數(shù)字化智能碾壓系統(tǒng)在抽水蓄能電站中的應(yīng)用

馬雨峰，李 斌，韓彥寶，關(guān) 凱

(1.國(guó)網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 豐寧 068350；2.北京木聯(lián)能軟件股份有限公司,西安 710065)

0 前 言

數(shù)字化大壩智能碾壓監(jiān)控系統(tǒng)，是指融合GPS定位技術(shù)、數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)、新硬件技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)等現(xiàn)代化信息技術(shù)為一體的新興的監(jiān)控系統(tǒng)[1-3]。該系統(tǒng)能連續(xù)、實(shí)時(shí)地記錄施工過(guò)程，并具有穩(wěn)定、可追溯的功能，系統(tǒng)輸出的結(jié)果可作為施工質(zhì)量檢驗(yàn)的依據(jù)[4]。在中國(guó)，該技術(shù)最早出現(xiàn)在水布埡、瀑布溝水電站的施工中，歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，為數(shù)字化大壩的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。糯扎渡水電站數(shù)字化大壩智能碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的成功應(yīng)用[5]，標(biāo)志著數(shù)字化大壩智能碾壓監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)。工程規(guī)劃裝機(jī)容量3 600 MW，為Ⅰ等大(1)型規(guī)模。分2期建設(shè)，安裝12臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的可逆式水泵水輪機(jī)組。電站建成后，在京津唐電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。

本工程的樞紐布置，利用灤河左岸灰窯子溝溝頂?shù)奶烊慌璧刂涡纬缮纤畮?kù)，改建豐寧一級(jí)水電站水庫(kù)作為下水庫(kù)，并在庫(kù)尾設(shè)置攔沙壩形成攔沙庫(kù)。其中，上水庫(kù)主要建筑物為上水庫(kù)大壩，大壩采用鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高120.3 m，壩長(zhǎng)556.0 m，壩頂寬10 m。壩體主要由墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)組成，共計(jì)填筑方量446.95萬(wàn)m3(壓實(shí)方)。

豐寧地區(qū)冬季氣溫低、時(shí)間長(zhǎng)、施工難度高、且壩體填筑方量大，工期緊迫。傳統(tǒng)的大壩碾壓質(zhì)量管理粗放、效率低，且人為因素的不確定性大，容易造成質(zhì)量控制偏差，形成工程缺陷和隱患[6-7]。國(guó)網(wǎng)新源豐寧公司提出將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用在工程建設(shè)中，與水電工程施工管理、質(zhì)量控制相結(jié)合[8-10]，綜合考慮豐寧抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)，聯(lián)合北京木聯(lián)能軟件股份有限公司共同研發(fā)了河北豐寧抽水蓄能電站數(shù)字化施工技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于工程。實(shí)現(xiàn)了過(guò)程管理，精確、高效的碾壓質(zhì)量監(jiān)控方式，避免了傳統(tǒng)碾壓質(zhì)量控制的不足與缺陷，以過(guò)程管控代替結(jié)果管控，有效地保障大壩碾壓施工質(zhì)量的同時(shí)，加快了壩體工程的施工進(jìn)度。

2 系統(tǒng)組成原理及系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)組成及原理

根據(jù)大壩填筑碾壓施工質(zhì)量管理需求，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，河北豐寧數(shù)字化大壩智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由：① GPS基準(zhǔn)站；② GPS移動(dòng)終端；③ 監(jiān)控中心；④ 監(jiān)控終端等部分組成[11-13]。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

(1) GPS基準(zhǔn)站

GPS基準(zhǔn)站作為整個(gè)數(shù)字化大壩監(jiān)控系統(tǒng)的位置測(cè)量基準(zhǔn)站，為整個(gè)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)的位置信息，是整套系統(tǒng)位置信息測(cè)算的核心組成部分。通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)算得到該位置的基準(zhǔn)坐標(biāo)信息和時(shí)間信息，并將該坐標(biāo)和時(shí)間信息發(fā)送至GPS移動(dòng)終端進(jìn)行下一步工作。

圖1 數(shù)字化大壩智能監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

(2) GPS移動(dòng)終端

GPS移動(dòng)終端是智能碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的“監(jiān)控”終端。通過(guò)將GPS設(shè)備安裝在碾壓設(shè)備上，監(jiān)測(cè)碾壓設(shè)備的位置坐標(biāo)及時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)碾壓面碾壓厚度、碾壓遍數(shù)的監(jiān)控作用，并將采集到的信息以數(shù)據(jù)的形式發(fā)送至監(jiān)控中心。

為達(dá)到工程質(zhì)量對(duì)測(cè)量精度的要求，該系統(tǒng)采用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分RTK技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碾壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)厘米級(jí)精度的要求。

(3) 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是碾壓監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收以及輸出的數(shù)據(jù)處理中心。接收GPS移動(dòng)終端以及其他配套傳感器測(cè)量信息，對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，匯總后得到相應(yīng)的施工過(guò)程中間結(jié)果和最終結(jié)果報(bào)告信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并作為判斷施工質(zhì)量合格與否的標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 監(jiān)控終端

該系統(tǒng)設(shè)置了多個(gè)外接端口，可方便參建各方實(shí)時(shí)查看大壩碾壓施工情況，為各方下一步的決策提供依據(jù)，也為參建各方之間的溝通提供了及時(shí)、對(duì)等的信息基礎(chǔ)，為過(guò)程管控提供了便利。

同時(shí)，碾壓機(jī)械上安裝的工業(yè)平板可接收監(jiān)控中心發(fā)送的實(shí)時(shí)碾壓信息，碾壓機(jī)械操作手也可以直觀、及時(shí)地了解碾壓情況，便于其接受施工管理人員的指令，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了施工質(zhì)量的過(guò)程控制。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1) 智能化程度高

整套系統(tǒng)的智能化程度高，基本不需要人工操作。系統(tǒng)調(diào)試正常后，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)碾壓設(shè)備的實(shí)時(shí)速度、軌跡、碾壓區(qū)域、厚度等情況進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)控；同時(shí)，其他監(jiān)控終端也可同步看到。

(2) 靈活性好

系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)填筑情況，確定倉(cāng)面面積及形狀，從而實(shí)現(xiàn)一層多個(gè)分區(qū)，同時(shí)施工以及不同層不同區(qū)同時(shí)施工等多種工況。倉(cāng)面信息采集可以在碾壓施工前進(jìn)行采集，也可在碾壓施工后進(jìn)行采集，都不影響對(duì)碾壓過(guò)程的監(jiān)控功能。

(3) 機(jī)動(dòng)性強(qiáng)

碾壓設(shè)備工作時(shí)，監(jiān)控中心的終端監(jiān)控軟件與GPS移動(dòng)終端處碾壓機(jī)械操作手皆可看到實(shí)時(shí)地碾壓情況，便于管理人員直接與操作手進(jìn)行溝通，對(duì)碾壓施工情況及時(shí)做出調(diào)整和部署。

同時(shí)，對(duì)于碾壓圖形、漏碾較多等情形，碾壓機(jī)械操作手可根據(jù)碾壓軌跡圖形及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)碾；當(dāng)施工作業(yè)面有干擾時(shí)，操作手也可調(diào)入至其他區(qū)域進(jìn)行碾壓，現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)動(dòng)、靈活，極大地提高了機(jī)械使用效率，避免窩工等時(shí)間損耗，在保證質(zhì)量的前提下，有效地加快了施工進(jìn)度。

(4) 穩(wěn)定性好

對(duì)于在施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的斷電等突發(fā)情況，系統(tǒng)配套的UPS設(shè)備避免了因斷電等產(chǎn)生的系統(tǒng)中斷；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不佳影響數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，系統(tǒng)啟用數(shù)據(jù)離線儲(chǔ)存，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)恢復(fù)正常后自動(dòng)上傳離線數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)丟失或監(jiān)控中斷的情況發(fā)生。對(duì)于其他多種突發(fā)情況，皆有相對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性好。

3 系統(tǒng)輔助質(zhì)量控制應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)試驗(yàn)情況

參建各方聯(lián)合在次堆石區(qū)隨機(jī)選取了15 m×15 m的區(qū)域進(jìn)行碾壓施工，安排專人在現(xiàn)場(chǎng)旁站的同時(shí)開(kāi)啟碾壓監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，以驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的可靠性。

碾壓完畢后，旁站人員記錄結(jié)果均為動(dòng)碾10遍(設(shè)計(jì)要求，下同)，且相鄰滾輪之間搭接較緊密，基本沒(méi)有漏碾。查看碾壓監(jiān)控系統(tǒng)，顯示動(dòng)碾10遍，振動(dòng)碾(強(qiáng)振)遍數(shù)10遍及以上占比98.35%，兩者的結(jié)果可以認(rèn)為是一致的，表明該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的碾壓施工參數(shù)。

施工方測(cè)量人員使用全站儀對(duì)該區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果該區(qū)域邊長(zhǎng)為14.50 m×14.80 m，面積為214.60 m2，平均高程為1 430.76 m。同時(shí)，監(jiān)理和業(yè)主對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，則測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤。碾壓監(jiān)控系統(tǒng)顯示該區(qū)域邊長(zhǎng)為14.50 m×14.80 m，面積為214.60 m2，平均高程1 430.77 m。系統(tǒng)的測(cè)量精度與現(xiàn)場(chǎng)全站儀測(cè)量精度基本一致，則該系統(tǒng)的測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，需將大壩碾壓施工工藝從錯(cuò)距碾調(diào)整為搭接碾。為此，現(xiàn)場(chǎng)將第92層次堆石區(qū)分成4個(gè)倉(cāng)，分別用錯(cuò)距法和搭接法進(jìn)行碾壓施工工藝試驗(yàn)。錯(cuò)距法和搭接法碾壓工藝試驗(yàn)成果，見(jiàn)表1。

表1 錯(cuò)距法和搭接法碾壓工藝試驗(yàn)成果表

從表1可知，不同碾壓施工工藝，平均壓實(shí)厚度<80 cm、動(dòng)碾10遍及以上占比>95%時(shí)，挖坑取樣檢驗(yàn)的孔隙率均<23%、干密度均≥2.048 t/m3，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行情況

1 457.00～1 463.00 m高程區(qū)間第111～118層共8層，主堆石區(qū)與次堆石區(qū)共計(jì)104個(gè)倉(cāng)面，對(duì)冬季施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將104個(gè)倉(cāng)面分別按主堆石區(qū)和次堆石區(qū)的碾壓情況，以及相應(yīng)的挖坑取樣結(jié)果進(jìn)行匯總，見(jiàn)表2、3。

表2 系統(tǒng)對(duì)主堆石區(qū)監(jiān)控結(jié)果匯總表

結(jié)合挖坑取樣檢測(cè)結(jié)果,對(duì)碾壓情況進(jìn)行分析，當(dāng)平均壓實(shí)厚度<60 cm(冬季施工，設(shè)計(jì)要求)、動(dòng)碾10遍及以上占比>95%時(shí)，按碾壓參數(shù)控制，主堆石區(qū)相對(duì)應(yīng)的試坑取樣檢測(cè)結(jié)果孔隙率均<21%、干密度≥2.101 t/m3，次堆石區(qū)相對(duì)應(yīng)的試坑取樣檢測(cè)結(jié)果孔隙率均<23%、干密度≥2.048 t/m3，均滿足大壩碾壓設(shè)計(jì)要求。

表3 系統(tǒng)對(duì)次堆石區(qū)監(jiān)控結(jié)果匯總表

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

截止2017年5月31日，上水庫(kù)大壩填筑高程為1 470.20 m，至壩頂1 510.00 m還有50層，現(xiàn)場(chǎng)鋪填、碾壓1層需要4 d時(shí)間，由此推算填筑工期為200 d，與工期目標(biāo)2017年9月30日相比，工期延長(zhǎng)2個(gè)月零20 d，且臨近冬季施工，施工難度大，施工質(zhì)量難以保證。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，參建四方以數(shù)字化大壩碾壓監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)果為主導(dǎo)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工安排。將次、主堆石區(qū)分別按照左右岸、上下游劃分為4個(gè)小的區(qū)域，當(dāng)每個(gè)小的區(qū)域碾壓監(jiān)控結(jié)果顯示合格，即可進(jìn)行下一層鋪填，形成流水作業(yè)，挖坑試驗(yàn)可隨機(jī)在4個(gè)小區(qū)域中選擇一塊進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)工序調(diào)整，上水庫(kù)大壩鋪填、碾壓一層平均時(shí)間為3 d，大大提升了填筑進(jìn)度，且數(shù)字化大壩碾壓結(jié)果合格，對(duì)應(yīng)的挖坑檢測(cè)結(jié)果也均顯示符合設(shè)計(jì)要求。在保證填筑、碾壓質(zhì)量的前提下，實(shí)際工期提前至2017年10月22日，工期提前了2個(gè)月，避免了冬季施工，為后續(xù)工作爭(zhēng)取了時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

豐寧抽水蓄能電站中應(yīng)用的數(shù)字化大壩智能碾壓監(jiān)控系統(tǒng)，充分考慮到豐寧項(xiàng)目的特殊性，有效地解決了大規(guī)模機(jī)械化施工與人工為主的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式之間的矛盾，彌補(bǔ)了壩體填筑質(zhì)量傳統(tǒng)控制方式的不足與漏洞。從施工信息監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制的角度助力大壩碾壓施工過(guò)程管理,有效地保障了壩體工程的填筑質(zhì)量與進(jìn)度。

目前數(shù)字化大壩智能壓實(shí)系統(tǒng)還沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范依據(jù),大壩碾壓數(shù)據(jù)和過(guò)程監(jiān)控結(jié)果僅作為施工過(guò)程及質(zhì)量控制的輔助資料,現(xiàn)階段數(shù)字化監(jiān)控和常規(guī)的試驗(yàn)檢測(cè)同步進(jìn)行。下一階段，在逐步積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分論證碾壓數(shù)據(jù)滿足施工參數(shù)要求的前提下，人工試坑檢驗(yàn)的必要性，并將大壩施工必須采用數(shù)字化大壩智能壓實(shí)系統(tǒng)管理作為規(guī)范，做到利用高科技產(chǎn)物，控制和提高施工質(zhì)量管理的同時(shí)，加快施工進(jìn)度，節(jié)約工程成本，真正做到大壩碾壓施工與檢測(cè)的智能化。