高寒地區瀝青混凝土心墻堆石壩數字化大壩研究與應用

摘 要：大壩的填筑碾壓施工質量是大壩施工質量控制的重要環節，直接關系到大壩的安全運行。而堆石壩的施工質量，主要與填筑料的級配和填筑壓實有關。在大壩的施工中，有效地控制填筑料的級配和填筑密實度是保證大壩施工質量的關鍵。建立數字化大壩填筑施工質量過程監控系統，對壩料的填筑進行全過程的實時監控，對壩體填筑質量進行控制，實現對水庫工程大壩施工進行遠程、移動、高效、及時、便捷的管理與控制，實時指導施工，有效控制工程建設過程，提高管理水平與效率。

關鍵詞：瀝青混凝土心墻堆石壩；數字化大壩；質量控制

中圖分類號：TV641" " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）03-0023-03

1 工程概況

某抽水蓄能電站上水庫及下水庫擋水建筑物均采用瀝青混凝土心墻堆石壩。其中，下水庫瀝青心墻堆石壩壩頂高程720.0 m，壩體總長410.0 m，最大壩高69 m（EL651.0～EL720m），心墻最大高度為66 m（EL653.0～EL719m），其中基礎擴大接頭高1.5 m。

壩體結構自上而下依次為：水平寬3 m拋石護坡、層厚0.5 m碎石墊層、堆石Ⅰ區、水平寬2 m上游過渡層、瀝青心墻（0.8～0.5 m）、水平寬3 m下游過渡層、堆石Ⅰ區、0.3 m厚干砌石護坡、壩基排水層（基礎面高4 m）、壩體排水棱體等。

2 系統介紹

該抽水蓄能電站數字化大壩信息服務平臺共分為3大系統，包括大壩填筑碾壓質量實時監控系統系統、瀝青心墻堆石壩施工過程管理平臺和瀝青心墻堆石壩施工過程管理平臺易采通。

2.1 大壩填筑碾壓質量實時監控系統

大壩填筑碾壓質量實時監控系統共分為3組，包括系統管理、項目監控、項目管理。系統管理主要包括用戶管理、用戶組管理、織組結構、系統日志4個模塊。項目監控主要包括項目概況、質量報告、壓實回放、報警信息4個模塊。項目管理包括項目設置、報警設置、層級設置、工作區管理、工藝管理、設備管理6個模塊。

2.1.1 系統管理

該組模塊主要作用如下：創建一個新的用戶且為其分配所屬的用戶組和相應權限，或者對已存在的賬戶進行權限修改等；為區分項目內不同施工階段或施工區域而進行劃分；對系統登錄用戶在系統做的一系列操作進行記錄，對系統整體運行過程中每個操作記錄管理，并支持按照日期進行查詢。

2.1.2 項目監控

該組模塊主要功能包括以下3點：①實時展示當前作業區的質量圖示，點擊相應的區域即可跳轉到相應區域的壓實質量圖。其中可以查看到相應區域的瀝青混凝土攤鋪量、壓實遍數、壓實度等，主要以壓實速度、壓實軌跡、壓實遍數來綜合評定壓實質量，通過和對應圖例比較，來更加直觀的查看施工質量，根據相應采集數據形成紙質版壓實質量報告。并可以通過下拉菜單選擇要查看的倉位及層級、查看的時間范圍等。②對已經完成的壓實工藝過程進行回放，使用戶能夠清晰的看出壓實施工中實際的施工情況。并且可以通過選擇壓實層級、壓實倉位等來進行指定查看，通過速度控制來控制回放速度。③對施工過程中采集到的數據和標準數據進行對比后，對超標的數據進行報警，及時通知過程中及時進行整改，從源頭上杜絕質量問題[1]。

2.1.3 項目管理

其功能是整個系統中所有靜態數據進行維護，如施工工藝標準設置、施工設備管理調度、報警信息設置、工程設置等。其主要功能包括：①根據測量數據對每一層進行設置層數及范圍，更加精確控制現場實際地形、地貌，對并每一層實行關倉管理。②對現場不合分項工程進行標準化工藝設置，與現場實際施工情況及時進行比對，如出現不合格項及時報警通知[2]。③對碾壓機或施工機械設備的工作安排調度進行設置。

2.2 瀝青心墻堆石壩施工過程管理平臺

瀝青心墻堆石壩施工過程管理平臺又稱工程可視化全壽命管理系統，是以工程三維模型為載體，解決設計、建造、運營管理一體化同步的過程，是基于BIM技術的全過程管控系統。將現場施工情況、施工照片、質量驗評結果、開工單元工程以圖表的形式直觀的呈現出來，使用戶快速了解近期施工的整體情況[3]。

本系統主要涵蓋以下3點內容：①參建方各單位各部門的工作通過工程可視化全壽命管理系統平臺的銜接，形成一個互相連接、互動的信息系統，在可視化平臺上進行施工進度控制、質量控制和安全管控。②基于物聯網技術，融合集成視頻監控和專業的混凝土溫控、灌漿監控、其他專業質量控制系統，形成虛實結合的可視化全壽命管控系統。③實時監控工程質量管理現狀，加強過程管控，并建立一套以三維模型為載體、以原始資料為基礎的控制管理體系，并移交于項目運營管理階段[3]。

2.3 瀝青心墻堆石壩施工過程管理平臺

該系統主要為過程管理平臺輔助系統，手機安裝易采通App，現場施工管理人員通過局域網，可以將手機上過程控制照片及相關數據上傳同步至系統內，為工程建設過程中掌握第一手質量資料。

3 瀝青心墻堆石壩施工過程質量管理

通過該系統的應用，在施工過程中對瀝青混凝土心墻堆石壩的質量進行實時數據采集及分析。系統對存在質量隱患或缺陷的部位報警，以便業主、監理、施工單位能夠及時進行處理，重點表現在如下6個方面。

3.1 原材料控制

瀝青混凝土原材包括瀝青、粗骨料、細骨料、礦粉組成，瀝青的出廠合格證和檢驗報告、骨料的檢驗報告。如果與系統預先設定的參數不一致時，系統發出警報，業主監理及施工方可以及時進行糾偏，確保源頭上的工程質量。

3.2 瀝青混合料生產控制

瀝青混合料出場后運輸至現場，由現場質量人員經手機App上傳供料單，由系統自行檢測配合比，若與預先設定的設計配合比相差較大，系統會報警提醒現場質量人員，避免不合格混合料攤鋪在現場。

3.3 瀝青混合料攤鋪控制

瀝青混合料在現場進行攤鋪時，現場施工管理人員通過局域網可以將過程控制照片及相關數據上傳同步至系統內，輸入攤鋪溫度、初壓溫度、復壓溫度和終壓溫度和相關照片，由系統判別輸入溫度是否合適。同時在碾壓層數、碾壓遍數、壓實度等參數上實施同步數據，使相關管理人員第一時間可以進行查看，不合適的部位由系統報警告知所有人員，以便現場及時進行處理。

3.4 瀝青混合料測量數據控制

由測量人員將攤鋪前、攤鋪后的邊線、高程等數據及時上報質量人員，由質量人員根據系統提示輸入相關參數。由系統自動進行判別，同時該數據的采集結合壓實遍數經系統匯總分析，得出最優的松鋪系數、壓實遍數等參數，以進一步指導現場施工，提高施工效率。

3.5 瀝青混合料試驗檢測數據控制

為控制瀝青混凝土的施工質量，應按照以下環節進行檢測：①瀝青混凝土施工溫度檢測：出廠溫度每車至少一次，攤鋪溫度和碾壓溫度可隨時檢測。②瀝青混凝土骨料檢測：級配檢測2次以上。③瀝青混凝土瀝青含量檢測：通過抽提試驗檢測至少2次以上。④瀝青混凝土的馬歇爾各項技術指標檢測（包括穩定度、流值、孔隙率），2次以上。⑤瀝青混凝土碾壓過程中，應隨時進行外觀檢測，要求混合料均勻無離析、無花白料和油團，碾壓完成后無明顯輪跡、推擠、裂縫、油包、油汀等。⑥平整度檢測：采用3 m直尺隨時對接縫處進行檢測，滿足相關規范要求。⑦攤鋪現場10 m/個斷面檢測3個點的標高是否滿足設計高程，攤鋪現場每10 m用測釬檢測瀝青混凝土的松鋪厚度。

要保證試驗數據的真實性和方法的準確性，試驗檢測儀器必須定期由專業公司進行標定，檢測試塊必須從施工現場直接取樣。通過試塊進行馬歇爾試驗和抽提篩分試驗，來檢測混凝土的油石比、礦料級配和其他相關物理性能。試驗資料必須按規范要求填寫，內容齊全、完整，同時將試驗數據及時上傳至系統，由使用人隨時進行查閱。

3.6 瀝青混合料壓實度控制

瀝青混合料壓實質量控制的重點對碾壓工藝進行過程控制，適度鉆孔抽檢壓實度，取芯后的芯洞用混合料回填并夯實。壓實度的評定以取的芯樣為準，計算壓實度和空隙率的標準密度和最大理論密度采用當天的馬歇爾試件密度，且標準密度和最大理論密度與設計配合比的密度偏差必須＜1%。需注意的是，采用當天的馬歇爾試件密度作為標準密度時，要求現場碾壓溫度要與試件成型的溫度一致。取芯試件要貼上標簽并編號保存，以備工程后續檢查驗收時使用。

4 階段性成果

階段性成果具體包括以下5點：①實現對上、下水庫大壩填筑施工質量（碾壓車輛激振力、碾壓軌跡、碾壓遍數等）在線實時監控，并形成統計報表。②實時自動計算和統計施工單元的碾壓遍數、壓實厚度等，并在大壩施工數字地圖上可視化顯示，同時可供在線查詢。③當碾壓機械運行超速、以及激振力、碾壓遍數和壓實厚度不達標時，系統自動給司機、現場施工人員發送報警信息，提示不達標的詳細內容以及所在空間位置等，并在現場分控站PC監控終端上醒目提示，以便及時指示返工或調整，同時把該報警信息寫入異常數據庫被查。④在每個施工單元施工結束后，輸出碾壓質量圖形報表，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，作為質量驗收的輔助材料。⑤實時更新BIM模型，將碾壓成果與模型關聯，實現碾壓成果三維化，通過橫斷面、縱斷面視圖顯示每層的碾壓成果。

5 安全環保措施

具體有以下10點：①施工現場安全設施及各種限制裝置需齊全、有效，不得擅自移動。②工人上崗前必須通過公司、項目部、班組的三級安全教育。③對機動車輛駕駛等特種作業人員，必須經有關部門進行安全技術培訓考核，取得操作證后，方可獨立操作；特種作業人員的培訓工作由安全部組織并進行考試。項目部綜合辦公室負責管理，并建立培訓檔案。④班前安全教育需要由班組長應針對當班的工作情況，結合當天氣候和環境條件對本班員工從事的工作內容進行相關安全教育。⑤瀝青操作人員進場前需進行體檢，凡患有肺炎、皮膚病或對瀝青氣味過敏反應者，禁止從事瀝青混凝土作業。⑥施工機械要視野開闊，不能有礙工作的障礙物。在施工過程中無關人員不得在駕駛室內停留，同時駕駛員不得擅自離崗。⑦壓路機駕駛員在施工過程中，始終注意壓路機的碾壓速度和遍數，并遵照現場施工員規定的壓實工藝進行碾壓。⑧嚴禁對工作中的機械設備進行維修和保養。⑨定期組織管理人員對現場設備和車輛安全大檢查，對檢查中查出的安全問題，按照“三不放過”原則進行調查處置，制定應急預案，防止機械事故的發生。⑩施工現場堅持做到工完料清場地清，施工現場和生活區的垃圾、雜物集中堆放整齊，并及時進行處理；施工廢水嚴格按照有關要求經處理后用于現場降水除塵或其他方面；禁止將機械產生的油污水直接排放。

6 推廣應用前景

本項研究通過對數字化大壩和視頻監控兩個系統的研究，將兩個系統有機結合起來進行，綜合運用工程技術、網絡信息、數據傳感技術（物聯網）、北斗/GPS衛星定位技術、手持式數據采集技術、數據庫技術等多方面技術，建立“抽水蓄能電站數字化大壩管理系統”，通過在線實時監控碾壓機械的碾壓軌跡、碾壓遍數、碾壓速度、振動碾激振力等控制性指標，建立質量動態實時控制及預警機制，使大壩填筑施工過程始終處于系統的監控狀態，實現施工在線實時監測和反饋控制，同時與BIM技術進行有機結合，建立三維模型實現后臺VR體驗面板堆石壩、計算面板堆石壩各填筑料工程量等創新應用，為下一步面板混凝土施工研究做準備。

同時積極與業主單位溝通引進無人振動碾等新設備，保證大壩填筑的施工質量和施工效率。對碾壓參數進行綜合分析，為水電站面板堆石壩施工、運行與工程建設管理等提供全面、快捷、準確的信息服務和決策支持，實現項目精細化管理，提高工程建設管理水平及信息化程度。

7 結語

本文主要闡述了該抽水蓄能電站建立數字化大壩填筑施工質量過程監控系統，對下水庫大壩的填筑全過程進行實時監控，通過對壩體填筑質量管理數據進行實施分析，以實現對下水庫大壩工程施工進行及時、便捷、遠程、移動、高效的管理與控制，實時指導施工，有效控制工程建設周期，提高管理水平與施工效率。在大壩施工過程中應用“互聯網+”技術，實現互聯網在生產要素配置中的優化和集成作用，提升整體的施工質量和施工效率。

參考文獻

[1] 鄧俊曄，胡繼峰，黃國良，等.數字化技術在碾壓式土石壩施工應用的功能分析[J].水利水電技術，2016，47（S1）：10-14+19.

[2] 孫國興，韓興，張鵬，等.數字化監控系統在長河壩大壩填筑施工中的應用[C]//.高壩建設與運行管理的技術進展：中國大壩協會2014學術年會論文集.，2014：671-677.

[3] 周虹，陳丹妮.新發展格局下全國學會數字化轉型初探：以中國大壩工程學會為例[J].今日科苑，2021（2）：8-15.