水利工程質(zhì)量管理中的智能化監(jiān)控系統(tǒng)研究

楊 誠

傳統(tǒng)的質(zhì)量管理依賴于從業(yè)人員專業(yè)素養(yǎng)與責(zé)任，從近些年發(fā)現(xiàn)的大壩建設(shè)中出現(xiàn)的諸如混凝土裂縫、混凝土碾壓不密實(shí)、灌漿不合格等質(zhì)量問題時(shí)，其中一個(gè)很重要的原因就是信息不暢導(dǎo)致措施與管理不到位，信息獲取“四不”不及時(shí)、不準(zhǔn)確、不真實(shí)、不系統(tǒng)。三河口水利樞紐大壩為高碾壓混凝土雙曲拱壩，受技術(shù)難度、地質(zhì)條件及施工技術(shù)水平的限制，大壩混凝土碾壓、溫控、灌漿等施工方面容易出現(xiàn)質(zhì)量控制盲區(qū)。研發(fā)并建立全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制的大壩智能化監(jiān)控系統(tǒng)，采用信息化、數(shù)字化、智能化手段對施工質(zhì)量進(jìn)行全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)智能溫控、數(shù)字大壩、數(shù)字灌漿等質(zhì)量管理目標(biāo)，確保監(jiān)測、控制與預(yù)警信息的及時(shí)、準(zhǔn)確、真實(shí)、系統(tǒng)，以監(jiān)控管理的智能化促進(jìn)施工的精細(xì)化，從而確保大壩整體安全。

1 水利工程智能化監(jiān)控系統(tǒng)建立的必要性

三河口水利樞紐大壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高141.5 m，正常蓄水位643 m，水庫總庫容為7.1億m3；樞紐主要由包括攔河大壩、泄洪放空系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和連接洞等組成。如何采取有效的手段確保工程的施工質(zhì)量一直是工程建設(shè)的主要任務(wù)。作為我國少見的幾個(gè)高碾壓混凝土拱壩之一，大壩建設(shè)過程中將面臨如下不利因素：

（1）樞紐地處高山峽谷區(qū)，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，水推力大，工程整體防裂要求高、控制難度大；

（2）大壩工程建設(shè)規(guī)模居國內(nèi)擬建同類壩型前茅，工程規(guī)模大，建設(shè)周期長，施工過程受自然環(huán)境、結(jié)構(gòu)型式、工藝要求、組織方式以及澆筑機(jī)械與建筑材料等諸多因素影響，質(zhì)量控制難度較大；

（3）左右岸壩肩斷層發(fā)育，蓄水后壩肩穩(wěn)定問題突出；

（4）碾壓混凝土抗裂能力相對常態(tài)混凝土偏弱，尤其是層間結(jié)合質(zhì)量控制難度大，層面防滲、抗裂能力較差；

（5）壩址所在地區(qū)，1月多年平均溫度為1.2℃，7月多年平均溫度為24.2℃，年溫差大，溫控條件較惡劣，防裂難度明顯大于同類已建工程。

上述不利因素給工程建設(shè)的施工質(zhì)量管理帶來重大挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)對大壩混凝土施工質(zhì)量的有效監(jiān)控，確保大壩現(xiàn)場施工質(zhì)量的有效評價(jià)，對現(xiàn)場各種可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事故預(yù)防與預(yù)警顯得尤為重要。通過研發(fā)并建立智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對大壩建設(shè)施工質(zhì)量溫度控制、碾壓質(zhì)量、澆筑信息、灌漿和變形監(jiān)測等信息的智能采集、統(tǒng)一集成、實(shí)時(shí)分析與智能監(jiān)控，可有效確保大壩施工質(zhì)量。

2 水利工程智能化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

三河口水利樞紐施工期智能化監(jiān)控系統(tǒng)是由項(xiàng)目法人結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)的一套智能化監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行輔助質(zhì)量管理，其核心是在一個(gè)智能化控制管理平臺下，以BIM圖形信息為紐帶，統(tǒng)一協(xié)調(diào)6個(gè)施工質(zhì)量管理子系統(tǒng)以及包含了人員車輛定位、施工安全視頻監(jiān)控、施工進(jìn)度仿真管理等4個(gè)其他子系統(tǒng)。6個(gè)子系統(tǒng)包括大壩混凝土溫度智能監(jiān)控管理、大壩混凝土碾壓質(zhì)量監(jiān)控管理、混凝土加漿振搗監(jiān)控管理、大壩施工質(zhì)量綜合監(jiān)控管理、灌漿質(zhì)量自動(dòng)化監(jiān)控管理、大壩壩踵變形自動(dòng)化監(jiān)測管理，框架見圖1。

圖1 三河口水利樞紐施工期智能化監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2.1 大壩混凝土溫度智能監(jiān)控管理

結(jié)合三河口水利樞紐工程的特點(diǎn)及大體積混凝土溫控防裂要求，建立三河口水利樞紐工程碾壓混凝土拱壩施工期溫控防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)、GPS定位技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息挖掘技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫控信息實(shí)時(shí)采集、溫控信息實(shí)時(shí)傳輸、溫控信息自動(dòng)管理、溫控信息自動(dòng)評價(jià)、溫度應(yīng)力自動(dòng)分析、開裂風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警、溫控防裂實(shí)時(shí)反饋控制。子系統(tǒng)功能劃分見圖2。

圖2 混凝土防裂動(dòng)態(tài)智能溫控系統(tǒng)框圖

2.2 大壩混凝土碾壓質(zhì)量監(jiān)控管理

通過在碾壓車輛上安裝集成高精度的GPS接收機(jī)的監(jiān)測設(shè)備裝置，基于GPS、GPRS和PDA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、行車速度、激振力、壓實(shí)厚度等碾壓參數(shù)的全過程、在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用適合于連續(xù)碾壓質(zhì)量控制要求的壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)評估指標(biāo)值，動(dòng)態(tài)監(jiān)測和評估大壩壓實(shí)效果，并根據(jù)壩料壓實(shí)情況，自適應(yīng)的調(diào)整碾壓機(jī)械運(yùn)行特征，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和反饋指導(dǎo)施工。子系統(tǒng)功能劃分見圖3。

圖3 碾壓質(zhì)量監(jiān)控管理系統(tǒng)框圖

2.3 混凝土加漿振搗監(jiān)控管理

為有效監(jiān)控加漿振搗質(zhì)量，研發(fā)完成混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對混凝土振搗位置、加漿量、加漿濃度等智能監(jiān)控，該系統(tǒng)運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)、GPS定位技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息挖掘技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)開發(fā)完成綜合評價(jià)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，逐層生成圖形報(bào)告與數(shù)據(jù)報(bào)表。根據(jù)需求分析，子系統(tǒng)功能劃分見圖4。

圖4 混凝土振搗加漿智能控制系統(tǒng)框圖

2.4 大壩施工質(zhì)量綜合監(jiān)控管理

結(jié)合三河口水利樞紐工程的特點(diǎn)及混凝土施工質(zhì)量要求，建立三河口水利樞紐工程碾壓混凝土拱壩施工期混凝土施工質(zhì)量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以施工單元（澆筑倉）為核心的大壩建設(shè)過程中重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與采集、實(shí)時(shí)分析、反饋與共享，通過數(shù)字化的方式實(shí)現(xiàn)混凝土試驗(yàn)檢測、倉面設(shè)計(jì)、開倉計(jì)劃、配合比等施工流程的電子化管理，提供直觀、人性的業(yè)務(wù)界面，數(shù)據(jù)采集全部依托日常業(yè)務(wù)開展，相關(guān)的成果全部通過系統(tǒng)自動(dòng)生成。子系統(tǒng)功能劃分見圖5。

圖5 大壩施工質(zhì)量綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)框圖

2.5 灌漿質(zhì)量自動(dòng)化監(jiān)控管理

灌漿管理信息系統(tǒng)是以電子信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，形成所需要的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，數(shù)據(jù)融合分析一體化功能，為設(shè)計(jì)管理、施工過程管理、質(zhì)量管理到成果管理在內(nèi)的施工全生命周期的灌漿監(jiān)控系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)支撐。它的應(yīng)用能提高工程管理人員在灌漿管理過程中的實(shí)時(shí)性和成工作效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)灌漿過程中出現(xiàn)的異常情況，從而提高灌漿工程質(zhì)量管理水平。子系統(tǒng)功能劃分見圖6。

2.6 大壩壩踵變形自動(dòng)化監(jiān)測管理

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測方式的不足，解決施工期變形漏測問題，開發(fā)完成施工期大壩變形智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)捕捉施工期壩體的變形，獲取第一手資料，為后期大壩工作動(dòng)態(tài)分析提供依據(jù)。項(xiàng)目主要內(nèi)容為施工期變形自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，包括變形監(jiān)測信息實(shí)時(shí)自動(dòng)采集與存儲模塊、海量變形數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、變形風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警、壩踵變形監(jiān)測系統(tǒng)。子系統(tǒng)功能劃分見圖7。

圖7 大壩壩踵變形自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)框圖

3 結(jié)論

通過本項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對大壩建設(shè)全過程混凝土澆筑信息、碾壓質(zhì)量、溫度控制和變形監(jiān)測等信息的智能采集、統(tǒng)一集成、實(shí)時(shí)分析與智能監(jiān)控。

（1）實(shí)現(xiàn)海量施工質(zhì)量等各類監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)獲取，確保數(shù)據(jù)的“實(shí)時(shí)、有效、準(zhǔn)確和完整”，有效地解決現(xiàn)場監(jiān)控模式的四不問題（不及時(shí)、不準(zhǔn)確、不真實(shí)、不系統(tǒng)）；

（2）實(shí)現(xiàn)混凝土大壩施工的自動(dòng)管理與評價(jià)，確?；炷潦┕と^程的可知、可控、可調(diào)，達(dá)到防止危害性裂縫發(fā)生的目的；

（3）實(shí)現(xiàn)混凝土施工全環(huán)節(jié)的智能化監(jiān)控，提高工程管理效率，為施工質(zhì)量提供可靠保障；

（4）為現(xiàn)場應(yīng)急決策提供可操作、可展示的智能化監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場各類資料的直觀展現(xiàn)，為建設(shè)決策提供依據(jù)；

（5）為工程的資料管理和驗(yàn)收提供數(shù)字化檔案服務(wù)。

系統(tǒng)的全方位應(yīng)用還將實(shí)現(xiàn)水利工程的創(chuàng)新化管理，既為打造優(yōu)質(zhì)精品樣板工程提供有力保障，又為樞紐工程的安全鑒定、竣工驗(yàn)收以及今后的長期運(yùn)行安全管理提供支撐平臺。目前該系統(tǒng)已成為項(xiàng)目法人實(shí)施質(zhì)量智能化管理不可或缺的好幫手。

目前正是三河口水利樞紐大壩建設(shè)的高峰期，由于系統(tǒng)剛投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行、人員培訓(xùn)、報(bào)告報(bào)表等相關(guān)工作仍需進(jìn)一步補(bǔ)充、完善，后續(xù)更好地服務(wù)于工程質(zhì)量管理。