混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100)

振搗加漿是混凝土澆筑施工的關(guān)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(zhì)量與施工安全，如何對振搗加漿過程進(jìn)行有效監(jiān)控，是施工質(zhì)量管理中的關(guān)鍵問題[1]。在傳統(tǒng)的振搗加漿監(jiān)控中，施工方自行檢查、監(jiān)理方在旁監(jiān)督的方式，往往只能發(fā)現(xiàn)較為明顯的重大問題，由于受到人員精力、人員經(jīng)驗(yàn)等主觀限制，無法對施工過程進(jìn)行全程、全面、實(shí)時(shí)的監(jiān)管[2]。另一方面，以往通常采用紙質(zhì)載體對振搗加漿施工過程進(jìn)行記錄，記錄容易丟失損壞也不便于及時(shí)查詢相關(guān)信息，無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、智能化施工[3]。因此，基于現(xiàn)代科技手段，采用現(xiàn)代數(shù)字化、智能化技術(shù)對振搗加漿施工全過程進(jìn)行有效的監(jiān)控，確保施工的安全與質(zhì)量，已成為目前混凝土工程施工監(jiān)管的重點(diǎn)方向。

本文在參考諸多混凝土智能化施工系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(jiān)測、加漿濃度檢測、加漿量檢測、綜合評價(jià)、加漿振搗監(jiān)管等功能的混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化的監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了對混凝土振搗加漿施工的全過程監(jiān)控、及時(shí)獲取施工現(xiàn)場的各種狀況、及時(shí)對出現(xiàn)的各類情況進(jìn)行反映與處理、精細(xì)化施工資料的存儲與查閱，有效提高了混凝土的施工質(zhì)量與監(jiān)管能力，在同類型施工領(lǐng)域中具備一定推廣價(jià)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(jì)渭工程的兩個(gè)水源之一[4]，其主要任務(wù)是調(diào)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(guān)中地區(qū)供水，兼顧發(fā)電，是整個(gè)調(diào)水工程的調(diào)蓄中樞。三河口水利樞紐是我國少見的幾個(gè)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(diào)節(jié)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(zhì)量的控制尤為重要[5]。碾壓混凝土拱壩在施工時(shí)面臨著防裂要求高、控制難度大，施工計(jì)劃安排、進(jìn)度控制和資源優(yōu)化配置復(fù)雜，施工地區(qū)溫差大、溫控條件惡劣等重大挑戰(zhàn)。三河口水利樞紐工程建設(shè)中的碾壓混凝土上下游變態(tài)混凝土是大壩防滲的第一個(gè)關(guān)口，而振搗加漿是混凝土澆筑施工的關(guān)鍵流程之一。因此，采用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對混凝土振搗加漿施工的全過程監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大壩混凝土施工質(zhì)量和施工安全的有效監(jiān)管，確保大壩現(xiàn)場施工質(zhì)量的評價(jià)效果，同時(shí)對現(xiàn)場各種可能的風(fēng)險(xiǎn)事故提前預(yù)防與預(yù)警，顯得尤為重要。

2 混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)可應(yīng)用于振搗加漿系統(tǒng)的全過程，主要由混凝土振搗位置監(jiān)測子系統(tǒng)、加漿濃度檢測子系統(tǒng)、加漿量檢測子系統(tǒng)、綜合評價(jià)子系統(tǒng)、加漿振搗監(jiān)管系統(tǒng)五部分組成，見圖1。

圖1 混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 混凝土振搗位置監(jiān)測子系統(tǒng)

混凝土振搗位置監(jiān)測子系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場施工大壩變態(tài)混凝土注漿監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和施工現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)，負(fù)責(zé)傳輸站、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的傳輸方案設(shè)計(jì)。

2.2 加漿濃度檢測子系統(tǒng)

加漿濃度檢測子系統(tǒng)接收并記錄設(shè)備漿液比重檢測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行。當(dāng)漿液比重未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置預(yù)警功能，指導(dǎo)管理人員管理漿液配合比，并指導(dǎo)設(shè)備關(guān)閉注漿功能，對漿液比重?cái)?shù)據(jù)記錄實(shí)現(xiàn)存儲、查詢、導(dǎo)出等功能。

2.3 加漿量檢測子系統(tǒng)

加漿量檢測子系統(tǒng)依據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定加漿量，指導(dǎo)設(shè)備加漿，接收并記錄加漿量檢測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行，當(dāng)加漿量無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置預(yù)警功能，指導(dǎo)施工人員檢查注漿系統(tǒng)，對加漿量數(shù)據(jù)記錄實(shí)現(xiàn)存儲、查詢、導(dǎo)出等功能。

2.4 綜合評價(jià)子系統(tǒng)

綜合評價(jià)子系統(tǒng)逐層生成圖形報(bào)告與數(shù)據(jù)報(bào)表。由于變態(tài)混凝土與碾壓混凝土同步上升，所以可截取碾壓圖形報(bào)告與振搗圖形報(bào)告，將其整合，以查找混凝土振搗漏振區(qū)域。

2.5 加漿振搗監(jiān)管系統(tǒng)

加漿振搗監(jiān)管系統(tǒng)將上述子系統(tǒng)信息集合匯總，實(shí)現(xiàn)對加漿振搗施工全過程的監(jiān)控管理。

3 混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)模型

3.1 混凝土振搗加漿監(jiān)控方案原理

混凝土振搗加漿監(jiān)控方案原理如圖2所示。

圖2 混凝土振搗加漿監(jiān)控方案原理

3.2 壩體施工階段進(jìn)度實(shí)體模型構(gòu)建

為開發(fā)大壩混凝土振搗加漿遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以三河口碾壓混凝土施工現(xiàn)狀為依據(jù)，根據(jù)大壩施工設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)施工階段分區(qū)分段進(jìn)度劃分，建立壩體結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)分倉分塊區(qū)域?qū)嶓w模型(包含壩體結(jié)構(gòu)3D整體坐標(biāo)、施工分倉分層幾何坐標(biāo)及材料信息等參數(shù))。

以該三維數(shù)字化實(shí)體模型為信息載體，導(dǎo)入倉面混凝土振搗加漿實(shí)時(shí)施工工藝參數(shù)和實(shí)時(shí)加漿與振搗區(qū)塊信息，實(shí)現(xiàn)混凝土加漿振搗質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)控可視化。

3.2.1 模型單元?jiǎng)澐?/p>

建立壩體結(jié)構(gòu)施工階段的精細(xì)區(qū)塊模型。首先，根據(jù)壩體施工實(shí)施部位的分倉升層計(jì)劃，確定壩體作業(yè)過程模型單元的劃分方法和精度單元設(shè)置，分級構(gòu)建壩體模型，見圖3。

圖3 壩體分級模型

其次，為準(zhǔn)確顯示、分析壩體上、下游的振搗加漿施工過程，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，根據(jù)倉面生產(chǎn)的設(shè)計(jì)圖，確定變態(tài)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(tài)注漿區(qū)及碾壓工藝區(qū)。

3.2.2 AutoCAD三維建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

根據(jù)大壩各壩段施工二維圖紙及施工進(jìn)度計(jì)劃，利用AutoCAD軟件進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)三維實(shí)體建模的層次建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備[6]。

首先，約定各級模型均采用同一坐標(biāo)系，制定統(tǒng)一圖層編碼規(guī)則，以保證壩體模型的完整性、準(zhǔn)確性及一致性。

然后，由基本平面設(shè)計(jì)圖，賦予相應(yīng)屬性參數(shù)，即可完成模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

最后，完成各級模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，將各級模型按其相應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)行拼接，即可完成整體壩體模型。

3.2.3 基于OpenGL的自動(dòng)化三維建模

基于OpenGL技術(shù)，通過底層開發(fā)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jié)構(gòu)的三維建模，即在三維系統(tǒng)中最大限度地利用原有AutoCAD二維圖形數(shù)據(jù)，高效、自動(dòng)地進(jìn)行三維建模，見圖4。

圖4 自動(dòng)三維建模原理

將已建好的AutoCAD層次模型導(dǎo)入自動(dòng)建模程序，完成壩體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型自動(dòng)建模。圖5為壩體某倉號的自動(dòng)建模成果。

為實(shí)現(xiàn)混凝土振搗、加漿施工質(zhì)量的高精度監(jiān)控，將壩體三維模型分為若干立方體有限元，見圖6，為每個(gè)立方體賦予“振搗位置坐標(biāo)屬性”“加漿量屬性”及

圖5 壩體某倉號的自動(dòng)建模成果

“加漿濃度屬性”。進(jìn)而通過注漿設(shè)備測得的信息化參數(shù)，通過GPS系統(tǒng)上傳至云端數(shù)據(jù)庫。最后通過遠(yuǎn)程碾壓工藝參數(shù)信息化平臺，在壩體結(jié)構(gòu)單元模型上實(shí)時(shí)反映變態(tài)混凝土注漿量及其動(dòng)態(tài)變化。

4 數(shù)據(jù)采集與軟件開發(fā)

4.1 數(shù)據(jù)采集

4.1.1 數(shù)據(jù)信息采集

數(shù)據(jù)信息采集主要采用遠(yuǎn)程通信模塊Modbus協(xié)議。開放性的Modbus協(xié)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(xié)議[7]。密度儀、流量計(jì)、振搗坐標(biāo)等參數(shù)數(shù)據(jù)均可通過Modbus協(xié)議進(jìn)行采集，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過4GDTU模塊(支持2G)遠(yuǎn)程傳輸進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。

圖6 某倉號模型對應(yīng)的離散剖分體元模型

4.1.2 振搗坐標(biāo)定位

對傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位方法進(jìn)行改進(jìn)，解決無法定位到實(shí)際振搗點(diǎn)位置的問題[8]。考慮到實(shí)際振搗時(shí)的復(fù)雜環(huán)境對信號遮擋嚴(yán)重，提出了一種基于雙GPS的振搗點(diǎn)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(shù)。方法的基本原理是：首先對施工時(shí)工人的振搗姿態(tài)進(jìn)行判定，并根據(jù)不同的姿態(tài)采用不同的推算方法推算出工人正常振搗時(shí)手握振搗棒處的握點(diǎn)位置坐標(biāo)；然后利用深度采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和握點(diǎn)位置坐標(biāo)，推算出實(shí)際振搗點(diǎn)的位置坐標(biāo)。算法基于工人的工作姿態(tài)對差分定位坐標(biāo)進(jìn)行處理，較為準(zhǔn)確地推算出實(shí)際工作位置的坐標(biāo)，定位裝置如圖7所示。

4.2 遠(yuǎn)程信息化軟件系統(tǒng)開發(fā)

4.2.1 數(shù)據(jù)庫開發(fā)

開發(fā)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)施工過程數(shù)據(jù)信息(濃度、注漿量、振搗坐標(biāo))的存儲、查詢、維護(hù)、分類管理等功能，用戶可以根據(jù)自身需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、定義、管理。

4.2.2 3D實(shí)體坐標(biāo)體系

構(gòu)建壩體3D實(shí)體模型并賦予坐標(biāo)體系。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與3D實(shí)體模型相結(jié)合，用戶可以通過壩體壩段、壩層、壩倉以及坐標(biāo)等信息，查詢大壩施工進(jìn)度以及相應(yīng)位置的施工參數(shù)信息。

圖7 定位裝置主控設(shè)備及連接

4.2.3 統(tǒng)計(jì)與評價(jià)功能

遠(yuǎn)程信息化系統(tǒng)對大壩施工的所有數(shù)據(jù)信息按時(shí)間、分層、分倉進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對水泥凈漿濃度、加漿量、振搗質(zhì)量等，對照設(shè)計(jì)要求指標(biāo)給出合格性評價(jià)結(jié)論。

4.2.4 報(bào)警功能

在對施工數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)后，對超標(biāo)參數(shù)以及振搗欠振部分進(jìn)行報(bào)警顯示，提供合理的修改方案，指導(dǎo)工人及時(shí)作出應(yīng)對。

4.2.5 數(shù)據(jù)圖表導(dǎo)出

對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及計(jì)算后，系統(tǒng)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式和統(tǒng)計(jì)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)壩體分層、分倉圖表的打印功能，并賦相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)及相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)。

5 示例應(yīng)用

通過可視化管理界面，實(shí)現(xiàn)對大壩混凝土加漿振搗施工的設(shè)備管理、混凝土加漿振搗施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)預(yù)警以及振搗加漿質(zhì)量報(bào)告管理等功能。其中監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺如圖8所示。

圖8 大壩混凝土振搗加漿監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺

設(shè)備管理界面對大壩混凝土加漿振搗監(jiān)控管理系統(tǒng)所涉及的加漿設(shè)備與振搗設(shè)備進(jìn)行管理，可查詢設(shè)備的基本信息、當(dāng)前運(yùn)行情況與歷史運(yùn)行狀況，如圖9所示。

圖9 振搗加漿設(shè)備運(yùn)行情況查詢

混凝土加漿振搗施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能可對振搗加漿位置、加漿量、加漿濃度等進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，如圖10所示。

實(shí)時(shí)預(yù)警功能根據(jù)濃度檢測儀上傳的濃度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)濃度顯示，當(dāng)濃度低于施工標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警；系統(tǒng)根據(jù)加漿計(jì)量儀上傳的漿量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)澆筑面澆筑完成后漿量信息高于或低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警；系統(tǒng)根據(jù)定位移動(dòng)終端上傳的位置信息，實(shí)時(shí)顯示定位移動(dòng)終端到達(dá)的區(qū)域。

由圖11可見，在對左岸636～640m高程1壩段0層下游區(qū)域進(jìn)行加漿施工時(shí)，出現(xiàn)了注漿量為0.0L的現(xiàn)象，系統(tǒng)判斷為欠漿狀況，發(fā)出相應(yīng)報(bào)警。

由圖12可見，在對左岸636～640m高程1壩段11層下游區(qū)域進(jìn)行加振搗施工時(shí)，出現(xiàn)了振搗密實(shí)度為0與為1的現(xiàn)象，系統(tǒng)分別判斷為欠振狀況與稍欠狀況，分別發(fā)出相應(yīng)報(bào)警。

質(zhì)量報(bào)告管理是通過施工過程的監(jiān)控，將每個(gè)施工區(qū)域的基本信息、施工質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、采樣點(diǎn)的信息統(tǒng)計(jì)進(jìn)行匯總形成報(bào)告，并對該區(qū)域最終施工質(zhì)量情況進(jìn)行評估。

圖10 加漿施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

圖13為左岸636.0～640.0m高程2壩段7層加漿質(zhì)量報(bào)告，對868個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并通過模型展示，最終計(jì)算得出該區(qū)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(zhì)量報(bào)告，對439個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并通過模型展示，最終計(jì)算得出該區(qū)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(shí)時(shí)預(yù)警

圖13 加漿質(zhì)量報(bào)告

圖14 振搗質(zhì)量報(bào)告

6 結(jié) 論

在混凝土工程的施工過程中，施工質(zhì)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(shí)現(xiàn)安全施工、高質(zhì)量施工、信息化施工是目前工程建設(shè)中十分關(guān)鍵的內(nèi)容。

本文展示的大壩混凝土加漿振搗質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，可對大壩混凝土施工質(zhì)量和施工安全進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控，有效提升大壩現(xiàn)場施工質(zhì)量的評價(jià)效果，針對施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種問題都能進(jìn)行提前預(yù)判、實(shí)時(shí)報(bào)警與及時(shí)處理，真正提高了混凝土施工的安全性與可靠性，實(shí)現(xiàn)了水利施工的現(xiàn)代化與智能化，該系統(tǒng)不僅在引漢濟(jì)渭三河口水利樞紐混凝土澆筑工程中得到了很好的應(yīng)用，也可為國內(nèi)外相似工程的施工提供一定參考。