碾壓式土石壩施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

陶叢叢，胡 波，馬文鋒

[南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇省南京市 211106]

0 引言

碾壓式土石壩是抽水蓄能電站項目建設(shè)中應(yīng)用非常廣泛的一種壩型，其施工過程是整個水電工程建設(shè)的核心環(huán)節(jié)，對其進(jìn)行質(zhì)量控制是工程項目建設(shè)管理的重要任務(wù)。大壩作為抽水蓄能電站的主要擋水建筑物，其施工質(zhì)量不僅關(guān)系到工程本身經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，而且關(guān)系到下游人民群眾生命財產(chǎn)的安全。如果在施工過程中留下了影響工程使用壽命和安全運(yùn)行的隱患和危害事件，在長期的水環(huán)境下，大壩受到水壓力、滲流、淤積、侵蝕等作用，一旦發(fā)生事故，特別是發(fā)生水庫大壩潰壩，不僅將使工程本身遭到破壞，失去發(fā)電效益，還將給下游地區(qū)的人民生命財產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)造成毀滅性的災(zāi)害。因此，大壩質(zhì)量控制問題至關(guān)重要。

1 施工質(zhì)量控制指標(biāo)體系

壩體填筑程序主要包括施工準(zhǔn)備、測量控制、裝料、運(yùn)輸、攤鋪、灑水、壓實、質(zhì)量檢查等工序。壩體施工過程中需要控制的要點(diǎn)有以下幾個方面：

（1）各施工分區(qū)鋪料前應(yīng)進(jìn)行測量放樣，確定出各料區(qū)分界線，并灑上白灰或其他明顯標(biāo)志，保證各壩區(qū)填筑位置、尺寸符合設(shè)計圖紙。鋪料前還應(yīng)清除填筑作業(yè)面上散落的雜物，并做好層間結(jié)合面的處理。

（2）各壩區(qū)鋪料時相互間的侵占范圍不能超過設(shè)計允許公差所規(guī)定的數(shù)值，并且在鋪料過程中應(yīng)避免出現(xiàn)堆料風(fēng)干、水分散失、顆粒分離、粗粒徑料集中等現(xiàn)象。

（3）鋪料層厚必須嚴(yán)格控制，避免超厚或過薄，確保鋪料厚度滿足設(shè)計和規(guī)范要求。鋪料過程中，通過在前進(jìn)方向設(shè)置移動標(biāo)尺來便于推土機(jī)操作手控制鋪料厚度，并采用測量儀器隨時檢查鋪料層厚；鋪料完成后采用定點(diǎn)方格網(wǎng)測量控制鋪料層厚及平整度，出現(xiàn)超厚現(xiàn)象立即采用人工配合推土機(jī)進(jìn)行減薄處理。

（4）壩料主要采用進(jìn)退錯距法或者搭接法碾壓，碾壓方向應(yīng)平行于壩軸線方向進(jìn)行，錯距或搭接寬度以及碾壓設(shè)備規(guī)格、重量、振動頻率和激振力、碾壓遍數(shù)、行駛速度等各項碾壓參數(shù)必須符合技術(shù)要求，采用分段碾壓時，相鄰兩段應(yīng)彼此搭接碾跡，垂直碾壓方向搭接寬度不小于 0.3～0.5m，順碾壓方向搭接寬度應(yīng)為1.0～1.5m。

（5）對壓實完畢的作業(yè)面按規(guī)范要求的頻率和方法進(jìn)行土料壓實度、反濾料相對密度及堆石料孔隙率等指標(biāo)進(jìn)行檢測，其值必須滿足壓實控制標(biāo)準(zhǔn)。檢測合格后，還需要對填筑面進(jìn)行全面檢查，對不良現(xiàn)象均要求返工處理。

（6）當(dāng)日降雨量大于0.5mm時，心墻區(qū)應(yīng)停止施工。下雨前應(yīng)及時掌握天氣預(yù)報，采取有效的防雨和排水保護(hù)措施，雨后應(yīng)將填筑面含水率調(diào)整至合格范圍才能復(fù)工。

（7）堆石料應(yīng)按照批準(zhǔn)的施工措施進(jìn)行壩外加水和壩內(nèi)灑水，加水量和灑水量必須滿足相關(guān)技術(shù)要求；心墻土料應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況適時采用灑水車在工作面上進(jìn)行補(bǔ)水，確保碾壓前土料含水率在恰當(dāng)范圍。

（8）對填筑單元之間和各料區(qū)交接縫以及壩料分段攤鋪填筑結(jié)合處，產(chǎn)生的粗骨料集中及漏壓、欠壓等現(xiàn)象，采用反鏟或其他機(jī)械將集中的粗顆粒料作分散處理，改善結(jié)合處填筑料的級配，碾壓時，進(jìn)行騎縫加強(qiáng)碾壓，確保施工質(zhì)量。

（9）按照每個時段可能出現(xiàn)的最高峰強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)備配置，確保每個施工時段的施工設(shè)備都處于充足的狀態(tài)，并對碾壓設(shè)備各項性能指標(biāo)進(jìn)行定期檢測，確保其工作有效。

（10）推土機(jī)操作手應(yīng)認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格控制鋪土層厚，碾壓機(jī)操作手應(yīng)盡量使碾壓機(jī)行走直線，減少超壓和漏壓，并做好詳細(xì)現(xiàn)場施工和交接班記錄。

根據(jù)以上對施工質(zhì)量控制要點(diǎn)的分析，得出以下指標(biāo)體系（見圖1），其中攤鋪厚度、行進(jìn)速度、碾壓遍數(shù)、碾壓高程、振動狀態(tài)、灑水狀態(tài)和灑水量屬于過程控制指標(biāo)，壓實度、孔隙率、干密度屬于事后控制指標(biāo)。

圖1 碾壓式土石壩施工質(zhì)量控制指標(biāo)體系Fig．1 Construction quality control index system of rolled earth-rock fill dam

2 碾壓式土石壩施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的施工管理方法，業(yè)主方對工程質(zhì)量的跟蹤缺乏有效手段。目前土石壩施工以人工現(xiàn)場控制碾壓參數(shù)（碾壓速度、振動狀態(tài)、碾壓遍數(shù)和壓實厚度等）和人工挖試坑取樣檢測的方法來控制施工質(zhì)量，即“雙重控制”方法，不僅與大規(guī)模機(jī)械化施工現(xiàn)狀不相適應(yīng)，也很難達(dá)到全天候?qū)崟r控制的要求。高壩越來越多，施工質(zhì)量控制要求越來越高。對于高土石壩而言，其施工工程量大，分期分區(qū)復(fù)雜，壩體填筑碾壓質(zhì)量要求高。常規(guī)質(zhì)量控制手段由于人為干擾大，管理粗放，難以確保填筑碾壓過程質(zhì)量，工程實踐中迫切需要更為先進(jìn)的質(zhì)量控制手段。

2.1 填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控總體設(shè)計

根據(jù)碾壓式土石壩填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控的環(huán)節(jié)及流程，采用GNSS技術(shù)、GPRS技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，提出由基準(zhǔn)站、移動監(jiān)控終端、監(jiān)控中心等組成的碾壓式土石壩碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控的總體方案，如圖2所示。

2.1.1 碾壓監(jiān)控終端

碾壓監(jiān)控終端的主要設(shè)備包括GNSS接收機(jī)、振動監(jiān)測裝置、集成控制器及供電電源等。通過GNSS接收機(jī)實時跟蹤定位碾壓機(jī)的空間三維坐標(biāo)，同時安裝在振動輪上的振動監(jiān)測裝置自動采集振動狀態(tài)，然后與碾壓機(jī)的坐標(biāo)信息經(jīng)集成控制器融合后，經(jīng)GPRS（或無線WIFI網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，供壩體碾壓質(zhì)量分析評判使用。

2.1.2 定位基準(zhǔn)站

GNSS基準(zhǔn)站的主要設(shè)備包括GNSS接收機(jī)、無線電臺和供電電源等，為滿足實際工程需要，采用RTK實時動態(tài)差分技術(shù)利用已知基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)實時動態(tài)修正碾壓機(jī)測量結(jié)果，使碾壓機(jī)定位精度可提高至厘米級，滿足施工現(xiàn)場實時、快速、精確的質(zhì)量控制要求。

2.1.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成部分，主要包括服務(wù)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及現(xiàn)場監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)等。監(jiān)控中心可配置多臺高性能服務(wù)器和計算工作站、高速局域網(wǎng)、大功率UPS等，以實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效管理和分析應(yīng)用。

2.2 工作流程

在碾壓機(jī)、攤鋪機(jī)、灑水車等車輛上安裝GNSS定位設(shè)備，高精度GNSS接收機(jī)按一定的時間間隔，接收到GNSS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，同時接收GNSS基準(zhǔn)值無線電臺發(fā)送來的差分信息，經(jīng)接收機(jī)內(nèi)部差分計算，獲得在x、y、z三個方向上的厘米級的位置坐標(biāo)。同時，在碾壓機(jī)上安裝振動傳感器，采集碾壓機(jī)振動狀態(tài)。通過安裝在碾壓機(jī)械上的碾壓過程信息實時自動采集裝置，實時采集車輛動態(tài)坐標(biāo)及振動狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行碾壓機(jī)攤鋪厚度、行車速度、碾壓遍數(shù)、壓實厚度等碾壓參數(shù)的實時計算和分析，判斷碾壓參數(shù)是否超標(biāo)，并通過監(jiān)控終端工作站電腦、平板電腦和手機(jī)應(yīng)用實時報警，以指導(dǎo)相關(guān)人員做出現(xiàn)場反饋，確保碾壓質(zhì)量始終真實受控。

具體工作流程如圖3所示。

圖2 填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控總體方案Fig．2 The overall scheme of filling compaction quality real-time monitoring

2.3 功能設(shè)計

2.3.1 碾壓過程信息采集

實時采集碾壓過程信息，包括對碾壓機(jī)械、攤鋪機(jī)械的動態(tài)位置坐標(biāo)、定位時間和振動狀態(tài)，進(jìn)行高精度、高穩(wěn)定性的自動實時采集，并可在終端上進(jìn)行緩存（不少于3天）。通過固定安裝在碾壓機(jī)、攤鋪機(jī)上的GNSS衛(wèi)星天線，高精度GNSS接收機(jī)按一定的時間間隔，接收到GNSS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，同時接收GNSS基準(zhǔn)站無線電臺發(fā)送來的差分信息，經(jīng)接收機(jī)內(nèi)部差分計算，獲得在x、y、z三個方向上的厘米級的碾壓機(jī)械位置坐標(biāo)。通過安裝在碾壓機(jī)上的振動傳感器，采集碾壓機(jī)振動狀態(tài)。

2.3.2 灑水過程信息采集

圖3 填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)工作流程Fig．3 The workflow of the real-time monitoring system for filling compaction quality

通過在灑水車上安裝GNSS和流量計，采集灑水信息，包括位置坐標(biāo)和灑水狀態(tài)。通過固定安裝在灑水機(jī)上的GNSS衛(wèi)星天線，高精度GNSS接收機(jī)按一定的時間間隔，接收到GNSS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，同時接收GNSS基準(zhǔn)值無線電臺發(fā)送來的差分信息，經(jīng)接收機(jī)內(nèi)部差分計算，獲得在x、y、z三個方向上的厘米級的灑水車位置坐標(biāo)。通過安裝在灑水車上的流量計，采集灑水流量，灑水時間等灑水信息。

2.3.3 成果計算與可視化展示

通過在工程施工現(xiàn)場安裝高精度的定位設(shè)備，建立施工現(xiàn)場的CORS網(wǎng)絡(luò)，對碾壓機(jī)、攤鋪機(jī)和灑水車等的行走軌跡進(jìn)行測量，實時計算與顯示碾壓遍數(shù)、行進(jìn)速度、振動狀態(tài)、填筑層厚度、灑水狀態(tài)等碾壓控制參數(shù)指標(biāo)，并進(jìn)行可視化展示。對施工中存在的薄弱環(huán)節(jié)及時予以反饋。

工程建設(shè)業(yè)主單位、質(zhì)量管理人員可通過PC電腦、監(jiān)控中心遠(yuǎn)程查看工地的施工狀況，包括當(dāng)天施工段落、投入機(jī)械數(shù)量等信息，實現(xiàn)無死角的質(zhì)量巡查；可查閱任意段落工程的碾壓質(zhì)量，包括碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、完成碾壓遍數(shù)的時間、碾壓速度等信息，客觀評價各標(biāo)段的施工質(zhì)量。

同時，在壓實設(shè)備上安裝了壓實引導(dǎo)設(shè)備，可查看現(xiàn)場壓實狀況，包括CMV值、壓實遍數(shù)、壓實速度、激振力等信息。并且考慮到現(xiàn)場的機(jī)群作業(yè)，壓實質(zhì)量并不是由單臺設(shè)備完成，現(xiàn)場自組WIFI網(wǎng)絡(luò)，將各個工程機(jī)械連接起來，即壓實機(jī)械操作人員不僅看到自己的壓實質(zhì)量，還可查看到整個機(jī)群作業(yè)后的質(zhì)量狀況。

利用安裝在駕駛室內(nèi)的互聯(lián)反饋系統(tǒng)，了解到施工段落出現(xiàn)“漏壓、超壓”的具體位置，進(jìn)行錯誤補(bǔ)償，調(diào)整施工工藝。同時，現(xiàn)場管理人員也可對單臺施工機(jī)械的工作狀態(tài)進(jìn)行評價，比如每天碾壓距離、振動狀態(tài)的碾壓距離、開始與結(jié)束的工作時間、怠工的時長、單臺機(jī)械出現(xiàn)“漏壓”的概率值等信息，提高管理水平。

2.3.4 報警

當(dāng)碾壓機(jī)械運(yùn)行超速，以及振動狀態(tài)、碾壓遍數(shù)、灑水不達(dá)標(biāo)時，系統(tǒng)可按預(yù)案自動給車輛司機(jī)、現(xiàn)場監(jiān)理和施工員等人員發(fā)送報警信息，并在現(xiàn)場監(jiān)理分控站PC監(jiān)控終端上醒目提示。設(shè)備損壞或故障不能采集信息時，系統(tǒng)將自動報警并提醒工作人員檢修。

大壩填筑碾壓施工前，根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，形成壓實速度、層厚的技術(shù)要求上下限值，且輸入至機(jī)械設(shè)備及系統(tǒng)平臺中，當(dāng)施工中超過相應(yīng)的技術(shù)要求時，則通過信息化預(yù)警系統(tǒng)向問題的處置責(zé)任人進(jìn)行信息推送。

對于壓實直接操作人員，在駕駛室安裝聲光報警裝置，如果由于激振力不夠、壓實速度超標(biāo)等問題，則進(jìn)行狀態(tài)預(yù)警，以提醒壓實操作人員。

對于施工中形成的質(zhì)量預(yù)警信息，通過手機(jī)短信、微信等形式，主動向質(zhì)量管理人員進(jìn)行推送。同時，在分控站PC監(jiān)控終端上醒目提示，以便及時指示返工或調(diào)整，并形成預(yù)警庫。

2.3.5 碾壓質(zhì)量圖表定制

在每個單元施工結(jié)束后，可輸出碾壓質(zhì)量圖形報表，包括碾壓遍數(shù)圖、壓實厚度圖、行走速度超速圖和碾壓高程圖等，以及施工中出現(xiàn)的預(yù)警占比，預(yù)警類型的分布情況，作為質(zhì)量驗收的輔助材料。

3 結(jié)束語

通過建立“監(jiān)測—分析—反饋—處理”的大壩施工碾壓工藝監(jiān)控體系，實時動態(tài)監(jiān)控大壩碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡，自動監(jiān)測記錄碾壓機(jī)械的空間位置、振動力等技術(shù)參數(shù)，通過自主通信網(wǎng)絡(luò)，將工程信息自動發(fā)送到監(jiān)控中心，對碾壓軌跡、速度、碾壓遍數(shù)、層厚、加水量等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)實現(xiàn)實時分析與動態(tài)反饋。

該系統(tǒng)能有效減少監(jiān)理的旁站工作量，能精確、準(zhǔn)確、實時地記錄施工過程，是工程施工質(zhì)量控制的好幫手；可對施工質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)測和反饋控制，保證填筑施工過程始終處于受控狀態(tài)，對控制土石壩碾壓施工質(zhì)量具有重大的實用價值。

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