黃家灣水利樞紐工程堆石壩填筑碾壓過程監控系統設計

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節多、工期緊、施工質量要求高，大壩建設過程控制尤為重要，確保大壩施工質量是本工程施工的重點和難點。隨著感知技術、網絡技術、計算機技術等信息技術及壩工技術的發展，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控是當前水電工程施工發展的一個趨勢，它有助于提高管理效率和質量，節省人工成本，有利于施工過程控制、質量管理、驗收結算等。因此，針對黃家灣水利樞紐大壩施工質量控制問題，建設一套黃家灣水利樞紐大壩碾壓過程實時監控系統具有重要意義。

1 工程概況

黃家灣水利樞紐工程位于貴州紫云縣，是以城鄉生活和工業供水、農業灌溉為主，發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(水平厚度4.0 m)、過渡區(水平厚度4.0 m)，過渡區后為大壩堆石區。在面板上游壩側1020.0 m高程以下設置粘土鋪蓋區，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，蓋重區頂部水平厚度3.5 m，上游側坡比為1∶2.5。

2 填筑碾壓過程監控系統設計

2.1 功能設計

2.1.1 碾壓機動態監控

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

2.1.2 質量控制指標預報警

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

2.1.3 報表輸出

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

2.1.4 在線監控與歷史查詢

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

2.2 監控系統設計

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

圖1 黃家灣面板堆石壩碾壓過程實時監控系統總體結構

2.2.1 差分基準站

GNSS差分基準站是整個監控系統的“位置標準”。使用RTK動態差分技術，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，滿足大壩碾壓質量控制的要求。

2.2.2 碾壓機械碾壓過程自動監測裝置

碾壓機械碾壓過程自動監測裝置包括有：衛星定位接收機、衛星天線、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據傳輸單元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口傳送至無線數據傳輸單元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、激振力狀態以及壓實度信息等監測數據，然后將觀測數據，上傳至中心數據庫。

2.2.3 監控中心設計

監控中心由服務器系統、數據庫系統、安全備份系統、現場監控應用系統等組成，以實現對系統數據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控工程施工質量，出現偏差，及時進行糾偏工作。由于施工現場環境惡劣，為確保作為整個監控系統核心的服務器系統的數據安全及穩定運行，將監控中心拆分為總控中心與現場分控站兩部分，鑒于用電保證方面考慮，將總控中心部署于施工營地，并在業主臨時營地和監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場，主要包括服務器系統、數據庫系統、通信系統、安全備份系統以及現場監控應用系統等，以實現對系統數據的有效管理和分析應用。為方便總控中心實時查看現場視屏監控和監測碾壓質量，需部署兩套大屏幕電腦。

(2)分控站設計

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

(3)監控系統執行流程

大壩標監理單位、大壩標施工單位均派出相應人員進駐現場分控站，由施工單位人員具體操作，監理單位人員監管。

圖3 黃家灣面板堆石壩碾壓過程實時監控系統控制過程

(4)視頻監控系統設計

視頻監控系統由工地現場的前端設備和傳輸設備、監控中心室設備三大部分組成。

①工地現場

工地現場布置視頻監控系統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，進行圖像和數據的采集及信號處理。同軸電纜和信號線為傳輸設備，將前端設備采集的音、視頻信號傳輸到監控中心。

②監控中心

由主控設備和顯示設備組成監控中心，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控區域圖像、系統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對施工現場進行視頻監控，全天候監控掌握動態即時信息，便于對施工現場違規行為及時進行糾偏工作。同時工程監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 結論

黃家灣水利樞紐工程混凝土面板堆石壩施工環節多、工期緊、施工質量要求高，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控系統，對黃家灣碾壓過程實時監控系統的建設，實現對黃家灣水利樞紐大壩建設質量進行在線實時監測和控制，有效控制工程施工質量，有效提升黃家灣水利樞紐工程建設的管理水平，實現工程建設的智能化管理，保證了大壩樞紐的質量，為建成后的運行管理提供數據信息平臺。