數字大壩系統在長河壩電站大壩工程中的應用

孫周輝

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

數字大壩系統在長河壩電站大壩工程中的應用

孫周輝

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

數字化大壩系統作為現代化的監控手段進入土石壩施工監控，對土石壩的施工質量管控來說是一個新方法、新手段、新技術。由于目前還沒有形成規范，相關記錄和過程監控結果未作為評價質量的標準，僅是對過程控制的加強，現階段由于數字化監控和常規的試驗檢測同步進行，并未減少常規檢測的頻次，工程采用本系統后直接的經濟效益并不明顯，但是系統使用后，在質量、進度控制上的貢獻非常突出:縮短了施工質量檢查的時間，優化了碾壓分區，提高了壩面平倉及碾壓設備的使用效率，施工質量大幅提高后，現場返工處理大幅度減少。

數字大壩；GPS監控；視頻監控；高土石壩；長河壩水電站

1 工程概況

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為大渡河干流水電梯級開發的第10級電站，正常蓄水位下庫容為10．75億m3，是一等大(1)型水電工程。長河壩水電站樞紐建筑物主要由礫石土心墻壩、泄洪系統、引水發電系統組成，電站裝機容量2 600 MW。

長河壩大壩壩頂高程1 697 m，最大壩高240 m，壩頂寬16 m，長502．85 m，上下游壩坡均為1∶2。心墻上、下游側設反濾層，過渡層及堆石區。堆石與兩岸巖坡之間設置3 m厚的水平過渡層，大壩整體填筑方量3 400萬m3。

2 數字大壩系統

數字大壩的概念正式提出并成功應用于工程，一是基于倉面施工數據采集和智能溫控的溪洛渡數字混凝土壩，二是基于施工質量實時監控的糯扎渡數字堆石壩。源自糯扎渡數字大壩的成果，在不斷發展中向龍開口、梨園、魯地拉、溧蓄等工程推廣應用，技術逐步成熟，目前在長河壩電站的建設中得到了全面的應用和完善。長河壩數字大壩監控主要包括:大壩填筑碾壓過程實時監控系統；上壩運輸過程實時監控系統；石料運輸車輛自動加水與監控系統；大壩施工信息PDA采集系統；灌漿信息采集與分析系統；“數字大壩”綜合信息集成系統。

3數字大壩系統的主要模塊

3．1 大壩填筑碾壓過程實時監控系統

用于大壩碾壓的設備均安裝高精度GPS移動終端，通過基站進行信號處理和信息傳送，可實現現場分控室對碾壓設備的碾壓過程進行實時監控。該系統可實現以下功能:(1)實時監控碾壓軌跡、碾壓速度，當碾壓速度超標時，通過監控終端顯示和手機PDA短信自動報警；(2)監測碾壓遍數和振動狀態，可隨時生成碾壓遍數圖形報告、高振遍數圖形報告、靜壓遍數圖形報告，隨時對施工碾壓倉面進行監控，指導現場碾壓施工；(3)監測壓實厚度，在倉面碾壓完成后，可生成厚度報告，監控壩料鋪料厚度；(4)保留所有倉面碾壓數據，包括碾壓時間段、碾壓機械配置、碾壓用時、碾壓軌跡等情況，可根據此分析碾壓機工作效率，合理配置碾壓機械，提升管理水平(見圖1)。

3．2 上壩運輸過程實時監控系統

上壩運輸的車輛都安裝有車載GPS，通過車載GPS實時發送車輛狀態信息，可實現料場至壩面的全過程監控。該系統主要可實現以下功能: (1)料源匹配動態監控與報警；(2)壩面卸料地點監控與報警；(3)各分區不同來源的各種壩料的上壩強度統計；(4)運輸道路行車密度統計；(5)車輛空滿載狀態監測；(6)不同料場堆石料運輸量、運距的精確統計(見圖2)。

3．3 石料運輸車輛自動加水與監控系統

通過在每臺運輸車上安裝車載的無線射頻卡，并將該車信息輸入車載卡片，在該車輛進入加水區后，讀卡器根據感應的車輛信號，實現自動加水和統計，并將加水信息傳到服務器進行評判，若加水不達標，則通過PDA和監控PC終端報警，同時在現場也采用LED屏幕對車輛加水信息進行實時顯示，便于司機按照要求加水，加水未完成前不得離開加水區域。

圖1 長河壩心墻區域填筑碾壓過程實時監控系統界面圖

圖2 長河壩心墻堆石壩上壩運輸過程實時監控系統界面圖

3．4 大壩施工信息PDA采集系統

對于不能應用監測設備自動采集的重要工程信息，主要包括:大壩碾壓信息(碾壓機械參數、試坑取樣參數及現場圖片等)和上壩運輸車輛信息(車輛載料性質、始發料場、目的卸料分區)，需采用手持PDA進行現場數據的實時采集。當施工過程中上壩運輸車輛的裝載料源和卸料分區發生變化時，要采用手持PDA做車輛信息的實時修正和調度車輛。

3．5 灌漿信息采集與分析系統

利用壩區建立的無線網絡平臺與灌漿記錄儀無線通訊端口和通訊協議實現數據采集，將灌漿記錄儀的數據集成到數字大壩系統中，進行統一的集成管理、統計與查詢。

3．6 “數字大壩”綜合信息集成系統

將長河壩水電站設計、建設和運行過程中涉及的各種工程信息、安全監測信息等進行動態采集與數字化處理，構建長河壩水電站大壩綜合數字信息平臺和三維虛擬模型，把空間信息以三維形式直觀地表現出來，在虛擬的“數字大壩”環境下，實現各種工程信息的集成化、可視化管理。

“數字大壩”綜合信息集成系統包括總控中心、分控站、GPS基準站、服務器組，硬件設備包括碾壓機監測設備(安裝于碾壓機上)、自卸車監測設備(安裝于自卸車上)、PDA設備等。

4 數字大壩系統的建設和運行

4．1 系統建設

數字大壩監控系統主要由施工設備監控終端、手持數字終端、衛星定位基準站、監控中心(總控中心和現場分控站、控制箱)、通信網絡和應用軟件等組成。

在選址時，宜在施工管理辦公區布置總控中心；宜在大壩施工作業區建立高帶寬的無線網絡平臺，在開敞區域布置現場分控站；應在施工控制區地勢較高、交通便利、接收衛星信號連續的地方布置衛星定位基準站。分控站與總控中心之間采用高帶寬的光纖網絡進行連接減少干擾和延時，確保系統的安全穩定。

系統各組成部分的使用性能應相互匹配，選用的監控儀器應技術先進、性能穩定，通信網絡信號應覆蓋整個工程的施工作業面，網絡信號穩定，帶寬不受外界干擾，最好建立壩區無線網絡作為備用網絡，采用雙網絡運行。

4．2 系統運行

系統運行包括總控中心、現場分控站、機載控制箱、定位基準站、監控終端、監控結果和預警糾偏，碾壓終端報警顯示設施等的運行管理。

總控中心有專門的團隊負責系統的運行、維護和管理，現場分控中心人員經過培訓，考核合格后進行系統的運行管理。

當系統遇到信號異常或其他原因導致系統無法正常工作時，及時通知系統維護人員進行搶修，在系統未工作時必須施工的工程，進入人工監控，專人負責質量控制和過程施工參數記錄。

5 數字大壩系統的使用流程

5．1 填筑碾壓過程實時監控系統

碾壓數字化監控主要包括以下步驟:建倉、碾壓機的派遣和開倉、過程中監控、關倉。

建倉坐標由測量現場測取，在監控軟件上輸入坐標和倉面信息，包括倉面名稱、碾壓參數、錯距寬度和設計鋪料厚度等內容(圖3)，即完成建倉操作。

圖3 倉面設置界面圖

監控員接到現場質檢開倉指令后，根據現場情況進行碾壓機派遣(圖4)。碾壓機派遣完成后，即可開倉碾壓。在開倉碾壓的倉面中，可以看到整個倉面碾壓情況和倉面里所有碾子的碾壓狀態。在監控過程中，可隨時調進或調出碾子并根據監控的碾壓狀況，指導現場碾壓，保證無漏壓、欠壓。碾壓達到相應的合格率后，經監理確認，可以進行關倉操作，生成已碾壓單元的碾壓過程監控成果報告。

圖4 碾壓機械派遣截面圖

5．2 上壩運輸過程實時監控系統

上壩運輸監控系統主要包括規劃施工單元、設置調度計劃。開倉填筑后，可根據情況增加或減少調度計劃中的運輸車輛。

當調配計劃中的運輸車輛沒有在正確區域裝料或卸料時，系統將給監控室和已添加的值班人發送報警信息，提醒監控人員和施工管理人員進行檢查和調整。運輸調度計劃一旦運行，系統就進入自動的監控和記錄狀態，可實現運輸車輛的實時查詢和歷史記錄的查詢和統計匯總。

6 數字大壩系統前期運行中存在的問題及解決措施

6．1 存在的問題

在日常使用過程中，使用強度最高的是碾壓數字化監控。從平時的使用情況看，雖然很好地控制了大壩填筑碾壓質量，但在實際應用中也存在一些問題，主要有如下幾個方面。

(1)信號問題。由于壩區的河谷地形工作面狹窄，不利于信號傳送。在監控過程中，偶爾會出現信號跳躍、信號丟失、信號延遲等問題。信號跳躍指監控碾壓軌跡錯位，信號丟失即監控記錄的碾壓軌跡有遺漏，信號延遲是指監控畫面與碾壓機實際碾壓位置不符。

(2)斷網斷電。土石壩施工處于連續施工狀態，其過程中會出現不確定的斷網、斷電現象。斷網、斷電以后，所有與監控相關的操作都無法進行，包括開倉、調配碾子、過程監控等，出現報警也無法通知。現場缺乏必要的應急措施。

(3)查找功能。碾壓機所在倉面查找:由于全斷面填筑時監控倉面較多，碾子調動頻繁。進行碾壓機派遣時無法看出已占用的碾子在哪個倉位，只能通過現場施工員快速查找，從而給監控員操作帶來不便。

開倉狀態倉面查找:在實際操作中，會同時開很多倉面進行監控，不同部位同時處于開倉碾壓狀態的倉面無法在軟件的初始界面上同步查看。

(4)統計功能。無法自動統計匯總各種壩料碾壓完成后的倉面信息，包括倉面名稱、開關倉時間、合格率、碾壓層厚等。從而給軟件使用過程中的數據統計增加了很大的工程量。

(5)系統出現的報警信息無法在系統中進行閉合和填寫處理意見，特別是碾壓監控終端的報警信息采用人工傳遞比較麻煩，現場人員回饋反應困難，無法直接在碾壓終端進行報警和顯示。

(6)系統受施工區域網絡運營商的影響較大，經常出現網絡中斷或信號不穩定，系統運行困難，無法形成完整的監控數據和成果。

(7)碾壓監控系統雖然對過程進行了很好的控制，但還有些指標沒有得到整體的控制，如礫石土料的碾壓層厚度、堆石料碾壓層厚度、碾壓合格率等。

(8)系統顯示碾壓遍數沒有達到系統要求的95%以上。但是，現場實際的碾壓遍數已經超過標準的碾壓遍數，存在監控與現場不完全符合的情況，存在現場超壓很多后才能滿足碾壓標準遍數的要求。

6．2 解決措施

針對系統前期運行存在的問題，為保證大壩填筑質量，提升大壩施工形象，主要從以下方面采取了各種措施。

6．2．1 建倉

(1)規范倉面名稱。建倉時，輸入的倉面名稱采用統一格式，包括填筑部位、料別、高程、層數、分區，方便監控員查找倉面及以后統計、分析和識別。

(2)控制倉面面積和搭接。當填筑倉面面積大于15 000 m3時，宜分區建倉碾壓。當倉面面積過大時，倉面軌跡傳輸速度會受影響，導致信號延遲。分區施工后，信號延遲大大減少，從而保證了監控的正常運行。

為控制同層壩料但不同倉面之間的搭接碾壓質量，在提供倉面坐標時，使倉面順水流方向重合20 cm以上，平行于壩軸線方向重合1 m以上。

(3)監控倉面需和現場填筑范圍一致。監控應包含現場整體填筑范圍，各種壩料間的倉面需按照要求搭接、無漏壓。施工時應根據分區要求進行建倉操作，不建議局部建倉碾壓，以反映壩面整體的填筑碾壓情況。

(4)建倉時邊界部位的處理。由于信號器的安裝位置與碾輪不在同一位置，在碾壓邊角部位時會造成現場已碾壓，但監控卻無顯示的情況。對此，結合現場實際情況，建倉時，把左右岸方向的邊界縮小1．5～2 m。這樣實施既不影響邊角部位的碾壓質量，也能提高倉面碾壓的合格率。

6．2．2 過程中監控

(1)做好記錄。在施工日志上做好所有開關倉記錄，包括倉面名稱、高程、開倉日期、關倉日期，以方便監控員查找倉面和碾子所在的倉位。在斷電斷網恢復后，根據記錄及時進行補建倉面，并經監理工程師確認。

(2)同時運行多個客戶端。由于監控軟件只能同時顯示一個監控倉面，且倉面之間進行切換需要耽擱一定時間。對此，可同時打開多個監控倉面客戶端分別進行監控，可提高查看和監控效率。

(3)信號異常情況的判斷及處理。每個倉面開倉碾壓后，需結合現場通過監控確認碾壓機信號正常。避免因異常情況未及時發現，對碾壓倉面造成影響。

當出現信號跳躍或信號丟失時，及時通知總控中心并做好詳細記錄，包括受影響倉面的名稱、倉面內碾壓機編號、受影響時間段作為依據備查。信號跳躍受天氣和地形影響；如果基站意外斷電后來電，也會發生此現象，此時僅需把基站設備重新啟動即可。信號丟失一般是由于碾壓機上安裝的信號傳輸器接口松動，對此應及時通知總控中心維修。信號延遲一般與傳輸數據量過大有關，因此，要控制建倉面積。

對于受信號影響而導致碾壓合格率不達標的倉面，應聯系監理工程師進行確認，關倉后排除受影響區域并對該部位加強試驗檢測進行閉合。

(4)碾壓宜采用“大錯距”法碾壓。為便于實現監控系統碾壓軌跡清晰，目前振動碾碾壓采用“大錯距”法碾壓，即每碾壓兩遍錯一碾輪寬，如此循環碾壓到規定遍數，每一錯距碾輪之間搭接20～30 cm。

(5)目前系統增加了人機交互平臺，可以實現監控人員與系統及壩面設備的交互功能，對于相關問題監理管理人員可在系統中及時填寫閉合意見。在碾壓機內安裝了專門研制的工業控制平板電腦，實現了碾壓數據的實時顯示和反饋報警，碾壓機操作人員可以第一時間進行報警項目的調整處理，減少了報警次數。

(6)目前壩區自建了100 M無線網絡系統，具有無線通信功能的終端都可以通過無線網絡接入數字大壩管理系統，系統可以不依賴外網獨立運行。

(7)對于關鍵控制指標，在系統內設置了預警目標值，超過預警值后系統鎖定無法進行后續的操作，分級別觸發報警短息通知范圍和管理領導，強化了報警的分級管理和響應級別。當主要負責人對問題已經制定了解決方案并有保證措施時，如還需進一步操作，須經過相關領導授權同意才能請系統管理員解除鎖定進行操作。

(8)關于合格標準，應以碾壓質量控制指標為主要約束條件，同時兼顧施工效率。長河壩水電站的碾壓合格率為:心墻料超過設計碾壓遍數的合格率達95%以上，其他壩料的合格率達90%以上。實踐表明，以倉面內“達到規定碾壓遍數的面積大于90%，且少于規定遍數2遍的面積大于95%”作為壓實遍數合格標準是合理、可行的。系統經過近三年時間的運行，碾壓合格率全部滿足設計要求，試驗檢測結果良好。

7 數字大壩系統的擴展功能

7．1 壩區視頻監控系統

長河壩電站大壩監視系統的大規模使用，提高了建設各方對大壩管理的介入深度，同時實現了建設各方的齊抓共管，研發出無線攝像頭與大壩建設視頻監控系統接口。建設各方通過視頻系統，實現了對大壩建設重點部位進行視頻監控和高清攝像頭的云端操作控制，為建設各方提供了方便的管理手段，同時可以對關鍵部位施工進行攝像錄像進而保留了工程建設各個環節的數字信息資料，對優化施工和優化資源配置提供了方便的手段和原始記錄。壩區無線監控系統的大規模使用，大大提高了建設管理效率和管理覆蓋的范圍，對危險區域采用無線視頻進行監控，也大大增加了施工的安全性，同時亦能對危險源提前進行預警和定點監控。

7．2 材料運輸車輛監控系統

長河壩水電站建設規模龐大，材料供應商多，電站建設區域無法進行封閉管理，為了實現對主要供應材料的監控，利用壩區的無線網絡，自動掃描終端設備實現對材料供應運輸的自動監控，減少人為的干擾，實現管理過程的數字化和自動化。運輸車輛進入地磅掃描錄入車輛信息并記錄貨物重量、視頻監控系統進行貨物影像采集、卸貨后通過地磅系統自動統計匯總，實現了材料運輸進庫管理的自動化，提高了電站建設大宗水泥、鋼筋等材料的管理水平。

8 結 語

數字大壩監控系統已在梨園水電站、糯扎渡水電站、長河壩水電站得到了很好的應用。在長河壩電站中其功能得到了全面的提升和完善。因為其具有全方位實時控制的特點，有效減少了壩面的漏壓、欠壓現象，嚴格控制了鋪料厚度，提高了大壩整體和邊角部位的填筑施工及碾壓質量。

數字化大壩系統作為現代化的監控手段進入土石壩施工監控，對土石壩的施工質量管控來說是一個新方法、新手段、新技術。由于目前還沒有形成規范，相關記錄和過程監控結果未作為評價質量的標準，僅是對過程控制的加強，現階段由于數字化監控和常規的試驗檢測同步進行，并未減少常規檢測的頻次，工程采用本系統后直接的經濟效益并不明顯，但是系統使用后，在質量、進度控制上的貢獻非常突出:縮短了施工質量檢查的時間，優化了碾壓分區，提高了壩面平倉及碾壓設備的使用效率，施工質量大幅提高后，現場返工處理大幅度減少。由于系統的全過程監控，確保了大壩填筑碾壓質量，后續的大壩沉降得到了有效的控制，為后續高壩的建設提供了技術上的支撐和經驗積累，對后續在覆蓋層上建設高壩積累了非常重要的全過程數據。

另外，為減少斷網等情況對系統正常運行造成的影響，在系統數據傳輸路徑上應尋求多條或更可靠、更易維護的數據傳輸途徑。例如:將目前的數據傳輸必須依賴GSM網絡和寬帶網絡方式改為依靠現場建立的無線局域網絡的形式。使用無線局域網絡進行數據傳輸，可提高系統的運行速度和系統運行的持續性、可靠性。

隨著科學技術的發展，相信數字大壩監控系統將涵蓋更多范圍，實現建設過程信息的全部數字化。

TV42+1．1;［TM622］

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1001-2184(2015)05-0139-05

孫周輝(1980-)，男，陜西寶雞人，工程師，現從事水電工程監理工作．

(責任編輯:卓政昌)

2015-09-23