過無線通信網絡傳輸至總控中心，各監控點可通過互聯網絡接入系統獲取監控數據，通過裝有監控客戶端的電腦對施工過程進行遠程、實時監控。

3)全天候監控。系統各類監測設備、硬件設施均為全天候不間斷工作，保證系統連續正常運行。

4)高度自動化運行。碾壓機流動站設備為全自動運行，不需任何人工操作;定位基準站無人值守運行;運輸車流動站設備自動定位，空滿載開關操作簡便。

7 結語

高心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統及其在實際工程中的應用，為工程質量實時監控提供了先進的技術手段，在保證工程質量方面發揮了重大作用。施工過程監控系統以其科學性及對高新技術的高度適應性，成為工程管理者實時監控工程建設過程、控制工程質量、提高管理水平與效率的重要途徑。研究開發心墻堆石壩填筑施工過程實時監控系統具有重要的實用價值，并在我國流域梯級開發中具有廣闊的推廣應用前景。

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