堆石壩碾壓監控系統的應用淺談

閆攀 李學斌

摘 要：近年來，抽水蓄能電站作為主要的儲能、調峰設施，迎來了高速發展。面板堆石壩作為抽水蓄能電站的主要壩型，具有高開挖、高填筑的施工特征，同時填筑質量要求嚴格，傳統的施工管理方法已不能滿足面板堆石壩填筑碾壓質量的要求，迫切需要新的動態質量管理方法。智慧碾壓監控系統以BIM平臺為基礎，融合移動網絡技術、物聯網技術、BDS北斗定位技術、大數據等技術，實現了面板堆石壩填筑碾壓施工過程的數字化監控，保障堆石壩填筑施工質量。

關鍵詞：面板堆石壩；填筑碾壓質量；數字化監控系統

中圖分類號：TV53+7 文獻標志碼：A

0 引 言

近來年，5G[1]、物聯網[2]、智慧工地[3]等新技術逐步應用在建筑工程領域，在項目管理、安全監管中發揮了重要作用。堤防碾壓施工中引用智慧碾壓[4]技術，發揮了很好的質量監管作用。5G、物聯網、智慧工地、智慧碾壓對堆石壩智慧碾壓施工具有借鑒意義。本文主要介紹智慧碾壓監控系統在堆石壩施工中的應用。

面板堆石壩屬于當地材料壩，以開挖料源作為壩體材料，主要填筑料為墊層料、過渡料、主堆石、次堆石等。通常先由小批次碾壓試驗確定壩料的填筑參數，以確定的碾壓參數作為大壩填筑施工的控制要素。由于堆石壩料源種類多、各料源碾壓參數（灑水量、碾壓機具、碾壓方式、行走遍數等）要求不同，碾壓質量較難控制，碾壓不均或碾壓質量不合格，將會導致堆石壩的不均勻沉降，影響后期面板質量及大壩整體穩定性。傳統的填筑碾壓通過碾壓試驗確定碾壓參數后，依靠人工操作機具控制灑水量、碾壓遍數、行走速度、激振力等參數，碾壓后通過試坑法等方式取樣檢測碾壓質量，具有一定的主觀性和不可控性，易產生相鄰作業面間漏碾、超碾、交叉及過壓等問題，無法全面、科學地保證填筑碾壓質量。某抽蓄電站利用BIM技術和數字化技術，建立面向工程建設過程的大數據中心，通過運料車定位監控、智慧精準加水稱量系統、碾壓設備監控和反饋指揮等，實現面板堆石壩工程填筑碾壓施工過程的智慧化，有效提升了壩體填筑施工的質量管控能力。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某抽水蓄能電站，屬一類大（1）型工程，上水庫正常蓄水位為267.0 m，相應庫容為1 702.7萬m3，主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程272.4 m，最大壩高182.3 m。壩頂長811.45 m，壩頂寬10.0 m，壩體上游壩面坡面比例為1∶1.7，下游地表高程240 m以上的坡比為1∶1.9，高程240 m以下的坡比為1∶1.8，下游壩坡每隔35 m設置1級寬3 m的馬道；庫盆是庫底的大平臺，庫盆邊坡按1∶1.7開挖成型，庫底平臺鋪設厚1.5 mm的HDPE土工膜，采用半掘半填的方式進行高程23 m平臺的防滲處理。

1.2 地質情況

上水庫為白云巖層，即觀音臺群，多為中厚層狀，致密堅硬，節理發育較好，巖體較完整，巖石抗風化能力較強，巖體風化程度較淺，地表多為白云巖、灰質白云巖、細晶白云巖、硅質灰巖，巖體較弱～微風化，風化程度較低，巖體閃長巖脈抗風化能力較差，受風化程度較深的巖體侵蝕強度更大。評定弱～微風化白云巖的類干極限抗壓強度為40～80 MPa，干密度為2.71～2.76 g/cm3，按《水電工程天然建筑材料勘察規程（NB/T 10235—2019）》石料質量要求為中硬巖，平均軟化系數為0.66～0.71，不易軟化。弱、微風化巖各項指標均符合規程技術要求，石質優良，可作為面板主堆石壩中的堆石料使用；泥質白云巖巖體力學性質強度不高，表層強風化巖抗壓強度為5～10 MPa，弱風化抗壓強度為25～40 MPa，可填筑壩體次堆石區；閃長型巖脈巖體為強～弱風化的巖體，物理力學性質較差，抗壓強度不高，可用于庫底回填。

2 工程特點及難點

上水庫大壩主要填筑物為墊層料、過渡料、主堆石料、次堆石料。其中堆石料為大壩主體結構，方量巨大，一般稱為大區料，墊層料、過渡料填筑水平寬度分別為2 m、3 m，又稱小區料。壩體填筑標準及施工參數見表1。

庫內開挖料作料源，不另設料場，具有料源巖性復雜、無備用料場、以填定挖、挖填需精準平衡的特點，并且填筑施工強度高、持續時間長，上庫填筑總工期約為49個月，填筑強度超過80萬m3/月的時間持續約16個月，其中月平均高峰填筑強度超過90萬m3/月的歷時8個月，填筑區域為高程210～234.8 m。

3 填筑碾壓質量數字化監控系統應用

3.1 系統結構

系統通過在碾壓壓路機上安裝北斗定位及振動采集裝置，實時接收北斗基準站差分信號進行精準定位，并將碾壓壓路機位置信息、振動狀態等數據實時通過4G網絡發送到施工監控中心系統服務器。系統結構部署見圖1。

3.2 系統功能

采用北斗 RTK 高精密度定位技術和智能傳感技術，實現現場碾壓路機施工過程數據采集，對施工過程軌跡進行跟蹤，對碾壓遍數、振動行走速度、激振力等關鍵指標進行實時計算，并對現場施工質量進行實時超標報警。根據碾壓試驗成果，通過系統設置各區填筑料碾壓參數，現場實時碾壓數據經北斗 RTK高精度定位技術傳導至系統，形成碾壓云圖，碾壓次數不足、漏碾的區域在云圖上高亮顯示。系統報警后，監測中心管理人員反饋至作業現場，作業現場人員按要求進行補充碾壓，直到碾壓合格。數字化監控流程見圖2。

3.3 系統方法

3.3.1 智慧加水系統

該系統采用射頻識別技術、智能界面技術，實現自動識別車輛、自動稱重、自動計算。按物料自重自動加水，實現全過程無人值守（見圖3）。

3.3.2 智慧碾壓系統

壓路機通過滾筒自重和重載軸承上的偏心重量塊，使振動輪產生強迫振動，形成對料源壓實的激振力，振動輪的振動頻率不是越大越好，而是由料源壓實的共振理論得出，當振動輪的振動頻率與被壓料源的固有頻率趨近時，壓實效果最好。具體方法如下：碾壓路機前端安裝了北斗移動接收站（見圖4）；振動輪側安裝振動頻率采集裝置（見圖5）；駕駛室安裝工業智能平板（見圖6）。工業智能平板采用觸摸屏，可以實時反映現場碾壓情況，駕駛員利用工業智能平板觀察運行單元碾壓情況，可視性強，避免因駕駛員操作不當而產生漏碾、過碾等現象，從而提升碾壓施工質量（見圖7）。

碾壓施工作業前，測量人員通過手持機進行碾壓區域單元實時建模，并將單元模型數據傳輸至監控中心服務器，監控中心管理人員把建好的單元模塊反饋到現場各碾壓壓路機的工業智能平板上，駕駛人員通過工業智能平板調出碾壓單元進行碾壓同步作業，碾壓路機數據同步共享，采集并傳輸相關實時數據（行走速度、碾壓遍數、激振力、碾壓軌跡等）到監控中心服務器，對同一區域、不同碾壓次數進行不同顏色的標注，管理人員在監控中心就可以實時監控碾壓質量是否達到要求，并及時反饋至作業現場（見圖8）。

4 應用分析

水利水電行業屬于勞力密集、作業人員多、勞動強度大的行業，駕駛員技術參差不齊，人為因素影響工程施工質量的情況時有發生。填筑碾壓質量數字化監控系統將行走速度、碾壓遍數、碾壓軌跡、碾壓質量過程控制指標中激振力狀態等作為監控指標，對碾壓路機進行實時監控。歷史單位碾壓工藝、碾壓次數、碾壓厚度等內容可上網查詢；系統自動發送報警信息，在監控中心終端上醒目提示碾壓路機行走速度、激振力等不符合要求的碾壓參數，并反饋給碾壓路機操作員及時調整，同時將信息寫入異常數據庫備查。該系統實現全天侯、實時、在線三大目標，在填筑和碾壓過程中有效避免漏壓、交叉或過壓等情況，同時生成作為單元驗收輔助材料的單元質量監控成果報告（包括碾壓軌跡、遍數、高程和壓實厚度），為填筑和碾壓質量控制提供依據。

通過壩體填筑數字化監控系統，所有填筑的數據均可記錄，所有單元工程的施工記錄也都有存儲，碾壓的智能化、標準化程度得到提升，實現了全過程的可控、可跟蹤。該系統目前應用于江蘇某抽水蓄能電站上庫大壩，運行狀態良好，實現了對現場施工質量的全方位、全過程控制，為大壩填筑質量提供了新的控制手段，是一次智慧大壩[5]施工的嘗試。但系統信號接收基站在實際施工中易受外界電磁波干擾以及現場地形地貌或大風陰雨等惡劣天氣因素的影響，穩定性問題較為突出，導致無法及時采集數據，無法同步共享多臺壓路機數據，僅靠碾壓壓路機獨自操作，各自存儲數據，影響數據的完整性和可靠性。

5 結束語

大壩填筑碾壓質量數字化監控系統以BIM平臺為基礎，集移動網絡技術、物聯網技術、BDS北斗定位技術、大數據等技術于一體，是水利水電施工行業與“互聯網+”跨界融合的應用案例。該系統通過數字化監控系統平臺，使壩體填筑施工質量得到有效提升，為工程提供了“標準化、數字化”的壩體填筑施工技術手段。加速了我國抽蓄電站大壩施工的數字化、智慧化。

下一步，還需要進一步完善填筑碾壓質量數字化監控系統，優化和提升信號接收基站的穩定性，比如當信號受到干擾時，單臺碾壓壓路機操作的數據在信號恢復順暢后可反饋同步共享等，以便更好地應用于面板堆石壩填筑碾壓的施工實踐。

參考文獻：

[1]朱玲紅，龍一玢，朱浩. 基于5G與大數據技術的物聯網智慧工地平臺初探[J]. 江西通信科技，2020（4）：26-29.

[2]張昊天.基于物聯網的智慧工地集成系統構建[J].數字通信世界，2020（12）：71-73.

[3]李潤，董列飛，王耀，等.基于"互聯網+智能化"的智慧工地管理系統研究[J].建筑技術開發，2018，45（22）：59-61.

[4]張炳初，曾章波.智慧碾壓在堤防填筑施工控制中的研究與應用[J].大壩與安全，2019（6）：38-41.

[5]鐘登華，王飛，吳斌平，等.從數字大壩到智慧大壩[J].水力發電學報，2015，34（10）：1-13.

Application of Monitoring System for the Rolling Compaction of Rockfill Dams

YAN Pan1，LI Xuebin2

（1.China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.CGN New Energy Tiandong Co.，Ltd.，Baise 533000，China）

Abstract：In recent years，as the main energy storage and peaking facilities，pumped storage power plants have witnessed rapid development. As the dominant dam type of pumped storage power plants，panel rockfill dams are featured with excavation and filling at high，demanding stringent quality control measures. Traditional construction management methods can hardly meet the requirements of filling and rolling compaction quality for panel rock fill dams，necessitating the adoption of innovative dynamic quality management methods. Based on the BIM platform，we integrate mobile network technology，Internet of Things technology，BDS Beidou positioning technology，big data and other technologies to realize the digital monitoring of the filling and rolling compaction process of panel rockfill dam，thereby ensuring the quality of rockfill dam filling construction.

Key words：panel rockfill dam；quality of filling and compaction；digital monitoring system

作者簡介：閆 攀，女，工程師，碩士，主要從事電力系統工作。E-mail：yan_pan2@ctg.com.cn

通信作者：李學斌，男，工程師，碩士，主要從事水利水電工程施工方法研究工作。E-mail：807941677@qq.com