高心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

崔 博，胡連興，劉東海

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

1 前言

隨著我國(guó)水利水電工程建設(shè)的發(fā)展，土石壩開始向300 m級(jí)高度研發(fā)和建設(shè)［1］。土石壩施工規(guī)模的提高為壩體安全性帶來(lái)了新的考驗(yàn)，對(duì)大壩建設(shè)管理特別是施工質(zhì)量控制提出了更高層次的要求。

心墻堆石壩是土石壩的主要壩型之一。大壩填筑，尤其是防滲體的施工質(zhì)量，是心墻堆石壩施工質(zhì)量控制的主要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到大壩的運(yùn)行安全，而壩體填筑施工質(zhì)量，主要與料源質(zhì)量和施工參數(shù)有關(guān)，因此在心墻堆石壩的施工中，有效地控制料源質(zhì)量和施工參數(shù)是保證大壩填筑施工質(zhì)量的關(guān)鍵。在國(guó)內(nèi)心墻堆石壩施工管理中，通常采用采樣試驗(yàn)的方法來(lái)控制料源質(zhì)量和填筑質(zhì)量，依靠人工巡檢的方式控制施工參數(shù)［2～4］。有限的試驗(yàn)不能完全反映施工質(zhì)量，而人工控制施工參數(shù)在客觀性與精度方面均有欠缺。同時(shí)，人工控制方式與大規(guī)模機(jī)械化施工不相適應(yīng)，也很難達(dá)到水電工程建設(shè)管理創(chuàng)新水平的高要求。因此，有必要研究開發(fā)一種具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、自動(dòng)化、高精度等特點(diǎn)的大壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)大壩填筑施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)控，使大壩施工質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)。

應(yīng)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)進(jìn)行分析，心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可分解為兩個(gè)緊密聯(lián)系的子系統(tǒng)［5］:大壩填筑碾壓過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和上壩運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，分別對(duì)填筑碾壓過程與上壩運(yùn)輸過程進(jìn)行監(jiān)控。在土石碾壓過程監(jiān)控方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究。國(guó)外研究主要集中于道路施工領(lǐng)域［6～8］，對(duì)路基土石方碾壓過程進(jìn)行監(jiān)控與指導(dǎo)，以控制路基碾壓的密實(shí)程度。國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來(lái)將GPS(global positioning system)技術(shù)應(yīng)用到大壩碾壓參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控中［9～11］，為大壩填筑質(zhì)量控制提供了新手段。其中，在水布埡面板堆石壩施工中得到應(yīng)用的大壩填筑碾壓質(zhì)量GPS監(jiān)控系統(tǒng)是土石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控的一個(gè)具體應(yīng)用。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)碾壓速度、碾壓遍數(shù)、鋪料厚度這三項(xiàng)碾壓參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，但沒有涉及另外一個(gè)碾壓參數(shù)——碾壓機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)，也沒有對(duì)壩料運(yùn)輸過程進(jìn)行監(jiān)控。

文章針對(duì)高心墻堆石壩填筑施工特點(diǎn)，研制開發(fā)心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土石料上壩運(yùn)輸過程、壩面填筑碾壓過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用。

2 監(jiān)控指標(biāo)

以大壩施工工藝參數(shù)作為施工過程監(jiān)控指標(biāo):在上壩運(yùn)輸階段，監(jiān)控指標(biāo)為各上壩道路行車密度、加水量以及卸料點(diǎn)料源與分區(qū)匹配情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)到車流量過大、加水不足、卸料地點(diǎn)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)管理人員進(jìn)行處理，并統(tǒng)計(jì)各種壩料上壩強(qiáng)度;在壩面碾壓階段，監(jiān)控指標(biāo)為各項(xiàng)碾壓參數(shù)(碾壓機(jī)行駛速度、激振力、碾壓遍數(shù)、填筑層厚度)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到碾壓機(jī)過速、激振力不達(dá)標(biāo)、漏碾或超碾、填筑層過厚等情況時(shí)，及時(shí)提醒現(xiàn)場(chǎng)管理人員進(jìn)行處理，使大壩碾壓過程始終處于受控狀態(tài)。

心墻堆石壩填筑施工過程監(jiān)控指標(biāo)體系見圖1。

圖1 心墻堆石壩填筑施工過程監(jiān)控指標(biāo)體系Fig．1 Targets architecture of high core rock-fill dam filling construction process monitoring

3 監(jiān)控方法

在上壩運(yùn)輸階段，通過安裝在自卸車上的空間定位設(shè)備與卸料監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)自卸車進(jìn)行時(shí)空定位與卸料動(dòng)作監(jiān)測(cè)，通過PDA(personal digital assistant，個(gè)人數(shù)字助理，即掌上電腦)實(shí)現(xiàn)車輛調(diào)度信息更新;在加水站安裝射頻讀卡器、加水閥自動(dòng)控制裝置，配合安裝在自卸車上的無(wú)線射頻卡進(jìn)行加水量監(jiān)測(cè)以及加水閥門的開合。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心。

在壩面碾壓階段，安裝于碾壓機(jī)上的監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)碾壓機(jī)進(jìn)行高精度空間定位以獲取碾壓機(jī)精確時(shí)空位置數(shù)據(jù)，激振力監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碾壓機(jī)振動(dòng)狀態(tài)，并將定位得到的三維空間位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)得到的振動(dòng)狀態(tài)信號(hào)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心;在各監(jiān)控點(diǎn)電腦上安裝監(jiān)控客戶端，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控中心獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各項(xiàng)碾壓參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算與圖形化顯示。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心統(tǒng)一管理。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控中心的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)分析判斷監(jiān)控指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)，通過短信向相關(guān)管理人員發(fā)送提醒信息，并配合使用監(jiān)控客戶端的圖形界面進(jìn)行不達(dá)標(biāo)事件的處理。

4 解決方案

心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)依托于幾個(gè)組成部分，包括碾壓機(jī)流動(dòng)站、定位基準(zhǔn)站、運(yùn)輸車流動(dòng)站、加水點(diǎn)控制站、總控中心、現(xiàn)場(chǎng)分控站、PDA調(diào)度模塊及通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

1)碾壓機(jī)流動(dòng)站。碾壓機(jī)流動(dòng)站包括安裝于碾壓機(jī)械上的GPS接收機(jī)、DTU(data transfer unit，數(shù)據(jù)傳輸單元)、激振力監(jiān)測(cè)設(shè)備。GPS接收機(jī)每秒對(duì)碾壓機(jī)械進(jìn)行空間三維定位，激振力監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)碾壓機(jī)振動(dòng)狀態(tài);兩種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總至DTU，通過無(wú)線通信數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至位于總控中心的系統(tǒng)服務(wù)器。

2)定位基準(zhǔn)站?；鶞?zhǔn)站是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“位置標(biāo)準(zhǔn)”，通過無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈，與流動(dòng)站GPS接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)差分處理，將碾壓機(jī)械GPS設(shè)備的測(cè)量精度提高到厘米級(jí)，從而滿足大壩填筑碾壓質(zhì)量控制的要求。

3)運(yùn)輸車流動(dòng)站。運(yùn)輸車流動(dòng)站包括安裝于自卸車上的GPS接收機(jī)、卸載操作設(shè)備、無(wú)線射頻卡及DTU。GPS接收機(jī)每分鐘對(duì)運(yùn)輸車進(jìn)行空間三維定位，卸載操作設(shè)備監(jiān)測(cè)卸料動(dòng)作，卸料時(shí)額外進(jìn)行車輛定位;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總至DTU，通過無(wú)線通信數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至位于總控中心的系統(tǒng)服務(wù)器。

4)加水點(diǎn)控制站。加水點(diǎn)控制站包括安裝于加水點(diǎn)的閥門控制器、射頻讀卡器、DTU設(shè)備。射頻讀卡器對(duì)進(jìn)入加水區(qū)域的運(yùn)輸車上安裝的無(wú)線射頻卡進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)車型換算出設(shè)計(jì)加水量，據(jù)此操作加水閥門。加水記錄由DTU通過無(wú)線通信鏈路發(fā)送至位于總控中心的系統(tǒng)服務(wù)器。

5)總控中心。總控中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，由多臺(tái)服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)管理?？偪刂行脑O(shè)置于建設(shè)營(yíng)地，可配置投影系統(tǒng)對(duì)施工過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．2 Structure of real-time monitoring system of high core rock-fill dam filling construction process

6)現(xiàn)場(chǎng)分控站。現(xiàn)場(chǎng)分控站設(shè)置于大壩施工作業(yè)面附近，配置監(jiān)控終端與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由監(jiān)理值守，應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行過程監(jiān)控與問題處理。一旦監(jiān)控指標(biāo)出現(xiàn)偏差，監(jiān)理人員可及時(shí)進(jìn)行糾偏工作。

7)PDA調(diào)度模塊。運(yùn)輸車現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度人員應(yīng)用已安裝車輛調(diào)度模塊的PDA及時(shí)更新運(yùn)輸計(jì)劃，包括運(yùn)輸車的始發(fā)料場(chǎng)、運(yùn)載的土石料的種類、目的卸料分區(qū)等，防止系統(tǒng)產(chǎn)生卸料地點(diǎn)判定錯(cuò)誤。

5 系統(tǒng)開發(fā)

心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用N層計(jì)算結(jié)構(gòu)。從邏輯角度看，系統(tǒng)分成客戶端、服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫(kù);從物理角度看，客戶端可以視用戶數(shù)從1到N進(jìn)行擴(kuò)充，以滿足多點(diǎn)監(jiān)控的要求。

系統(tǒng)工作模式采用C/S(client/server，客戶機(jī)/服務(wù)器)模式，從邏輯上劃分為三層:表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層。

第一層:表現(xiàn)層，即監(jiān)控客戶端，為用戶提供施工過程監(jiān)控界面，負(fù)責(zé)各項(xiàng)監(jiān)控成果的展示。

第二層:應(yīng)用層，包括通信與計(jì)算服務(wù)端，是實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能的邏輯實(shí)體，是系統(tǒng)的核心部分。它一方面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信，一方面負(fù)責(zé)接收來(lái)自表現(xiàn)層的功能請(qǐng)求、完成相應(yīng)計(jì)算分析之后進(jìn)行反饋。

第三層:數(shù)據(jù)層，存放并管理各種信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)源的訪問，也是系統(tǒng)訪問其他數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一接口。

系統(tǒng)工作模式見圖3。

圖3 心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工作模式Fig．3 Operation mode of real-time monitoring system of high core rock-fill dam filling construction process

6 工程應(yīng)用

糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段梯級(jí)規(guī)劃“二庫(kù)八級(jí)”電站的第五級(jí)，其攔河大壩為直粘土心墻堆石壩，最大壩高為261．5 m，是亞洲第一高堆石壩，世界第三高心墻堆石壩。

工程建設(shè)管理局牽頭并協(xié)調(diào)，大壩標(biāo)監(jiān)理單位具體操作，大壩標(biāo)施工單位緊密配合，天津大學(xué)負(fù)責(zé)系統(tǒng)研發(fā)與維護(hù)，參建各方共同推動(dòng)糯扎渡高心墻堆石壩填筑施工過程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)地應(yīng)用。以施工單元為監(jiān)控單元、以現(xiàn)場(chǎng)分控站為主要監(jiān)控操作地點(diǎn)、以現(xiàn)場(chǎng)施工管控人員為系統(tǒng)反饋信息接收方，構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)參與方執(zhí)行流程，見圖4。系統(tǒng)研發(fā)單位與大壩標(biāo)監(jiān)理單位聯(lián)合出具監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行周報(bào)，匯報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行情況、施工過程監(jiān)控成果、監(jiān)控報(bào)警匯總及處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的資料閉合。此外，管理局制定監(jiān)控系統(tǒng)配合費(fèi)考核支付管理辦法、監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備管理辦法、監(jiān)控系統(tǒng)反映問題的整改閉合辦法等規(guī)章制度，并將監(jiān)控報(bào)告納入單元驗(yàn)收環(huán)節(jié)，為監(jiān)控系統(tǒng)切實(shí)、充分、順利、有效地運(yùn)行提供了保障。

圖4 糯扎渡心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行流程Fig．4 Work flow of real-time monitoring system of Nuozhadu core rock-fill dam filling construction process

糯扎渡高心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過多年的設(shè)計(jì)、研發(fā)、建設(shè)、運(yùn)行及完善，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于填筑碾壓參數(shù)、加水量、卸料正確性等施工參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及道路行車密度、上壩運(yùn)輸強(qiáng)度等重要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，減少了施工過程控制中的人為因素，提高了施工過程的質(zhì)量控制水平與效率。系統(tǒng)軟件操作界面見圖5。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

圖5 糯扎渡心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件操作界面Fig．5 Operation interface of real-time monitoring software system of Nuozhadu core rock-fill dam filling construction process

1)精細(xì)監(jiān)控。碾壓機(jī)械定位精度達(dá)到厘米級(jí)水平;自卸車平面定位精度達(dá)到米級(jí)水平;碾壓遍數(shù)、碾壓高程、壓實(shí)厚度計(jì)算像素化，計(jì)算單位為數(shù)厘米邊長(zhǎng)的方形網(wǎng)格。

2)實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)通過無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至總控中心，各監(jiān)控點(diǎn)可通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過裝有監(jiān)控客戶端的電腦對(duì)施工過程進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3)全天候監(jiān)控。系統(tǒng)各類監(jiān)測(cè)設(shè)備、硬件設(shè)施均為全天候不間斷工作，保證系統(tǒng)連續(xù)正常運(yùn)行。

4)高度自動(dòng)化運(yùn)行。碾壓機(jī)流動(dòng)站設(shè)備為全自動(dòng)運(yùn)行，不需任何人工操作;定位基準(zhǔn)站無(wú)人值守運(yùn)行;運(yùn)輸車流動(dòng)站設(shè)備自動(dòng)定位，空滿載開關(guān)操作簡(jiǎn)便。

7 結(jié)語(yǔ)

高心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，為工程質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了先進(jìn)的技術(shù)手段，在保證工程質(zhì)量方面發(fā)揮了重大作用。施工過程監(jiān)控系統(tǒng)以其科學(xué)性及對(duì)高新技術(shù)的高度適應(yīng)性，成為工程管理者實(shí)時(shí)監(jiān)控工程建設(shè)過程、控制工程質(zhì)量、提高管理水平與效率的重要途徑。研究開發(fā)心墻堆石壩填筑施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的實(shí)用價(jià)值，并在我國(guó)流域梯級(jí)開發(fā)中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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