紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時控制方法及應用

王中良，唐婉秋，楊 麗

(1.四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600；2.四川水利職業技術學院,四川 成都 611231)

水利工程是進行水資源配置，提升下游防洪能力，改善城市環境的重要手段。南江縣紅魚洞水庫工程作為172項水利工程之一，是一座集灌溉、防洪、城鄉生活及工業供水等為一體綜合利用的水利工程。水庫壩址位于南江縣橋亭鄉境內的南江河紅魚洞河段，灌區分布在巴中市南江縣及巴州區境內。紅魚洞水庫樞紐工程由攔河大壩、左岸泄洪隧洞(兼導流洞)、右岸溢洪道、右岸灌溉取水口及引水隧洞等水工建筑物組成。水庫正常蓄水位650m，死水位600m，汛期限制水位645.5m，水庫總庫容1.68億m3。設計灌溉面積2.73萬hm2。總干渠渠首設計引用流量為18.17m3/s，大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程652.80m，最大壩高104.80m。

水利水電工程施工質量管控是工程管理的核心，也是工程穩定運行的基礎。當前施工質量控制主要包括:王禹迪等[1]針對碾壓混凝土壩運行過程中出現的缺陷和問題，對大壩混凝土強度、碳化深度、鋼筋保護層厚度、裂縫性態等進行了檢測評估；王平[2]提出了基于安全督管體系的新型水利工程質量管理體系，為水利工程質量管控提供了新的視角。紅魚洞瀝青混凝土心墻壩工程規模大、施工技術要求高，大壩填筑質量是施工質量控制的核心。傳統的大壩填筑質量控制主要采用監理現場旁站與有限點試坑試驗相結合的方式進行檢測。然而以上方法在操作過程中容易產生誤差[3]，同時難以實現大壩施工質量全方位、全流程實時監控，難以滿足大型機械化施工場景下的施工進度、質量管控要求。采用具有實時性、連續性、自動化、高精度的大壩施工質量實時監控系統，以有效監測大壩施工全過程，可以使大壩施工質量得到保證。因此有很多研究者持續關注著壩體壓實質量監控這一問題，崔博系統地研究了堆石壩施工質量監控的集成理論和應用方法[4]；劉東海等人研究了各個碾壓參數和壓實度之間的關系，提出了一種碾壓遍數合格率的確定方法[5]；王佳俊等人受到流數據處理中基于概念漂移方法的啟發，提出了一種土石壩壓實質量的評價方法[6]。除了基于水利工程開展的施工質量實時控制研究外，在瀝青路面施工[7]、土石方壓實[8]、機場高填方施工[9]、隧道仰拱路基施工[10]等領域也有很多學者就施工質量實時監控這一問題展開研究，鐘登華等人[11- 14]針對大壩碾壓施工質量監控開展研究，取得了一系列的成果。這些研究都不斷為工程的安全穩定運行奠定基礎。

1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時控制方法

1.1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時監控方法架構

紅魚洞水庫大壩碾壓施工質量實時監控系統綜合運用地理信息系統(GIS)、全球衛星導航系統(GNSS)、網絡通信技術、海量數據庫管理技術等，對紅魚洞水庫大壩建設過程中涉及的碾壓質量信息進行動態采集與數字化處理，實現工程信息管理的網絡化、可視化、數字化和智能化，系統架構如圖1所示。

紅魚洞水庫大壩碾壓施工質量實時監控系統主要實現以下功能。

(1)碾壓機施工狀態實時感知。基于高精度GNSS定位技術、傳感器技術，實時感知碾壓機械空間位置、行駛方向、行駛速度及振動狀態等指標，作為碾壓作業過程監控的基礎。構建現場無線傳輸網絡系統，實現作業狀態信息的實時傳輸。

(2)碾壓作業狀態實時分析。以現場感知的碾壓機施工狀態信息為基礎，在分控站配置監控終端，分別通過有線或無線通訊網絡，讀取作業狀態數據，進行進一步的實時計算和分析，包括壩面碾壓質量參數(碾壓軌跡、碾壓速度、碾壓遍數、錯距、碾壓高程等)的實時計算和分析。并可以在以大壩施工高程截面為底圖的可視化界面上進行展示，如圖2所示。

(3)碾壓作業過程反饋。根據預先設定的控制標準，服務器端的應用程序實時分析判斷碾壓機械作業狀態是否達標，并可以通過圖像可視化顯示現場實時碾壓狀況(如碾壓遍數、碾壓軌跡等)；若出現偏差，則向現場施工管理人員發出相應提醒。同時，構建了圖形報告體系，實現現場施工質量智能分析，如圖3所示。

1.2 基于混合組網的施工信息傳輸網絡構建

數據傳輸網絡是施工過程實時監控的基礎。現有研究主要采用4G通訊網絡或自主通訊網絡實現碾壓施工信息的實時傳輸。其中4G傳輸網絡具有覆蓋面廣、經濟性高的特點，但對當地通訊條件要求較高；自主通訊網絡則完全擺脫了當地通訊網絡條件限制，可以實現小區域范圍內的高質量傳輸，但其硬件設備價格較高。

圖1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時監控方法架構

圖2 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時監控程序界面

圖3 碾壓監控結果圖形報告體系

紅魚洞水庫周圍通訊條件復雜，大壩不同分區的網絡傳輸條件存在明顯差異。其中堆石料區4G傳輸條件較好，而大壩防滲體的瀝青混凝土心墻區則存在小區域通訊盲區，通訊條件難以滿足現場全方位監控要求。綜合考慮現場網絡條件，在兼顧通訊的穩定性與經濟性條件下，構建了基于混合組網的施工信息實時傳輸網絡，如圖4所示。

圖4 混合組網示意圖

以4G傳輸網絡為骨干，以自主通訊網絡為補充構建了施工信息傳輸網絡。針對堆石料區，采用4G通訊傳輸網絡進行信息傳輸；針對瀝青混凝土心墻區施工機械，進行了自主通訊網絡組網建設，并設置自主通訊網絡中心節點，實現瀝青混凝土心墻區施工信息的實時采集；自主通訊網絡中心節點設置于4G網絡覆蓋區域，并接入4G傳輸網絡，實現施工信息的實時傳輸。基于以上方法，實現了兼顧穩定性與經濟性條件下的傳輸網絡構建。

2 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時監控系統工程應用

2.1 系統建設

基于以上方法，以紅魚洞水庫大壩工程為對象，進行了系統建設。系統建設包括定位基準站建設、碾壓機流動站建設、總控中心建設及現場分控站建設。

從壩區內管理因素、施工條件、建設環境、觀測環境、地質環境、維持環境等工程實際條件，定位基準站設置于左岸壩頂壩軸線附近654平臺，實現差分信號對現場的全覆蓋。碾壓機流動站安裝于現場各碾壓機上，根據現場需求，共安裝碾壓機流動站設備9套，其中心墻區施工區域的3套碾壓機系統采用混合組網實現施工信號的全覆蓋，其余碾壓機采用4G通訊進行數據傳輸。總控中心設置于紅魚洞建設管理局現場營地，作為施工過程建設與控制基礎。同時，現場分控站在大壩左岸壩頂654平臺建設，以方便現場施工過程管控。

2.2 監控成果

本系統于2018年4月27日建設完成，并于2020年1月19日完成大壩填筑監控，期間共監控倉面1199個，其中，心墻區倉面249個，上游心墻過渡區倉面244個，下游心墻過渡區倉面249個，上游堆石1區倉面81個，下游堆石1區倉面206個，上游堆石2區倉面114個，下游堆石2區倉面56個。各倉碾壓遍數均滿足設計要求，下游堆石1區施工倉面碾壓遍數統計結果與心墻區施工倉面碾壓遍數統計結果如圖5—6所示。其中，作為壩體防滲體核心的瀝青混凝土心墻區所有監控施工倉面中，碾壓遍數合格區域所占比例最低為95.00%，最高為99.99%，平均為97.63%。另外，由于工區斷電以及夜間施工未提前通知分控站導致碾壓監控系統無法監控的施工倉面均在現場監理旁站監督下碾壓合格。

3 結語

在現有的填筑質量實時監控的基礎上，本研究以紅魚洞工程情況，構建了基于混合組網的施工信息傳輸網絡，實現了建設全過程的監控，實現了碾壓施工動態監控，質量數據的實時統計與分析，碾壓施工指引與報警，實時成果分析與報表輸出和可視化分析等功能。本系統針對傳統的人工旁站與有限點檢測方式無法實現大壩填筑質量有效控制的問題，借鑒了當前已有的工程開展大壩填筑質量實時監控研究與應用工作，實現了大壩施工過程的有效控制，確保了紅魚洞大壩填筑碾壓質量處于受控狀態，提高了大壩建設管理水平。

圖5 下游堆石1區施工倉面碾壓遍數統計結果

圖6 心墻區施工倉面碾壓遍數統計結果