連續壓實過程控制系統在涔天河水庫擴建工程堆石壩填筑中的運用

顏東福

（歐陽海灌區水利水電工程管理局 衡陽市 421800）

1 工程概述

涔天河水庫位于湖南省江華瑤族自治縣境內，1960年為急于解決瀟水兩岸的灌溉和木材流放問題，同時控制不淹沒江華瑤族自治縣原縣城所在地水口鎮為前提，將規劃的高壩方案降為低壩方案，并于1970年9月建成蓄水，大壩正常蓄水位254.26 m，最大壩高46m。涔天河水庫擴建工程擴建后最大壩高114m，壩長328m，壩頂寬10m ，大壩上、下游壩坡比1∶1.4，壩頂高程324m，正常蓄水位313 m。大壩工程采用鋼筋混凝土面板堆石壩，總土石方工程量為土石方開挖67.6萬m3，石方填筑305萬m3。填料采用全幅縱向水平分層方法攤鋪鋪料，厚度80cm，采用26t單鋼輪壓路機沿平行于壩體軸線進行條帶搭接碾壓，碾壓方式為強振、弱振、靜電相結合，最大工作時速不超過3km/h。為保證碾壓質量，采用麥斯泰格（北京）工程技術發展有限公司提供的Trimble連續壓實過程控制系統。

2 連續壓實過程控制系統簡介和應用

2.1 連續壓實過程控制系統簡介

2.2 連續壓實過程控制系統與傳統施工方式的比較分析

（1）傳統碾壓施工方式存在的不足。目前，大壩土石壩碾壓在壓路機作業過程中主要依賴機手的操作經驗，所以容易造成漏壓、過壓的情況出現，壓實質量難以得到保證，而且事后的地質勘察點和密度抽檢點間距大，無法有效地檢測到地下潛在的漏洞。

（2）常規檢測方式的缺陷。常規檢測點密度小，以點代面，不能準確反映整個作業面的壓實度；常規檢測是事后檢測，不能定時控制碾壓過程中的施工質量；常規檢測過程中人為誤差較大,導致檢測結果不能真實反映作業面壓實度。

（3）連續壓實過程控制系統的特點。連續壓實過程控制系統著眼于壓實過程控制，實時顯示作業道路的壓實狀況，完全無需憑猜測和施工經驗，該系統提供全面的壓實信息，降低了核子密度計等傳統現場壓實工具的使用頻率，降低了成本開銷。連續壓實過程控制系統是第一個為施工單位提供實時道路表面壓實信息解決方案的衛星定位系統GPS接收機和強大的天寶機械控制系統軟件，將天寶3D機械控制擴展至土壤和材料表面的壓實施工作業上。

（4）連續壓實過程控制系統與傳統施工方式的對比分析（附表）。

附表 連續壓實過程控制系統與傳統施工方式的對比

2.3 連續壓實過程控制系統元件組成

（1）CM310壓實傳感器。CM310壓實傳感器測量和記錄壓輪的振幅和頻率。其內部的固態微處理器實時處理鋼輪采集的數據信息，生成可以反映壓實度值的CMV值，引導機手對大壩壓實狀況實時監控。安裝在壓輪的中心位置。

（2）MS990GPS接收機。MS990智能接收機集成GPS、GLDNASS信號接收定位功能于一體，廣泛用于GCS900機械控制系統的產品。MS990設計便攜、靈活，即使在嚴酷的施工環境下仍可提供高精度的定位信息。安裝在機頂，便于接收GPS信號。

（3）LB400光棒。光棒LED燈泡發出的顏色和個數,對應了實際施工數據與設計數據的偏差。安裝的方式表明了相應位置的引導信息，垂直安裝的光棒對應了垂直方向上壓輪高程偏差信息，水平安裝的光棒對應壓輪引導點相對于水平引導線的偏差信息。安裝在駕駛室內部前擋風玻璃上。

（4）SNR410數傳電臺。設計堅固耐用，可實現雙頻段的無線數據通信，將接收基站傳遞的差分信號傳遞給控制箱，解算后實現RTK差分定位。安裝在機頂、便于電臺信號接收。

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（5）CB430控制箱。控制箱配備了強大的應用軟件，符合人性化應用的用戶界面。實時顯示壓路機動態位置和路基壓實情況，引導駕駛員精準施工。安裝在駕駛室是里面、駕駛員的右手邊，便于操控。

（6）打印機。為便于施工管理，系統配置了外置打印機（內置可充電電池），每次施工完成后可以將施工區域碾壓狀況打印到紙上，便于觀看。

2.4 連續壓實過程控制系統管理和應用流程

（1）流程圖。針對碾壓數據的管理見流程圖（附圖）。

流程圖可以清楚地了解到施工單位和監理單位在碾壓數據管理方面的職責。每個填筑單元碾壓完成后，壓實系統數據報告和原始數據必須作為單元驗收資料之一進行備份。

附圖 流程圖

（2）單元碾壓現場數據采集。工程部人員根據碾壓施工設計要求將目標碾壓遍數、目標厚度、目標CMV值、行駛速度等參數設置到壓實系統中并告知機手；機手嚴格按照碾壓設計參數要求，根據壓實系統的引導進行碾壓；單元碾壓完成后工程部人員現場查看壓實系統記錄數據是否滿足要求，不滿足區域要求機手進行補壓；單元碾壓完成后工程部人員將數據拷貝回來并交給安質部數據處理人員；安質部人員負責數據的備份及處理，并按照業主的要求定期提交數據及處理報告。單元碾壓完成后現場監理查看壓實系統記錄數據是否滿足要求，不滿足區域要求則施工方進行補壓。業主進行單元碾壓現場數據抽查。

（3）目標CMV取值。試驗室人員進行單元常規檢測，指出質量合格區域作為目標CMV取值區域，并提供該區域常規檢測值；機手按要求駕駛機器在取值區域碾壓一遍采集數據；工程部人員根據壓實系統自動計算數值確定目標CMV值；填料發生變化時工程部人員要重新布置目標CMV取值工作。

（4）薄弱區域檢測。工程部人員根據壓實系統記錄的數據找出薄弱區域并記錄薄弱區域中心點位置坐標，要求試驗室人員首先在薄弱區進行檢測；試驗室人員對薄弱區域進行檢測并提供檢測結果給工程部人員；若壓實系統顯示的薄弱區域經常規檢測合格，則說明其他區域也合格。經過多個單元驗證后，可分析CMV值并進行目標值調整。

（5）常規檢測與CMV值對比數據采集。工程部人員在每個單元常規檢測時記錄下檢測點位置坐標、檢測日期等信息；試驗室人員完成檢測后向工程部人員提供檢測結果；工程部人員將檢測點位置坐標、檢測日期、檢測結果等整理成表格后轉給安質部數據處理人員；安質部數據處理人員根據表格中檢測點的位置等信息在壓實系統記錄的數據中找出對應的CMV值并添加到表格中；安質部人員負責上述對比數據的備份，并按照業主的要求定期提交。

（6）常規檢測與CMV值對比分析。安質部人員將常規檢測和CMV值對比數據收集齊后，剔除不合理數據并用數學軟件對兩組值進行相關性分析，得出結論；經過足夠次數的相關性分析后，安質部人員要找到最理想的目標CMV值并將該值告知工程部人員指導現場碾壓；安質部人員負責對比分析結果的備份，并按照業主要求定期提交該資料。

（7）單元碾壓數據處理。安質部人員按要求及時使用數據處理軟件對單元碾壓數據進行處理，并制作每個單元數據處理結果報告，將報告作為單元驗收資料中的一部分提交給監理和業主；在數據處理過程中，如發現現場碾壓有不合格的情況（如漏壓、遍數不夠等），必須及時通知工程部人員責令現場進行補壓；補壓完成后工程部人員將補壓數據拷回交給數據處理人員與之前數據進行合并處理。監理方根據施工方提交常規檢測結果、壓實系統記錄的碾壓原始數據及數據處理報告等單元驗收資料對填筑單元的碾壓情況進行判定，各參數合格后方可允許下一層填筑。

（8）單元碾壓結果的管控。工程部和安質部的人員首先利用壓實系統記錄的過程信息進行單元碾壓結果自檢；自檢合格后方可向試驗室申請常規檢測；常規檢測合格后向監理提交單元驗收資料；如遇到壓實系統故障或其他特殊原因造成的數據報告不合格而常規檢測合格的情況，施工方需向監理方進行說明，并提交相關證明材料（如壓實系統故障單等）。監理方對單元驗收資料進行判定，發現數據報告中的問題后，嚴格監督施工方進行整改；壓實系統出現故障或現場遇到其他特殊原因導致壓實系統不能正常記錄數據時，現場監理要進行現場確認，并對壓實系統故障單等證明文件進行簽認。

3 各類工程因素對連續壓實過程控制系統的影響

（1）大壩填筑料級配要求。通過爆破試驗確定復雜條件下溪江石料場鉆爆參數，以獲取粒徑和級配符合設計要求及經濟合理的壩體堆石料，以并通過現場碾壓試驗對原設計的壓實密度進行驗證，核定設計填筑標準。超徑石過多或級配不合格將嚴重影響大壩填筑壓實度。

（2）合理的壩體填筑參數。通過碾壓試驗,選用合適的壓實機械,確定達到設計填筑標準的壓實方法及壩體各區(主堆區、次堆區、過渡區、墊層區)經濟合理的施工參數（如鋪層厚度、碾壓遍數、加水量等），完善施工工藝和措施，確保壓實質量。

（3）機械操作人員的影響。機械操作人員應選用具有一定文化水平和專業素質的熟練工人，經培訓掌握連續壓實過程控制系統操作技術，要固定碾壓設備的操作機手，同時固定壓實機械的碾壓責任區域。

（4）壓實數據的處理人員的選用。必須選用熟練掌握計算機運用技術的水利工程專業技術人員，及時整理和處理壓實數據，并形成合格的數據成果報告。

（5）系統故障的影響。必須確保基準站的供電正常，否則導致碾壓數據錄入誤差。碾壓機械必須保證正常運行，出現系統故障、部件損壞、傳感器失靈等要及時修復，及時排除故障，正常情況下及時開機、關機和正常使用。

（6）GPS精度和電臺頻點的影響。選擇能滿足施工要求的GPS精度，選擇需要的頻點施工。不同的施工區域、不同的碾壓機械要選擇使用不同的頻段。

（7）復雜邊界條件的影響。復雜的邊界條件如不規則的岸坡、基坑等要用鑿巖機加以修整，大型壓路機不能到位的地方要用小型的靈活的碾壓機械補壓。

（8）天氣條件的影響。接收基準站一般要求選建在比較開闊的地帶，惡劣的天氣條件對GPS定位接收系統有較大的影響。

4 結 論

涔天河水庫擴建工程大壩填筑連續壓實過程控制系統的引入，解決了壩體填筑的平整度和壓實度等問題；過程控制有針對性地進行坑檢（過程控制系統只作為補充措施，不替代常規檢測），減少了傳統檢測的盲目性，保證了壓實質量的均勻性；保證了大壩填筑質量，降低了高壩變形風險；整個大壩填筑碾壓參數全過程記錄，可追溯；新技術的引進提高了人機效率，降低了能耗和排放。