蘇洼龍水電站瀝青混凝土心墻堆石壩精益化管理系統與應用

羅 宗 偉， 唐 茂 剛， 唐 明 武， 陳 達， 崔 博， 任 炳 昱

(1. 華電金沙江上游水電開發有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610041；2. 天津大學，天津 南開 300072)

0 引 言

目前，水利水電工程施工實時控制技術取得了快速發展，鐘登華提出了適用于工程環境的數字大壩網絡與實時控制集成技術[1]，為水電工程施工數字化信息管理提供了技術路線，該技術成果研發并應用在糯扎渡水電站[2]、梨園水電站[3]、長河壩水電站[4]、溧陽抽水蓄能電站[5]、豐滿水電站[6]等眾多大型工程中，取得了施工管理與控制的成功，并且隨著智能技術、3S技術(地理信息系統GIS、全球衛星導航系統GNSS和遙感RS技術)海量數據庫管理技術等的發展，數字大壩不斷朝著智慧大壩演化，實現智能化大壩建設與運行管理。阿爾塔什水利樞紐的智能化監控促進了施工精細化管理；黃登大壩在全面數字化管理系統開發等方面進行了深入研究，解決了一系列關鍵技術問題，取得了優質的建設成果；大古水電站基于BIM、大數據、物聯網和云計算等前沿技術，提出了“1+1+N”的大型水電站工程數字化建設管理模式，簡化了大古水電站建設期的工程數據管理難度，解決了傳統管理模式下的“數據孤島”問題，實現了工程建設的精細化管理。當前智能大壩技術已經在眾多水電工程中應用。然而當前針對瀝青混凝土心墻壩建設過程全方位智能管控研究，特別是針對瀝青混凝土施工質量管控的研究還較少。

蘇洼龍水電站總裝機容量1 200 MW，為一等大(1)型工程。作為大型水利水電工程，蘇洼龍水電站瀝青混凝土心墻堆石壩地處高海拔地區，建設規模大，施工條件復雜，涉及影響因素眾多。如何實現瀝青混凝土心墻壩建設過程中遠程、移動、高效、及時、便捷的工程管理與控制，是事關工程建設能否按期、安全、高質量完成的關鍵性技術問題。本研究以瀝青混凝土心墻壩施工過程全方位受控為目標，進行了精益化管理體系研究，為確保工程建設質量與運行安全提供了重要保障。

1 瀝青混凝土心墻堆石壩精益化管理體系

蘇洼龍瀝青混凝土心墻堆石壩精益化管理是以高精度衛星定位技術、傳感器技術、射頻識別技術、北斗定位與短報文技術、無線通訊技術等為基礎，并基于人工智能技術、BIM技術、GIS技術等，通過蘇洼龍瀝青混凝土心墻堆石壩建設過程進行智能監控與精益化管理，為提升蘇洼龍瀝青混凝土心墻堆石壩建設管理水平提供重要支撐。

1.1 精益化施工管理的實現方法

蘇洼龍施工精益化管理系統基于數據中心平臺，通過對關鍵施工工序如裝卸料、運輸、填筑碾壓及瀝青混凝土攤鋪的施工信息的采集、傳輸、存儲，為施工精益化管理系統提供信息支持，利用圖形可視化技術、網絡技術等，指導施工現場。

1.1.1 數據源層

通過各種傳感器和設備采集的實時數據，以及各監控系統采集應用的基礎數據和分析數據以及三維可視化模型數據構成了數據源層，各類施工信息構成了數據中心平臺建設的核心業務對象。

1.1.2 數據中心層

針對蘇洼龍施工質量與進度管理實際，按照不同系統模塊來劃分數據內容主要有：

(1)車輛跟蹤管理系統；

(2)壩料運輸及使用跟蹤系統；

(3)大壩填筑碾壓質量實時監控系統；

(4)瀝青混凝土溫控管理系統。

1.1.3 數據管理層

構建數據管理平臺是為了能夠統一集中應用和管理數據，也是數據中心管理平臺建設的重點。數據管理層包含系統日志管理、數據接口管理、安全管理、用戶權限管理、模型數據管理、元數據庫管理系統。

1.1.4 前端應用層

基于數據應用與分析的需要，開發了相關業務系統，系統應用以數據中心提供的各種數據信息為支撐，并支持跨平臺多終端信息集成，滿足工程管理人員隨時隨地進行信息查詢與可視化分析的需要。

1.2 精益化管理系統功能

1.2.1 大壩填筑碾壓質量實時監控與分析系統

(1)實時動態監測碾壓機械運行軌跡，自動監測記錄碾壓機械在壩面上的碾壓遍數、行駛速度及振動狀態，并在壩面施工數字地圖上可視化顯示；

(2)動態監測大壩各區各層填筑料的壓實厚度；

(3)當填筑過程中的鋪層厚度超過規定、或有漏碾、超速、激振力不達標時，能夠自動醒目地提示施工管理人員和質量監理人員。

1.2.2 瀝青混凝土溫控管理系統

(1)攤鋪溫控系統實時采集瀝青混凝土入模溫度、心墻老面加熱狀態、溫度報警信息等；

(2)倉面施工小氣候監測系統實時采集大壩施工現場小范圍內的溫度、濕度、風速信息；

(3)根據實時瀝青混凝土溫度和環境數據，當填筑過程出現溫度不達標的情況時，能夠自動醒目地提示施工管理人員和質量監理人員，以便及時指示返工或調整。

1.2.3 土石方調配及車輛跟蹤管理信息系統

(1)基于蘇洼龍水電站大壩施工過程料場開采、上壩運輸及壩面碾壓等實時監控信息，及時匯總統計現場實際的運輸、堆存、填筑情況，動態更新土石方調配規劃模型，定期進行土石方動態平衡和調配仿真計算；

(2)通過仿真計算成果，將設計單位提供的土石方調配方案、模型仿真計算方案與實際施工過程的土石方調配成果進行對比分析和方案論證，實現土石方動態平衡規劃與優化；

(3)堆石料運輸及使用跟蹤系統實時跟蹤運輸車輛的空滿載狀態、速度、調配路徑、裝卸料信息等，以及超速、卸料錯誤、偏離軌道等實時報警信息；

(4)實時監控土石方運輸車輛的加水狀態以及水未加滿的報警信息。

1.2.4 數字化綜合信息管理平臺

(1)將大壩施工建設過程中各類施工質量信息、進度信息進行動態采集與數字化處理，構建蘇洼龍水電站大壩綜合數字化信息平臺和三維虛擬模型，將空間信息以三維形式直觀表現出來；

(2)實現各類工程信息的集成化、可視化管理，包括施工場景、施工總布置、樞紐布置三維可視化展示，施工仿真進度與進度可視化查詢與展示，土石方調配信息、壩料運輸信息、瀝青混凝土溫控信息以及壩面填筑施工質量信息的集成分析、交互式查詢、關鍵指標評價等功能；

(3)在各環節實時監控過程中建立各環節分級預警模型和機制，并結合工程實際提出相應的處理措施及建議，供工程管理者進行決策。按照大壩施工質量和進度信息實現動態更新與維護，為工程整個生命周期的工程決策與管理、安全鑒定和大壩運行期安全評價等提供全方位的信息支撐與分析。

2 瀝青混凝土心墻堆石壩精益化管理系統應用

精益化施工管理系統整合了碾壓監控系統、溫控系統、壩料運輸與車輛跟蹤管理系統以及數字化綜合信息管理平臺等各個模塊，將大壩施工建設過程中各類施工質量信息、進度信息進行動態采集與數字化處理，實現了各類工程信息的集成化、可視化管理，在實時監控過程中建立各環節預警模型和機制，供工程管理者進行決策。

2.1 精益化施工管理質量控制應用

2.1.1 各倉面碾壓質量控制

自2018年1月1日至2021年5月18日，大壩填筑碾壓質量實時監控與分析系統共監控大壩施工倉面1 560個，各分區倉面碾壓遍數達標率統計詳見圖1，深色區域表示各倉面碾壓遍數達標率平均值，淺色區域表示各倉面碾壓遍數達標率最大值。從碾壓成果分析，倉面整體碾壓遍數達到控制標準，全程監控各倉碾壓質量總體處于受控狀態。

圖1 各區倉面碾壓遍數達標率統計

通過填筑碾壓質量圖形報告，管理人員可方便直觀把握倉面整體碾壓質量。

精益化管理系統對大壩主體填筑進行了全過程監控。堆石區和粗過渡料區有效監控倉面達到95%以上，心墻區和細過渡料區有效監控倉面達到90%以上，滿足碾壓遍數面積比率均符合設計要求，各倉面碾壓遍數達標率達到控制標準(90%)，針對過程中系統反饋的漏碾情況，現場監控人員能夠及時指導碾壓機駕駛員進行補碾，保證碾壓遍數達標率符合控制標準，保證了大壩填筑碾壓施工質量。

2.1.2 瀝青混凝土攤鋪溫控

自瀝青混凝土心墻施工填筑至2021年5月8日，瀝青混凝土攤鋪溫控系統共監控314倉心墻施工倉面，瀝青混凝土入模心墻溫控達標率統計見圖2。從溫控成果分析，心墻倉面整體溫控達到控制標準，各倉溫控處于受控狀態。

圖2 瀝青混凝土入模心墻溫控達標率統計

在瀝青混凝土溫控管理系統的研究框架下，倉面施工小氣候自動監測系統采用部署在施工現場相對固定位置的可移動式小型氣象站，進行施工環境在線監測。小氣候測量參數包括溫度、濕度、風向、風速參數，通過自主通訊網絡將實時采集現場小氣候數據存入數據庫，并在綜合管理平臺進行展示服務。

自瀝青混凝土心墻開始施工至2021年5月8日運行期間，倉面施工小氣候自動監測系統對心墻攤鋪進行了全過程的溫度監控，共監控心墻施工倉面320倉。針對施工過程中系統反饋的溫度不達標情況，監控人員能夠及時指導現場進行瀝青混凝土加熱，保證了心墻攤鋪質量。

2.1.3 壩料運輸與車輛跟蹤管理

壩料運輸管理系統實現了對車輛報警信息、車輛調度指令信息、運輸量的交互式查詢、統計分析與評價，并根據運輸量對實際加水量進行控制，將監控數據傳輸到數據庫統計分析。

車輛跟蹤管理系統能夠對所在車隊的任一運輸車輛的編碼信息、空滿載狀態信息、運輸軌跡信息、裝卸料信息進行實時全過程監控，如果發生意外情況，總控中心會及時報警并記錄，提醒現場監控人員對不當運輸行為及時糾正；自動加水系統根據該車運輸量進行定量加水，加水量不足會報警提示，實現按車按量精細監控。

2.2 精益化施工管理進度控制應用

2.2.1 可視化仿真技術應用

施工總布置數字化信息系統采用可視化仿真技術，構建蘇洼龍水電站樞紐三維交互場景，實現場景漫游，為觀察大壩細部設計和樞紐布置提供逼真的交互式平臺。

2.2.2 智能管控系統實時分析

施工進度智能管控系統建立了大壩施工過程可視化仿真模型，能夠對大壩施工任意時刻形象進度、施工強度等進行智能管控系統實時分析(圖3)。大壩主體施工填筑運行期間，施工進度智能管控系統對大壩各分區進行了施工進度監控，實際施工進度與計劃進度一致性較高，保證施工填筑進度。

(a)選定月份分區填筑高程與方量對比圖

2.2.3 土石方動態調配

土石方調配數字化信息系統基于土石方調配模型進行方案仿真計算，基于實時監控信息定期更新土石方多源多料調配優化模型，仿真計算每一階段的土石方調配成果，列出成果表和繪制成果圖，對設計方案進行合理性和可實施性論證，實現土石方動態平衡規劃與優化。

基于動態更新土石方調配規劃模型，數字化綜合信息管理平臺實時統計現場實際的運輸、堆存、填筑情況，定期(每月)進行一次土石方動態平衡和調配仿真計算，實現施工過程中的土石方動態調配。

2.2.4 砂石成品料運輸管理系統

砂石成品料運輸管理系統在砂石成品料倉的磅秤處設置車輛識別裝置，完成數據同步接口開發，對每車的運輸量進行統計，匯總出大壩填筑期內各家施工單位不同砂石料的生產量與消耗量，并定期(每月)匯總成果。

3 結 語

(1)精益化施工管理系統在質量控制層面對壩面填筑質量、瀝青混凝土溫度控制和土石料及砂石成品料運輸進行全過程的實時監控，減少了施工質量監控中的人為因素，提高了施工過程的質量監控水平和效率，實現建設各方對工程建設質量的深度參與和精細化管理。

(2)精益化施工管理系統在進度控制層面，采用土石方動態調配仿真計算、統計壩料運輸量以及進度智能管控，定期更新調整施工進度計劃，實現了土石方動態平衡規劃與優化，對蘇洼龍水電站工程進行高效、及時、便捷的精益化管理與控制。

(3)通過精益化施工管理系統的自動化監控，實現了蘇洼龍大壩工程建設的創新化管理，為打造優質精品工程提供強有力的技術保障。應用結果表明，蘇洼龍大壩施工質量始終處于受控狀態。