混凝土振搗加漿監控系統應用研究

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100)

振搗加漿是混凝土澆筑施工的關鍵流程之一，在施工的過程中，通過怎樣的手段確保振搗加漿施工質量與施工安全，如何對振搗加漿過程進行有效監控，是施工質量管理中的關鍵問題[1]。在傳統的振搗加漿監控中，施工方自行檢查、監理方在旁監督的方式，往往只能發現較為明顯的重大問題，由于受到人員精力、人員經驗等主觀限制，無法對施工過程進行全程、全面、實時的監管[2]。另一方面，以往通常采用紙質載體對振搗加漿施工過程進行記錄，記錄容易丟失損壞也不便于及時查詢相關信息，無法實現精細化、智能化施工[3]。因此，基于現代科技手段，采用現代數字化、智能化技術對振搗加漿施工全過程進行有效的監控，確保施工的安全與質量，已成為目前混凝土工程施工監管的重點方向。

本文在參考諸多混凝土智能化施工系統的基礎上，針對混凝土振搗加漿施工全過程，搭建了具備振搗位置監測、加漿濃度檢測、加漿量檢測、綜合評價、加漿振搗監管等功能的混凝土振搗加漿監控系統，利用現代化的監測技術、數據傳輸技術、數據處理技術等，實現了對混凝土振搗加漿施工的全過程監控、及時獲取施工現場的各種狀況、及時對出現的各類情況進行反映與處理、精細化施工資料的存儲與查閱，有效提高了混凝土的施工質量與監管能力，在同類型施工領域中具備一定推廣價值。

1 工程概況

三河口水利樞紐位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河峽谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交匯口下游2km處，是引漢濟渭工程的兩個水源之一[4]，其主要任務是調蓄支流子午河來水及一部分抽水入庫的漢江干流來水，向關中地區供水，兼顧發電，是整個調水工程的調蓄中樞。三河口水利樞紐是我國少見的幾個高碾壓混凝土拱壩之一，最大壩高141.5m，正常蓄水位643m，總庫容7.1億m3，調節庫容6.62億m3。

三河口水利樞紐混凝土澆筑工程量較大，混凝土澆筑質量的控制尤為重要[5]。碾壓混凝土拱壩在施工時面臨著防裂要求高、控制難度大，施工計劃安排、進度控制和資源優化配置復雜，施工地區溫差大、溫控條件惡劣等重大挑戰。三河口水利樞紐工程建設中的碾壓混凝土上下游變態混凝土是大壩防滲的第一個關口，而振搗加漿是混凝土澆筑施工的關鍵流程之一。因此，采用現代化的信息技術，實現對混凝土振搗加漿施工的全過程監控，進而實現大壩混凝土施工質量和施工安全的有效監管，確保大壩現場施工質量的評價效果，同時對現場各種可能的風險事故提前預防與預警，顯得尤為重要。

2 混凝土振搗加漿監控系統結構

混凝土振搗加漿監控系統可應用于振搗加漿系統的全過程，主要由混凝土振搗位置監測子系統、加漿濃度檢測子系統、加漿量檢測子系統、綜合評價子系統、加漿振搗監管系統五部分組成，見圖1。

圖1 混凝土振搗加漿監控系統結構

2.1 混凝土振搗位置監測子系統

混凝土振搗位置監測子系統根據現場施工大壩變態混凝土注漿監控系統設計方案和施工現場無線網絡的布設，負責傳輸站、數據中轉站的傳輸方案設計。

2.2 加漿濃度檢測子系統

加漿濃度檢測子系統接收并記錄設備漿液比重檢測數據，對數據進行分析，指導設備運行。當漿液比重未達到設計要求時，系統設置預警功能，指導管理人員管理漿液配合比，并指導設備關閉注漿功能，對漿液比重數據記錄實現存儲、查詢、導出等功能。

2.3 加漿量檢測子系統

加漿量檢測子系統依據設計要求設定加漿量，指導設備加漿，接收并記錄加漿量檢測數據，對數據進行分析，指導設備運行，當加漿量無法達到設計要求時，系統設置預警功能，指導施工人員檢查注漿系統，對加漿量數據記錄實現存儲、查詢、導出等功能。

2.4 綜合評價子系統

綜合評價子系統逐層生成圖形報告與數據報表。由于變態混凝土與碾壓混凝土同步上升，所以可截取碾壓圖形報告與振搗圖形報告，將其整合，以查找混凝土振搗漏振區域。

2.5 加漿振搗監管系統

加漿振搗監管系統將上述子系統信息集合匯總，實現對加漿振搗施工全過程的監控管理。

3 混凝土振搗加漿監控系統模型

3.1 混凝土振搗加漿監控方案原理

混凝土振搗加漿監控方案原理如圖2所示。

圖2 混凝土振搗加漿監控方案原理

3.2 壩體施工階段進度實體模型構建

為開發大壩混凝土振搗加漿遠程監控系統，以三河口碾壓混凝土施工現狀為依據，根據大壩施工設計圖紙，結合大壩結構施工階段分區分段進度劃分，建立壩體結構實時分倉分塊區域實體模型(包含壩體結構3D整體坐標、施工分倉分層幾何坐標及材料信息等參數)。

以該三維數字化實體模型為信息載體，導入倉面混凝土振搗加漿實時施工工藝參數和實時加漿與振搗區塊信息，實現混凝土加漿振搗質量指標監控可視化。

3.2.1 模型單元劃分

建立壩體結構施工階段的精細區塊模型。首先，根據壩體施工實施部位的分倉升層計劃，確定壩體作業過程模型單元的劃分方法和精度單元設置，分級構建壩體模型，見圖3。

圖3 壩體分級模型

其次，為準確顯示、分析壩體上、下游的振搗加漿施工過程，實現實時監控的目的，根據倉面生產的設計圖，確定變態注漿部位、碾壓混凝土施工部位的分布尺寸，對各級模型劃分定義變態注漿區及碾壓工藝區。

3.2.2 AutoCAD三維建模數據準備

根據大壩各壩段施工二維圖紙及施工進度計劃，利用AutoCAD軟件進行壩體結構三維實體建模的層次建模數據準備[6]。

首先，約定各級模型均采用同一坐標系，制定統一圖層編碼規則，以保證壩體模型的完整性、準確性及一致性。

然后，由基本平面設計圖，賦予相應屬性參數，即可完成模型數據準備。

最后，完成各級模型的數據準備，將各級模型按其相應坐標進行拼接，即可完成整體壩體模型。

3.2.3 基于OpenGL的自動化三維建模

基于OpenGL技術，通過底層開發實現自動三維建模。施工信息三維可視化首先要解決的問題是混凝土結構的三維建模，即在三維系統中最大限度地利用原有AutoCAD二維圖形數據，高效、自動地進行三維建模，見圖4。

圖4 自動三維建模原理

將已建好的AutoCAD層次模型導入自動建模程序，完成壩體結構動態模型自動建模。圖5為壩體某倉號的自動建模成果。

為實現混凝土振搗、加漿施工質量的高精度監控，將壩體三維模型分為若干立方體有限元，見圖6，為每個立方體賦予“振搗位置坐標屬性”“加漿量屬性”及

圖5 壩體某倉號的自動建模成果

“加漿濃度屬性”。進而通過注漿設備測得的信息化參數，通過GPS系統上傳至云端數據庫。最后通過遠程碾壓工藝參數信息化平臺，在壩體結構單元模型上實時反映變態混凝土注漿量及其動態變化。

4 數據采集與軟件開發

4.1 數據采集

4.1.1 數據信息采集

數據信息采集主要采用遠程通信模塊Modbus協議。開放性的Modbus協議支持多種接口，包括RS232、RS485等方式，雙絞線、光纜等均支持Modbus通信協議[7]。密度儀、流量計、振搗坐標等參數數據均可通過Modbus協議進行采集，采集后的數據經過4GDTU模塊(支持2G)遠程傳輸進入數據庫。

圖6 某倉號模型對應的離散剖分體元模型

4.1.2 振搗坐標定位

對傳統的單點定位方法進行改進，解決無法定位到實際振搗點位置的問題[8]?？紤]到實際振搗時的復雜環境對信號遮擋嚴重，提出了一種基于雙GPS的振搗點位置的推算定位方法。

該方法是一種間接定位方法，使用多信息融合處理技術。方法的基本原理是：首先對施工時工人的振搗姿態進行判定，并根據不同的姿態采用不同的推算方法推算出工人正常振搗時手握振搗棒處的握點位置坐標；然后利用深度采集系統數據和握點位置坐標，推算出實際振搗點的位置坐標。算法基于工人的工作姿態對差分定位坐標進行處理，較為準確地推算出實際工作位置的坐標，定位裝置如圖7所示。

4.2 遠程信息化軟件系統開發

4.2.1 數據庫開發

開發數據庫，實現施工過程數據信息(濃度、注漿量、振搗坐標)的存儲、查詢、維護、分類管理等功能，用戶可以根據自身需求對數據進行分類、定義、管理。

4.2.2 3D實體坐標體系

構建壩體3D實體模型并賦予坐標體系。數據庫數據與3D實體模型相結合，用戶可以通過壩體壩段、壩層、壩倉以及坐標等信息，查詢大壩施工進度以及相應位置的施工參數信息。

圖7 定位裝置主控設備及連接

4.2.3 統計與評價功能

遠程信息化系統對大壩施工的所有數據信息按時間、分層、分倉進行統計分析，并對水泥凈漿濃度、加漿量、振搗質量等，對照設計要求指標給出合格性評價結論。

4.2.4 報警功能

在對施工數據進行評價后，對超標參數以及振搗欠振部分進行報警顯示，提供合理的修改方案，指導工人及時作出應對。

4.2.5 數據圖表導出

對數據庫數據進行統計及計算后，系統將設計數據導出格式和統計信息，能夠實現壩體分層、分倉圖表的打印功能，并賦相應數據參數及相應的評價指標。

5 示例應用

通過可視化管理界面，實現對大壩混凝土加漿振搗施工的設備管理、混凝土加漿振搗施工實時數據采集、實時預警以及振搗加漿質量報告管理等功能。其中監控管理系統平臺如圖8所示。

圖8 大壩混凝土振搗加漿監控管理系統平臺

設備管理界面對大壩混凝土加漿振搗監控管理系統所涉及的加漿設備與振搗設備進行管理，可查詢設備的基本信息、當前運行情況與歷史運行狀況，如圖9所示。

圖9 振搗加漿設備運行情況查詢

混凝土加漿振搗施工實時數據采集功能可對振搗加漿位置、加漿量、加漿濃度等進行實時數據采集，如圖10所示。

實時預警功能根據濃度檢測儀上傳的濃度信息進行實時濃度顯示，當濃度低于施工標準濃度時，發出聲光報警；系統根據加漿計量儀上傳的漿量信息進行實時顯示，當澆筑面澆筑完成后漿量信息高于或低于設計標準時，發出聲光報警；系統根據定位移動終端上傳的位置信息，實時顯示定位移動終端到達的區域。

由圖11可見，在對左岸636～640m高程1壩段0層下游區域進行加漿施工時，出現了注漿量為0.0L的現象，系統判斷為欠漿狀況，發出相應報警。

由圖12可見，在對左岸636～640m高程1壩段11層下游區域進行加振搗施工時，出現了振搗密實度為0與為1的現象，系統分別判斷為欠振狀況與稍欠狀況，分別發出相應報警。

質量報告管理是通過施工過程的監控，將每個施工區域的基本信息、施工質量統計、采樣點的信息統計進行匯總形成報告，并對該區域最終施工質量情況進行評估。

圖10 加漿施工實時數據采集

圖13為左岸636.0～640.0m高程2壩段7層加漿質量報告，對868個采樣點數據進行采樣并通過模型展示，最終計算得出該區域欠漿為0.00%，稍欠為5.07%，正常為37.10%，稍過為27.88%，過漿為29.95%，綜合合格率為94.93%。

圖14為右岸593.0～596.0m高程1壩段8層振搗質量報告，對439個采樣點數據進行采樣并通過模型展示，最終計算得出該區域欠振為0.00%，稍欠為7.74%，正常為92.26%，稍過為0.00%，過漿為0.00%，綜合合格率為92.26%。

圖12 振搗實時預警

圖13 加漿質量報告

圖14 振搗質量報告

6 結 論

在混凝土工程的施工過程中，施工質量和施工安全的保證始終是重中之重。在施工過程中，如何利用有效的途徑實現安全施工、高質量施工、信息化施工是目前工程建設中十分關鍵的內容。

本文展示的大壩混凝土加漿振搗質量監控系統，可對大壩混凝土施工質量和施工安全進行實時有效的監控，有效提升大壩現場施工質量的評價效果，針對施工現場可能出現的各種問題都能進行提前預判、實時報警與及時處理，真正提高了混凝土施工的安全性與可靠性，實現了水利施工的現代化與智能化，該系統不僅在引漢濟渭三河口水利樞紐混凝土澆筑工程中得到了很好的應用，也可為國內外相似工程的施工提供一定參考。