數字化智能碾壓系統在抽水蓄能電站中的應用

馬雨峰，李 斌，韓彥寶，關 凱

(1.國網新源河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 豐寧 068350；2.北京木聯能軟件股份有限公司,西安 710065)

0 前 言

數字化大壩智能碾壓監控系統，是指融合GPS定位技術、數據通信傳輸技術、新硬件技術、數據管理技術等現代化信息技術為一體的新興的監控系統[1-3]。該系統能連續、實時地記錄施工過程，并具有穩定、可追溯的功能，系統輸出的結果可作為施工質量檢驗的依據[4]。在中國，該技術最早出現在水布埡、瀑布溝水電站的施工中，歷經長時間的試驗，為數字化大壩的發展打下了堅實的基礎。糯扎渡水電站數字化大壩智能碾壓監控系統的成功應用[5]，標志著數字化大壩智能碾壓監控系統進入了一個新的發展階段。

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內。工程規劃裝機容量3 600 MW，為Ⅰ等大(1)型規模。分2期建設，安裝12臺單機容量為300 MW的可逆式水泵水輪機組。電站建成后，在京津唐電網系統中承擔調峰、調頻、調相和事故備用任務。

本工程的樞紐布置，利用灤河左岸灰窯子溝溝頂的天然盆地筑壩形成上水庫，改建豐寧一級水電站水庫作為下水庫，并在庫尾設置攔沙壩形成攔沙庫。其中，上水庫主要建筑物為上水庫大壩，大壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高120.3 m，壩長556.0 m，壩頂寬10 m。壩體主要由墊層區、過渡區、主堆石區、次堆石區組成，共計填筑方量446.95萬m3(壓實方)。

豐寧地區冬季氣溫低、時間長、施工難度高、且壩體填筑方量大，工期緊迫。傳統的大壩碾壓質量管理粗放、效率低，且人為因素的不確定性大，容易造成質量控制偏差，形成工程缺陷和隱患[6-7]。國網新源豐寧公司提出將數字化技術應用在工程建設中，與水電工程施工管理、質量控制相結合[8-10]，綜合考慮豐寧抽水蓄能電站的設計及施工特點，聯合北京木聯能軟件股份有限公司共同研發了河北豐寧抽水蓄能電站數字化施工技術應用系統，并成功應用于工程。實現了過程管理，精確、高效的碾壓質量監控方式，避免了傳統碾壓質量控制的不足與缺陷，以過程管控代替結果管控，有效地保障大壩碾壓施工質量的同時，加快了壩體工程的施工進度。

2 系統組成原理及系統特點

2.1 系統組成及原理

根據大壩填筑碾壓施工質量管理需求，并結合現場實際情況，河北豐寧數字化大壩智能監控系統主要由：① GPS基準站；② GPS移動終端；③ 監控中心；④ 監控終端等部分組成[11-13]。系統組成結構見圖1。

(1) GPS基準站

GPS基準站作為整個數字化大壩監控系統的位置測量基準站，為整個系統提供基準的位置信息，是整套系統位置信息測算的核心組成部分。通過接收衛星信號，測算得到該位置的基準坐標信息和時間信息，并將該坐標和時間信息發送至GPS移動終端進行下一步工作。

圖1 數字化大壩智能監控系統組成結構示意圖

(2) GPS移動終端

GPS移動終端是智能碾壓監控系統的“監控”終端。通過將GPS設備安裝在碾壓設備上，監測碾壓設備的位置坐標及時間信息，實現對碾壓面碾壓厚度、碾壓遍數的監控作用，并將采集到的信息以數據的形式發送至監控中心。

為達到工程質量對測量精度的要求，該系統采用載波相位動態實時差分RTK技術，實現了碾壓監控數據厘米級精度的要求。

(3) 監控中心

監控中心是碾壓監控系統數據接收以及輸出的數據處理中心。接收GPS移動終端以及其他配套傳感器測量信息，對其進行分析計算，匯總后得到相應的施工過程中間結果和最終結果報告信息，實現了對施工質量的實時監控，并作為判斷施工質量合格與否的標準。

(4) 監控終端

該系統設置了多個外接端口，可方便參建各方實時查看大壩碾壓施工情況，為各方下一步的決策提供依據，也為參建各方之間的溝通提供了及時、對等的信息基礎，為過程管控提供了便利。

同時，碾壓機械上安裝的工業平板可接收監控中心發送的實時碾壓信息，碾壓機械操作手也可以直觀、及時地了解碾壓情況，便于其接受施工管理人員的指令，對發現的問題及時調整和改進，實現了施工質量的過程控制。

2.2 系統特點

(1) 智能化程度高

整套系統的智能化程度高，基本不需要人工操作。系統調試正常后，即可實現自動對碾壓設備的實時速度、軌跡、碾壓區域、厚度等情況進行連續、實時地監控；同時，其他監控終端也可同步看到。

(2) 靈活性好

系統可根據現場填筑情況，確定倉面面積及形狀，從而實現一層多個分區，同時施工以及不同層不同區同時施工等多種工況。倉面信息采集可以在碾壓施工前進行采集，也可在碾壓施工后進行采集，都不影響對碾壓過程的監控功能。

(3) 機動性強

碾壓設備工作時，監控中心的終端監控軟件與GPS移動終端處碾壓機械操作手皆可看到實時地碾壓情況，便于管理人員直接與操作手進行溝通，對碾壓施工情況及時做出調整和部署。

同時，對于碾壓圖形、漏碾較多等情形，碾壓機械操作手可根據碾壓軌跡圖形及時進行補碾；當施工作業面有干擾時，操作手也可調入至其他區域進行碾壓，現場施工機動、靈活，極大地提高了機械使用效率，避免窩工等時間損耗，在保證質量的前提下，有效地加快了施工進度。

(4) 穩定性好

對于在施工過程中經常出現的斷電等突發情況，系統配套的UPS設備避免了因斷電等產生的系統中斷；當網絡信號不佳影響數據傳輸時，系統啟用數據離線儲存，當網絡信號恢復正常后自動上傳離線數據，避免數據丟失或監控中斷的情況發生。對于其他多種突發情況，皆有相對應的應對措施，系統整體運行穩定性好。

3 系統輔助質量控制應用

3.1 系統試驗情況

參建各方聯合在次堆石區隨機選取了15 m×15 m的區域進行碾壓施工，安排專人在現場旁站的同時開啟碾壓監控系統進行監控，以驗證系統運行結果的可靠性。

碾壓完畢后，旁站人員記錄結果均為動碾10遍(設計要求，下同)，且相鄰滾輪之間搭接較緊密，基本沒有漏碾。查看碾壓監控系統，顯示動碾10遍，振動碾(強振)遍數10遍及以上占比98.35%，兩者的結果可以認為是一致的，表明該系統可以準確地監控現場的碾壓施工參數。

施工方測量人員使用全站儀對該區域進行測量，測量結果該區域邊長為14.50 m×14.80 m，面積為214.60 m2，平均高程為1 430.76 m。同時，監理和業主對測量結果進行復驗，則測量結果準確無誤。碾壓監控系統顯示該區域邊長為14.50 m×14.80 m，面積為214.60 m2，平均高程1 430.77 m。系統的測量精度與現場全站儀測量精度基本一致，則該系統的測量精度滿足設計和施工要求。

結合現場施工情況，需將大壩碾壓施工工藝從錯距碾調整為搭接碾。為此，現場將第92層次堆石區分成4個倉，分別用錯距法和搭接法進行碾壓施工工藝試驗。錯距法和搭接法碾壓工藝試驗成果，見表1。

表1 錯距法和搭接法碾壓工藝試驗成果表

從表1可知，不同碾壓施工工藝，平均壓實厚度<80 cm、動碾10遍及以上占比>95%時，挖坑取樣檢驗的孔隙率均<23%、干密度均≥2.048 t/m3，均滿足設計要求。

3.2 系統運行情況

1 457.00～1 463.00 m高程區間第111～118層共8層，主堆石區與次堆石區共計104個倉面，對冬季施工數據進行分析。將104個倉面分別按主堆石區和次堆石區的碾壓情況，以及相應的挖坑取樣結果進行匯總，見表2、3。

表2 系統對主堆石區監控結果匯總表

結合挖坑取樣檢測結果,對碾壓情況進行分析，當平均壓實厚度<60 cm(冬季施工，設計要求)、動碾10遍及以上占比>95%時，按碾壓參數控制，主堆石區相對應的試坑取樣檢測結果孔隙率均<21%、干密度≥2.101 t/m3，次堆石區相對應的試坑取樣檢測結果孔隙率均<23%、干密度≥2.048 t/m3，均滿足大壩碾壓設計要求。

表3 系統對次堆石區監控結果匯總表

3.3 系統運行效果

截止2017年5月31日，上水庫大壩填筑高程為1 470.20 m，至壩頂1 510.00 m還有50層，現場鋪填、碾壓1層需要4 d時間，由此推算填筑工期為200 d，與工期目標2017年9月30日相比，工期延長2個月零20 d，且臨近冬季施工，施工難度大，施工質量難以保證。

根據現場施工情況，參建四方以數字化大壩碾壓監控系統監控結果為主導，進行現場施工安排。將次、主堆石區分別按照左右岸、上下游劃分為4個小的區域，當每個小的區域碾壓監控結果顯示合格，即可進行下一層鋪填，形成流水作業，挖坑試驗可隨機在4個小區域中選擇一塊進行驗證。

經工序調整，上水庫大壩鋪填、碾壓一層平均時間為3 d，大大提升了填筑進度，且數字化大壩碾壓結果合格，對應的挖坑檢測結果也均顯示符合設計要求。在保證填筑、碾壓質量的前提下，實際工期提前至2017年10月22日，工期提前了2個月，避免了冬季施工，為后續工作爭取了時間。

4 結 語

豐寧抽水蓄能電站中應用的數字化大壩智能碾壓監控系統，充分考慮到豐寧項目的特殊性，有效地解決了大規模機械化施工與人工為主的傳統監測方式之間的矛盾，彌補了壩體填筑質量傳統控制方式的不足與漏洞。從施工信息監測與質量控制的角度助力大壩碾壓施工過程管理,有效地保障了壩體工程的填筑質量與進度。

目前數字化大壩智能壓實系統還沒有相關的國家標準或規范依據,大壩碾壓數據和過程監控結果僅作為施工過程及質量控制的輔助資料,現階段數字化監控和常規的試驗檢測同步進行。下一階段，在逐步積累經驗的基礎上，充分論證碾壓數據滿足施工參數要求的前提下，人工試坑檢驗的必要性，并將大壩施工必須采用數字化大壩智能壓實系統管理作為規范，做到利用高科技產物，控制和提高施工質量管理的同時，加快施工進度，節約工程成本，真正做到大壩碾壓施工與檢測的智能化。