GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)在河口村水庫壩體填筑中的應用

□楊金順 □呂仲祥（河南省水利第一工程局 河南省水利水電工程建設質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站）

1 工程概況

河口村水庫壩型為混凝土面板堆石壩，大壩全長530m，壩頂寬9m，最大壩高122.50m，壩頂高程288.50m，上下游壩坡均為1:1.50，壩后不設“之”字上壩路，壩后設混凝土預制塊護坡。

壩體填筑從上游至下游依次由特殊墊層料（小區(qū)料2B）、墊層料（2A）、過渡料（3A）、主堆石（3B）、次堆石（3C）、反濾料、上游壤土鋪蓋（1A1）、粉煤灰（1A2）和石碴蓋重（1B）、下游堆石護坡（3D）、石碴壓坡（4A）等組成，填筑總量約為 743萬 m3，壩基上下游面底寬約420m。

壩體填筑結(jié)構(gòu)分區(qū)如圖1所示。

圖1 壩體填筑結(jié)構(gòu)分區(qū)示意圖

2 工程特點及采用GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)控制壩體填筑碾壓質(zhì)量的目的

河口村水庫大壩設計壩高122.50m，河床壩基覆蓋層厚達42m，設計壩軸線上游僅開挖上部約10m，下游開挖約5m，開挖后壩基為砂礫石基礎。壩基從河床趾板軸線以下50m范圍內(nèi)采用高壓旋噴樁加固處理，在國內(nèi)高壩大庫基礎處理方法上尚屬首例。

該工程大壩壩體填筑約540萬m3，最高填筑強度約40萬m3/月，壩址地處“V”字型峽谷中，河床狹窄，兩岸高峻陡峭，局部地段幾乎直立，施工道路布置困難。

堆石壩填筑碾壓施工質(zhì)量是大壩施工質(zhì)量控制的主要環(huán)節(jié)，直接關系到大壩的運行安全。堆石壩的填筑施工質(zhì)量管理，如果仍然采用常規(guī)的依靠人工現(xiàn)場控制碾壓參數(shù)（碾壓速度、振動狀態(tài)、碾壓遍數(shù)和壓實厚度）和人工挖試坑取樣的檢測方法來控制施工質(zhì)量，一方面由于人工控制碾壓參數(shù)的主觀性和精確度很難達到該工程所需的施工質(zhì)量要求；另一方面，由于取樣時間和等待結(jié)果的基本程序限制因素將會嚴重影響壩體填筑施工強度，最終導致工程不能如期完工，甚至帶來不可估量的度汛風險。

鑒于上述工程特點，為確保壩體施工質(zhì)量，同時有利于加快施工進度，通過借鑒其他類似項目的工程經(jīng)驗，決定研究開發(fā)一種具有實時性、連續(xù)性、自動化、高精度等特點的河口村水庫工程大壩施工數(shù)字化管理系統(tǒng)——GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)，對壩體填筑進行全過程的實時監(jiān)控，以實現(xiàn)對河口村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，以提高管理水平與工作效率。

3 GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)基本構(gòu)架及其主要功能

GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)最早在湖北清江水布埡水庫大壩工程開始使用，其他水利樞紐工程施工中很少使用，其在全國大型水利工程的應用尚未成熟及完善。該工程借鑒電力系統(tǒng)大型項目的管理經(jīng)驗，通過邀請國內(nèi)有類似經(jīng)驗的系統(tǒng)開發(fā)方進行洽談比選，最終選定天津大學作為本系統(tǒng)的研發(fā)單位。

該GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)由總控中心、現(xiàn)場分控站、GPS基準站、網(wǎng)絡系統(tǒng)和碾壓機械監(jiān)測終端等部分組成，主要實現(xiàn)的功能：一是動態(tài)監(jiān)測倉面碾壓機械運行軌跡、速度、激振力和碾壓高程等，并在大壩倉面施工二維數(shù)字地圖上可視化顯示，同時可供在線查詢。二是實時自動計算和統(tǒng)計倉面任意位置處的碾壓遍數(shù)、壓實厚度等，并在大壩倉面施工數(shù)字地圖上可視化顯示，同時可供在線查詢。三是當碾壓機械運行超速，激振力不達標時，系統(tǒng)自動給車輛司機、現(xiàn)場監(jiān)理和施工人員發(fā)送報警信息；當碾壓遍數(shù)和壓實厚度不達標時，系統(tǒng)可提示不達標的詳細內(nèi)容以及所在空間位置等，并在現(xiàn)場監(jiān)理分控站PC監(jiān)控終端上醒目提示，以便及時指示返工或調(diào)整，同時把該報警信息寫入施工異常數(shù)據(jù)庫備查。四是在每倉施工結(jié)束后，輸出碾壓質(zhì)量圖形報表，包括碾壓軌跡圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實厚度圖和壓實高程圖等，作為質(zhì)量驗收的輔助材料。五是可在總控中心和現(xiàn)場監(jiān)理分控站對大壩混凝土碾壓情況進行監(jiān)控，實現(xiàn)遠程、現(xiàn)場“雙監(jiān)控”。六是把整個建設期所有施工倉面的碾壓質(zhì)量信息保存至網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。

4 面板堆石壩填筑碾壓過程實時監(jiān)控的方法

通過安裝在碾壓機械上的監(jiān)測終端，實時采集碾壓機械的動態(tài)坐標、激振力輸出狀態(tài)，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡實時發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)庫服務器中；然后，根據(jù)預先設定的控制標準，服務器端的應用程序?qū)崟r分析判斷碾壓機的行車速度、激振力輸出是否超標；接著，現(xiàn)場分控站和總控中心的監(jiān)控終端計算機通過有線網(wǎng)絡或無線WiFi網(wǎng)絡，讀取上述數(shù)據(jù)，進行進一步的實時計算和分析，包括壩面碾壓質(zhì)量參數(shù)（含行車軌跡、碾壓遍數(shù)、壓實高程和壓實厚度）的實時計算和分析；再將這些實時計算和分析的結(jié)果與預先設定的標準作比較，根據(jù)偏差，指導相關人員做出現(xiàn)場反饋并采取控制措施。

面板堆石壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控的方法具體包括12個階段，如圖2所示。

第一階段，確定施工倉面，進行倉面劃分。

根據(jù)要監(jiān)控的倉面所在分區(qū)，以及倉面預計碾壓后的高程，生成該高程下該分區(qū)的數(shù)字地圖，然后在該層面上根據(jù)實際的施工區(qū)域（由控制點施工坐標確定）進行倉面劃分。倉面控制點坐標來源于施工單位呈報的開倉計劃表及準填證。

圖2 填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控的步驟圖

根據(jù)大壩體形和分區(qū)設計，建立大壩分區(qū)三維模型，然后將三維模型和不同高程面做平面剖切，可得到各分區(qū)所有高程倉面的數(shù)字地圖。

第二階段，設定監(jiān)控倉面的屬性，開始接收監(jiān)測信息。

對劃分好的倉面進行屬性設置，包括輸入倉面名稱，進行施工車輛綁定，確定該倉面施工的碾壓機標識號和向該倉面供料的運輸車輛標識號。

打開該倉面的數(shù)字地圖，施工開始，準備接收碾壓機械的監(jiān)測信息。

第三階段，碾壓過程信息自動采集和實時發(fā)送。

通過安裝在碾壓機械上的高精度GPS接收機，按設定的時間間隔（如1s）定位碾壓機械當前坐標（x,y,z），并通過無線電信號，接收GPS基準站發(fā)送的坐標差分信息，修正當前坐標；同時，通過激振力實時采集裝置，實時識別當前碾壓機械輸出的激振力狀態(tài)信號，將修正后的碾壓機當前坐標、當前時間及激振力輸出狀態(tài)，通過GSM模塊，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)庫服務器。

第四階段，根據(jù)相關設計資料，預先設定堆石壩填筑施工參數(shù)的控制標準；然后，分別進入第5、7階段。

第五階段，根據(jù)預先設定的控制標準，服務器端的應用程序?qū)崟r分析判斷施工過程參數(shù)是否達標，如達標，分別進入第11、12階段，否則進入下一階段。

第六階段，過程報警：對超速、激振力不符合標準進行報警，然后進入第10階段。

在現(xiàn)場分控站和總控中心的監(jiān)控終端計算機上，會發(fā)出相同報警信息。

第七階段，現(xiàn)場分控站或總控中心實時計算和監(jiān)控施工質(zhì)量參數(shù)，包括碾壓遍數(shù)、碾壓高程、壓實厚度在內(nèi)的壩面碾壓質(zhì)量參數(shù)。

第八階段，將實時計算得到的結(jié)果與預先設定的質(zhì)量控制標準作比較，分析判斷碾壓遍數(shù)、壓實厚度是否符合標準，若符合標準，分別進入第11、12階段，否則進入下一階段。

第九階段，對碾壓遍數(shù)和壓實厚度進行結(jié)果控制。

當碾壓遍數(shù)、壓實厚度不滿足標準要求時，通過現(xiàn)場分控站和總控中心的監(jiān)控終端計算機發(fā)出提示信息。

第十階段，現(xiàn)場施工質(zhì)量的反饋與控制。

當監(jiān)控的施工質(zhì)量參數(shù)不符合標準時，現(xiàn)場監(jiān)理和施工人員采取相應的施工調(diào)整措施和補救措施。對于過程報警，現(xiàn)場監(jiān)理指導施工人員和司機糾正速度及激振力。對于結(jié)果控制指標，當碾壓遍數(shù)不足或壓實厚度過大時，現(xiàn)場監(jiān)理通過對講機給施工人員發(fā)出指令，進行補碾。

第十一階段，倉面單元施工結(jié)束時，輸出監(jiān)控結(jié)果，作為質(zhì)量驗收的材料。

輸出監(jiān)控結(jié)果，包括反映超速和激振力不符合標準軌跡的碾壓軌跡線圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實厚度圖、壓實高程圖等。

第十二階段，將施工倉面的監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務器中，供后續(xù)查詢和分析。

5 GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)應用效果

該GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)有效運行22個月，共完整監(jiān)控了主堆料區(qū)的697個倉面，次堆料區(qū)的211個倉面，過渡料區(qū)的284個倉面，排水帶區(qū)的2個倉面，反濾料區(qū)的6個倉面，共1200個倉面的填筑碾壓過程進行了完整的監(jiān)控。完整監(jiān)控下的倉面振碾標準遍數(shù)及以上的碾壓區(qū)域面積比率平均值為96.14%。碾壓后經(jīng)過試坑法取樣驗證，僅有2倉干密度略低于設計值，經(jīng)補碾后達到設計要求，達到了對壩體的填筑碾壓施工質(zhì)量進行實時監(jiān)控的目的。

6 結(jié)論

河南省河口村水庫工程大壩填筑碾壓質(zhì)量GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)的成功應用，實現(xiàn)了4個目標：第一，對河口村水庫工程大壩建設質(zhì)量（壩面碾壓填筑）進行在線實時數(shù)字化監(jiān)控。第二，實現(xiàn)業(yè)主和監(jiān)理對工程建設質(zhì)量的深度參與和精細管理。通過系統(tǒng)的自動化監(jiān)控，不僅使業(yè)主放心工程質(zhì)量，有效掌控施工進度，而且可實現(xiàn)對大壩建設質(zhì)量和進度控制的快速反應。第三，有效提升河口村水庫工程建設的管理水平，實現(xiàn)工程建設的創(chuàng)新化管理，為打造優(yōu)質(zhì)精品工程提供強有力的技術保障。第四，對壩體填筑質(zhì)量和進度信息進行集成管理，為大壩樞紐的竣工驗收、安全鑒定及今后的運行管理提供信息集成平臺。