紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制方法及應(yīng)用

王中良，唐婉秋，楊 麗

(1.四川省紅魚洞水庫(kù)建設(shè)管理局，四川 巴中 636600；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 成都 611231)

水利工程是進(jìn)行水資源配置，提升下游防洪能力，改善城市環(huán)境的重要手段。南江縣紅魚洞水庫(kù)工程作為172項(xiàng)水利工程之一，是一座集灌溉、防洪、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水等為一體綜合利用的水利工程。水庫(kù)壩址位于南江縣橋亭鄉(xiāng)境內(nèi)的南江河紅魚洞河段，灌區(qū)分布在巴中市南江縣及巴州區(qū)境內(nèi)。紅魚洞水庫(kù)樞紐工程由攔河大壩、左岸泄洪隧洞(兼導(dǎo)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(kù)正常蓄水位650m，死水位600m，汛期限制水位645.5m，水庫(kù)總庫(kù)容1.68億m3。設(shè)計(jì)灌溉面積2.73萬(wàn)hm2。總干渠渠首設(shè)計(jì)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(zhì)量管控是工程管理的核心，也是工程穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)前施工質(zhì)量控制主要包括:王禹迪等[1]針對(duì)碾壓混凝土壩運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷和問(wèn)題，對(duì)大壩混凝土強(qiáng)度、碳化深度、鋼筋保護(hù)層厚度、裂縫性態(tài)等進(jìn)行了檢測(cè)評(píng)估；王平[2]提出了基于安全督管體系的新型水利工程質(zhì)量管理體系，為水利工程質(zhì)量管控提供了新的視角。紅魚洞瀝青混凝土心墻壩工程規(guī)模大、施工技術(shù)要求高，大壩填筑質(zhì)量是施工質(zhì)量控制的核心。傳統(tǒng)的大壩填筑質(zhì)量控制主要采用監(jiān)理現(xiàn)場(chǎng)旁站與有限點(diǎn)試坑試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行檢測(cè)。然而以上方法在操作過(guò)程中容易產(chǎn)生誤差[3]，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)大壩施工質(zhì)量全方位、全流程實(shí)時(shí)監(jiān)控，難以滿足大型機(jī)械化施工場(chǎng)景下的施工進(jìn)度、質(zhì)量管控要求。采用具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、自動(dòng)化、高精度的大壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，以有效監(jiān)測(cè)大壩施工全過(guò)程，可以使大壩施工質(zhì)量得到保證。因此有很多研究者持續(xù)關(guān)注著壩體壓實(shí)質(zhì)量監(jiān)控這一問(wèn)題，崔博系統(tǒng)地研究了堆石壩施工質(zhì)量監(jiān)控的集成理論和應(yīng)用方法[4]；劉東海等人研究了各個(gè)碾壓參數(shù)和壓實(shí)度之間的關(guān)系，提出了一種碾壓遍數(shù)合格率的確定方法[5]；王佳俊等人受到流數(shù)據(jù)處理中基于概念漂移方法的啟發(fā)，提出了一種土石壩壓實(shí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法[6]。除了基于水利工程開展的施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制研究外，在瀝青路面施工[7]、土石方壓實(shí)[8]、機(jī)場(chǎng)高填方施工[9]、隧道仰拱路基施工[10]等領(lǐng)域也有很多學(xué)者就施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控這一問(wèn)題展開研究，鐘登華等人[11- 14]針對(duì)大壩碾壓施工質(zhì)量監(jiān)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(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制方法

1.1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控方法架構(gòu)

紅魚洞水庫(kù)大壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、海量數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)等，對(duì)紅魚洞水庫(kù)大壩建設(shè)過(guò)程中涉及的碾壓質(zhì)量信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集與數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)工程信息管理的網(wǎng)絡(luò)化、可視化、數(shù)字化和智能化，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

紅魚洞水庫(kù)大壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

(1)碾壓機(jī)施工狀態(tài)實(shí)時(shí)感知。基于高精度GNSS定位技術(shù)、傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)感知碾壓機(jī)械空間位置、行駛方向、行駛速度及振動(dòng)狀態(tài)等指標(biāo)，作為碾壓作業(yè)過(guò)程監(jiān)控的基礎(chǔ)。構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)傳輸。

(2)碾壓作業(yè)狀態(tài)實(shí)時(shí)分析。以現(xiàn)場(chǎng)感知的碾壓機(jī)施工狀態(tài)信息為基礎(chǔ)，在分控站配置監(jiān)控終端，分別通過(guò)有線或無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，讀取作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)時(shí)計(jì)算和分析，包括壩面碾壓質(zhì)量參數(shù)(碾壓軌跡、碾壓速度、碾壓遍數(shù)、錯(cuò)距、碾壓高程等)的實(shí)時(shí)計(jì)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(jìn)行展示，如圖2所示。

(3)碾壓作業(yè)過(guò)程反饋。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)器端的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)分析判斷碾壓機(jī)械作業(yè)狀態(tài)是否達(dá)標(biāo)，并可以通過(guò)圖像可視化顯示現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)碾壓狀況(如碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡等)；若出現(xiàn)偏差，則向現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員發(fā)出相應(yīng)提醒。同時(shí)，構(gòu)建了圖形報(bào)告體系，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量智能分析，如圖3所示。

1.2 基于混合組網(wǎng)的施工信息傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是施工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)。現(xiàn)有研究主要采用4G通訊網(wǎng)絡(luò)或自主通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)碾壓施工信息的實(shí)時(shí)傳輸。其中4G傳輸網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面廣、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，但對(duì)當(dāng)?shù)赝ㄓ崡l件要求較高；自主通訊網(wǎng)絡(luò)則完全擺脫了當(dāng)?shù)赝ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)條件限制，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)域范圍內(nèi)的高質(zhì)量傳輸，但其硬件設(shè)備價(jià)格較高。

圖1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控方法架構(gòu)

圖2 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控程序界面

圖3 碾壓監(jiān)控結(jié)果圖形報(bào)告體系

紅魚洞水庫(kù)周圍通訊條件復(fù)雜，大壩不同分區(qū)的網(wǎng)絡(luò)傳輸條件存在明顯差異。其中堆石料區(qū)4G傳輸條件較好，而大壩防滲體的瀝青混凝土心墻區(qū)則存在小區(qū)域通訊盲區(qū)，通訊條件難以滿足現(xiàn)場(chǎng)全方位監(jiān)控要求。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)條件，在兼顧通訊的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性條件下，構(gòu)建了基于混合組網(wǎng)的施工信息實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4 混合組網(wǎng)示意圖

以4G傳輸網(wǎng)絡(luò)為骨干，以自主通訊網(wǎng)絡(luò)為補(bǔ)充構(gòu)建了施工信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)堆石料區(qū)，采用4G通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸；針對(duì)瀝青混凝土心墻區(qū)施工機(jī)械，進(jìn)行了自主通訊網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)建設(shè)，并設(shè)置自主通訊網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)瀝青混凝土心墻區(qū)施工信息的實(shí)時(shí)采集；自主通訊網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置于4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，并接入4G傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)施工信息的實(shí)時(shí)傳輸?；谝陨戏椒?，實(shí)現(xiàn)了兼顧穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性條件下的傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

2 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工程應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)建設(shè)

基于以上方法，以紅魚洞水庫(kù)大壩工程為對(duì)象，進(jìn)行了系統(tǒng)建設(shè)。系統(tǒng)建設(shè)包括定位基準(zhǔn)站建設(shè)、碾壓機(jī)流動(dòng)站建設(shè)、總控中心建設(shè)及現(xiàn)場(chǎng)分控站建設(shè)。

從壩區(qū)內(nèi)管理因素、施工條件、建設(shè)環(huán)境、觀測(cè)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、維持環(huán)境等工程實(shí)際條件，定位基準(zhǔn)站設(shè)置于左岸壩頂壩軸線附近654平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的全覆蓋。碾壓機(jī)流動(dòng)站安裝于現(xiàn)場(chǎng)各碾壓機(jī)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，共安裝碾壓機(jī)流動(dòng)站設(shè)備9套，其中心墻區(qū)施工區(qū)域的3套碾壓機(jī)系統(tǒng)采用混合組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)施工信號(hào)的全覆蓋，其余碾壓機(jī)采用4G通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。總控中心設(shè)置于紅魚洞建設(shè)管理局現(xiàn)場(chǎng)營(yíng)地，作為施工過(guò)程建設(shè)與控制基礎(chǔ)。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)分控站在大壩左岸壩頂654平臺(tái)建設(shè)，以方便現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程管控。

2.2 監(jiān)控成果

本系統(tǒng)于2018年4月27日建設(shè)完成，并于2020年1月19日完成大壩填筑監(jiān)控，期間共監(jiān)控倉(cāng)面1199個(gè)，其中，心墻區(qū)倉(cāng)面249個(gè)，上游心墻過(guò)渡區(qū)倉(cāng)面244個(gè)，下游心墻過(guò)渡區(qū)倉(cāng)面249個(gè)，上游堆石1區(qū)倉(cāng)面81個(gè)，下游堆石1區(qū)倉(cāng)面206個(gè)，上游堆石2區(qū)倉(cāng)面114個(gè)，下游堆石2區(qū)倉(cāng)面56個(gè)。各倉(cāng)碾壓遍數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，下游堆石1區(qū)施工倉(cāng)面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與心墻區(qū)施工倉(cāng)面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)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(qū)所有監(jiān)控施工倉(cāng)面中，碾壓遍數(shù)合格區(qū)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(qū)斷電以及夜間施工未提前通知分控站導(dǎo)致碾壓監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)控的施工倉(cāng)面均在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理旁站監(jiān)督下碾壓合格。

3 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)有的填筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，本研究以紅魚洞工程情況，構(gòu)建了基于混合組網(wǎng)的施工信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了建設(shè)全過(guò)程的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了碾壓施工動(dòng)態(tài)監(jiān)控，質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與分析，碾壓施工指引與報(bào)警，實(shí)時(shí)成果分析與報(bào)表輸出和可視化分析等功能。本系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)的人工旁站與有限點(diǎn)檢測(cè)方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)大壩填筑質(zhì)量有效控制的問(wèn)題，借鑒了當(dāng)前已有的工程開展大壩填筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控研究與應(yīng)用工作，實(shí)現(xiàn)了大壩施工過(guò)程的有效控制，確保了紅魚洞大壩填筑碾壓質(zhì)量處于受控狀態(tài)，提高了大壩建設(shè)管理水平。

圖5 下游堆石1區(qū)施工倉(cāng)面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 心墻區(qū)施工倉(cāng)面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果