黃家灣水利樞紐工程堆石壩填筑碾壓過程監(jiān)控系統(tǒng)設計

劉國中

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

0 引言

黃家灣水利樞紐工程混凝土面板堆石壩施工環(huán)節(jié)多、工期緊、施工質(zhì)量要求高，大壩建設過程控制尤為重要，確保大壩施工質(zhì)量是本工程施工的重點和難點。隨著感知技術、網(wǎng)絡技術、計算機技術等信息技術及壩工技術的發(fā)展，也對工程建設管理提出了新的要求。同時，對施工過程進行實時監(jiān)控是當前水電工程施工發(fā)展的一個趨勢，它有助于提高管理效率和質(zhì)量，節(jié)省人工成本，有利于施工過程控制、質(zhì)量管理、驗收結(jié)算等。因此，針對黃家灣水利樞紐大壩施工質(zhì)量控制問題，建設一套黃家灣水利樞紐大壩碾壓過程實時監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。

1 工程概況

黃家灣水利樞紐工程位于貴州紫云縣，是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，發(fā)電為輔的綜合利用水利工程。工程為Ⅱ等大(2)型工程，水庫正常蓄水位1055 m，死水位1035 m，正常蓄水位庫容1.57億m3，死庫容0.564億m3，興利庫容0.874億m3。擋水大壩為面板堆石壩，壩頂高程為1059.0 m，壩頂寬10.0 m，壩軸線長360.54 m。上游壩坡為1∶1.407，下游壩坡為1∶1.4，壩底寬245.12 m；壩體防滲采用鋼筋混凝土板，防滲層下游為墊層區(qū)(水平厚度4.0 m)、過渡區(qū)(水平厚度4.0 m)，過渡區(qū)后為大壩堆石區(qū)。在面板上游壩側(cè)1020.0 m高程以下設置粘土鋪蓋區(qū)，鋪蓋頂部水平厚度2.5 m，上游坡1∶1.8，在鋪蓋上游面設蓋重區(qū)，蓋重區(qū)頂部水平厚度3.5 m，上游側(cè)坡比為1∶2.5。

2 填筑碾壓過程監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1 功能設計

2.1.1 碾壓機動態(tài)監(jiān)控

動態(tài)采集和監(jiān)測碾壓機運行軌跡、速度、振動狀態(tài)和壓實度等，集成后在大壩施工數(shù)字地圖上可視化顯示，與施工同步自動計算倉面碾壓遍數(shù)、壓實厚度、標高及壓實度等。

2.1.2 質(zhì)量控制指標預報警

當碾壓機運行超速、以及激振力、碾壓遍數(shù)等碾壓參數(shù)或壓實度不達標時，系統(tǒng)自動發(fā)送報警信息。報警信息同時發(fā)送給碾壓機操作手及其他相關人員，并在監(jiān)控終端上做出提示，同時該異常信息將被存儲備查。

2.1.3 報表輸出

根據(jù)在每個施工分部分項完成后，自動生成碾壓質(zhì)量圖形報表，包括碾壓軌跡圖、行車速度和激振力情況圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實厚度圖和壓實高程圖等，作為施工質(zhì)量控制質(zhì)量的組成部分。同時系統(tǒng)會通過數(shù)據(jù)挖掘智能算法生成可視化的壓實度云圖，可作為質(zhì)量驗收相關材料。

2.1.4 在線監(jiān)控與歷史查詢

可在監(jiān)控中心對面板堆石壩碾壓情況進行在線監(jiān)控，實現(xiàn)遠程和現(xiàn)場“雙監(jiān)控”。同時，所有施工過程控制信息將被保存，后期可追溯監(jiān)控倉面的施工過程，也可為其他信息化工程提供大壩碾壓過程數(shù)據(jù)基礎。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

黃家灣水利樞紐工程施工營地布置于壩區(qū)附近，距離壩區(qū)直線距離約0.8 km；監(jiān)理營地及業(yè)主現(xiàn)場臨時營地均布置于黃家灣村309省道旁，與壩區(qū)直線距離約2.0 km。結(jié)合實際情況，黃家灣面板堆石壩碾壓過程實時監(jiān)控系統(tǒng)總體由差分基準站、碾壓機流動站、監(jiān)控中心、通信系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構見圖1。

圖1 黃家灣面板堆石壩碾壓過程實時監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構

2.2.1 差分基準站

GNSS差分基準站是整個監(jiān)控系統(tǒng)的“位置標準”。使用RTK動態(tài)差分技術，利用已知的基準點坐標來修正實時獲得的測量結(jié)果。使水平定位精度可達±(8+1×10-6×D) mm，垂直定位精度可達±(15+1×10-6×D) mm，滿足大壩碾壓質(zhì)量控制的要求。

2.2.2 碾壓機械碾壓過程自動監(jiān)測裝置

碾壓機械碾壓過程自動監(jiān)測裝置包括有：衛(wèi)星定位接收機、衛(wèi)星天線、激振力模塊、無線傳輸模塊(DTU)、壓實度傳感器等。

在碾壓機械上安裝高精度衛(wèi)星定位接收機，能夠獲得碾壓機械所在位置的定位坐標，水平定位精度可達±(8+1×10-6×D) mm，垂直定位精度可達±(15+1×10-6×D) mm；同時通過接收機的外接I/O接口，將位置坐標信息和定位時間及碾壓機標識傳送至無線數(shù)據(jù)傳輸單元DTU。壓實度傳感器安裝在碾壓機碾輪上，用于感知碾壓機所在位置壓實度，并按照設定頻率通過網(wǎng)口傳送至無線數(shù)據(jù)傳輸單元DTU。

通過安裝在碾壓機械上的GNSS接收機、激振力感應器、壓實度傳感器可獲得大壩填筑碾壓施工過程中碾壓機位置、行進速度、碾壓遍數(shù)、激振力狀態(tài)以及壓實度信息等監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后將觀測數(shù)據(jù)，上傳至中心數(shù)據(jù)庫。

2.2.3 監(jiān)控中心設計

監(jiān)控中心由服務器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、安全備份系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控應用系統(tǒng)等組成，以實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效管理和分析應用。通過24小時常駐管理人員，便于工程管理人員實時監(jiān)控工程施工質(zhì)量，出現(xiàn)偏差，及時進行糾偏工作。由于施工現(xiàn)場環(huán)境惡劣，為確保作為整個監(jiān)控系統(tǒng)核心的服務器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全及穩(wěn)定運行，將監(jiān)控中心拆分為總控中心與現(xiàn)場分控站兩部分，鑒于用電保證方面考慮，將總控中心部署于施工營地，并在業(yè)主臨時營地和監(jiān)理營地都布置分控站，其他部分與原方案相同。

(1)總控中心設計

總控中心布置于工程施工現(xiàn)場，主要包括服務器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、安全備份系統(tǒng)以及現(xiàn)場監(jiān)控應用系統(tǒng)等，以實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效管理和分析應用。為方便總控中心實時查看現(xiàn)場視屏監(jiān)控和監(jiān)測碾壓質(zhì)量，需部署兩套大屏幕電腦。

(2)分控站設計

分控站布置于業(yè)主臨時營地，需部署一臺監(jiān)控PC和一套投影系統(tǒng)，便于業(yè)主方可以24 h實時監(jiān)控碾壓質(zhì)量和施工過程。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行流程

大壩標監(jiān)理單位、大壩標施工單位均派出相應人員進駐現(xiàn)場分控站，由施工單位人員具體操作，監(jiān)理單位人員監(jiān)管。

圖3 黃家灣面板堆石壩碾壓過程實時監(jiān)控系統(tǒng)控制過程

(4)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由工地現(xiàn)場的前端設備和傳輸設備、監(jiān)控中心室設備三大部分組成。

①工地現(xiàn)場

工地現(xiàn)場布置視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端設備和傳輸設備，前端設備包括攝像機、鏡頭、防護罩、支架、云臺等，進行圖像和數(shù)據(jù)的采集及信號處理。同軸電纜和信號線為傳輸設備，將前端設備采集的音、視頻信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

②監(jiān)控中心

由主控設備和顯示設備組成監(jiān)控中心，主控設備負責前端音、視頻信號進行壓縮處理、圖像切換、云鏡操作等所有功能項的控制；顯示設備實時顯示監(jiān)控區(qū)域圖像、系統(tǒng)操作界面和觀看錄像資料。常駐施工單位管理人員通過24 h對施工現(xiàn)場進行視頻監(jiān)控，全天候監(jiān)控掌握動態(tài)即時信息，便于對施工現(xiàn)場違規(guī)行為及時進行糾偏工作。同時工程監(jiān)控人員可以設置指定錄像時間，并通過回放器查詢錄像文件，進行回放。

3 結(jié)論

黃家灣水利樞紐工程混凝土面板堆石壩施工環(huán)節(jié)多、工期緊、施工質(zhì)量要求高，大壩建設過程控制尤為重要，針對黃家灣水利樞紐大壩施工質(zhì)量控制問題，建設一套黃家灣水利樞紐大壩碾壓過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，對黃家灣碾壓過程實時監(jiān)控系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)對黃家灣水利樞紐大壩建設質(zhì)量進行在線實時監(jiān)測和控制，有效控制工程施工質(zhì)量，有效提升黃家灣水利樞紐工程建設的管理水平，實現(xiàn)工程建設的智能化管理，保證了大壩樞紐的質(zhì)量，為建成后的運行管理提供數(shù)據(jù)信息平臺。