長河壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)應用

王 成，時夢楠，馮玉峰，由廣昊，劉建坤

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.長江空間信息技術工程有限公司重慶分公司，重慶401147；3.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川康定 626001；4.中國電建集團中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081）

0 引言

土石壩由于其可以就地取材，而且其散粒體結(jié)構(gòu)的壩體可以良好的適應變形，同時能夠適應各種氣候條件。因此，土石壩已經(jīng)成為應用非常廣泛的一種壩型。據(jù)資料統(tǒng)計，我國已經(jīng)建成的9萬多座水庫大壩中，90%以上的都是土石壩[1]。在水利水電工程建設中，高度超過200 m的高壩建設一直是一個世界級難題[2]。而且在強震區(qū)、深厚覆蓋層地基上建造200 m以上的高土石壩，國內(nèi)外尚無先例。長河壩水電站大壩最大壩高240 m，高礫石土心墻堆石壩在建設過程中工程量大，工序之間相互干擾、壩料種類繁多的問題在強震區(qū)、深厚覆蓋層地質(zhì)施工條件下表現(xiàn)得尤為突出，對施工質(zhì)量提出了更高的要求。高壩建設過程中的施工質(zhì)量控制、信息采集、安全及綜合管理成為高壩施工面臨的主要問題[2]。

目前，關于施工質(zhì)量控制領域的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有相關成果和應用實踐。在國外，Robert D.Horan等通過智能壓實技術（Intelligent Compaction Technology）來提高瀝青混凝土路面施工的質(zhì)量控制，相比于傳統(tǒng)的碾壓施工過程，智能碾壓技術的引進可以實現(xiàn)碾壓信息的實時反饋，并且防止超碾導致的剪切破壞和材料膨脹，同時通過得到整個碾壓區(qū)域的彩色編碼圖可以直觀反映全部碾壓區(qū)域的壓實度情況[3]。Balunaini Umashankar等針對道路施工質(zhì)量控制過程中傳統(tǒng)沙錐實驗的缺陷，提出了采用便攜式彎沉儀測量的路面彈性模量來進行質(zhì)量控制的方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，彈性模量和沙錐實驗測量的路面原位密度具有很高的相關性。因此，采用便攜式彎沉儀進行施工質(zhì)量控制，提高了檢測的效率[4]。國外關于施工質(zhì)量監(jiān)控的研究中，主要集中于公路基面的碾壓方面，在國內(nèi)，信息技術和數(shù)字化技術等在水電工程中已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用。金沙江梨園水電站大壩建設過程中[5]，開發(fā)的混凝土面板堆石壩填筑施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在碾壓機行駛速度、激振力、壓實厚度、上壩運輸以及碾壓遍數(shù)達標率等施工質(zhì)量控制方面起到了較好的監(jiān)控作用，達到了輔助控制大壩填筑施工質(zhì)量的目標。針對心墻堆石壩的建設施工過程質(zhì)量管理控制的空白，在糯扎渡水電站心墻堆石壩建設中，以數(shù)據(jù)庫技術等為基礎，開發(fā)了“數(shù)字大壩”施工質(zhì)量管理系統(tǒng),實現(xiàn)了信息化、精確化和高效化管理[6]。但是在強震區(qū)、深厚覆蓋層地基上建造200 m以上的高土石壩，國內(nèi)外尚無先例，大渡河長河壩處于強地震帶和深厚覆蓋層地基上，其施工質(zhì)量管理系統(tǒng)的研發(fā)對監(jiān)控與管理提出了更高的要求。

1 工程概況

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級開發(fā)的第10級電站，是一等大型水電工程，主要由礫石土心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪系統(tǒng)等組成。電站的總裝機容量2 600 MW，正常蓄水位下庫容為10.75億m3，壩頂高程1 697 m，最大壩高240 m。作為一座在強震區(qū)、深厚覆蓋層地基上建造的200 m以上的高土石壩，碾壓施工質(zhì)量的控制至關重要。施工質(zhì)量控制指標主要包括3種：結(jié)果控制指標、料源控制指標和過程控制指標[7]。在大壩碾壓施工現(xiàn)場，結(jié)果控制指標主要通過現(xiàn)場環(huán)刀試驗測試結(jié)果控制，由于取樣的隨機性和不全面性，不能完全反應倉面碾壓的質(zhì)量。同時采取監(jiān)理旁站和現(xiàn)場人員巡檢的方式進行過程指標控制，受人為主觀影響因素較大。因此長河壩水電工程迫切需要實現(xiàn)對大壩碾壓施工過程的信息實時、在線、全天候的管理以及分析，從而為實現(xiàn)大壩碾壓全過程質(zhì)量實時、在線、自動、高精度的監(jiān)控與管理提供科學支撐。長河壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應用有效解決了傳統(tǒng)施工質(zhì)量控制手段無法實時、在線、全天候的控制施工質(zhì)量的問題，對滿足長河壩水電工程填筑施工要求、保證大壩填筑質(zhì)量處于受控狀態(tài)具有重要的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

長河壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)由6個部分組成，分別是總控中心、無線網(wǎng)絡、現(xiàn)場分控站、定位基準站、碾壓監(jiān)控流動站以及數(shù)據(jù)庫服務器等?？偪刂行闹饕ㄍㄐ畔到y(tǒng)、安全備份系統(tǒng)以及現(xiàn)場監(jiān)控應用系統(tǒng)，是監(jiān)控系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)場分控站由通信網(wǎng)絡設備、圖形工作站監(jiān)控終端和雙向通信設備等組成，監(jiān)理人員負責現(xiàn)場分控站值守，對施工現(xiàn)場實時監(jiān)控碾壓質(zhì)量，并指導現(xiàn)場施工人員及時對現(xiàn)場的碾壓質(zhì)量問題進行糾偏。數(shù)據(jù)庫服務器主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲存和備份中心。定位基準站主要由UPS設備、GPS接收機、差分電臺、衛(wèi)星天線以及差分天線組成。碾壓監(jiān)控流動站可以獲取壩面填筑施工過程中碾壓機三維時空坐標和碾壓機激振力狀態(tài)等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過將數(shù)據(jù)上傳至總控中心進行解算可以得到碾壓機械的碾壓速度、碾壓遍數(shù)以及鋪筑層厚度等碾壓參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)功能設計

長河壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合礫石土心墻堆石壩施工質(zhì)量操作需求，對大壩碾壓施工的各個環(huán)節(jié)進行有效監(jiān)控，在確保規(guī)范規(guī)定的檢測項目和有利于發(fā)揮依托技術潛力的條件下，使大壩施工質(zhì)量始終處于系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)，實現(xiàn)施工質(zhì)量的在線實時監(jiān)測和反饋控制，改變了傳統(tǒng)粗放的管理模式。長河壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)的功能設計如下：

1）實現(xiàn)大壩施工過程信息實時自動化采集與精細化監(jiān)控

傳統(tǒng)的大壩施工信息以不同的方式儲存在非電子媒介上，對信息的后續(xù)利用和開發(fā)造成極大不便。長河壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)對大壩施工過程信息中的碾壓機械運行軌跡、行駛速度、激振力狀態(tài)以及碾壓高程等信息進行實時、連續(xù)、遠程的監(jiān)控與采集。采用高精度的設備結(jié)合動態(tài)差分技術，進一步解決過程信息的正確性、精確性問題，實現(xiàn)精細化監(jiān)控。

2）實現(xiàn)大壩施工質(zhì)量等信息的數(shù)字化

綜合運用地理信息系統(tǒng)GIS和全球定位系統(tǒng)GPS等技術，在碾壓施工結(jié)束以后輸出碾壓軌跡圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實厚度圖以及碾壓層高程圖等，作為監(jiān)理單位驗收的材料實現(xiàn)了施工質(zhì)量等信息的直觀化和數(shù)字化。這些信息存儲在數(shù)據(jù)庫后，可以方便后續(xù)的使用和查閱。

3）大壩質(zhì)量精細化控制和管理

長河壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對工程建設質(zhì)量控制的快速反應，建立了完善的施工異常情況報警與反饋機制，為保證大壩施工質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)提供技術支持；實現(xiàn)業(yè)主和監(jiān)理等參建單位對工程建設質(zhì)量管理活動的深度參與，有效地提升工程建設的管理水平，實現(xiàn)工程建設管理模式的創(chuàng)新，為打造優(yōu)質(zhì)工程提供強有力的科學途徑[8]。

3 系統(tǒng)的應用與分析

3.1 系統(tǒng)硬件建設

現(xiàn)場系統(tǒng)硬件建設主要分為：

1）營地總控中心建設?？偪刂行挠媱澃仓迷跇I(yè)主營地新建的監(jiān)理辦公樓內(nèi)，安裝有投影系統(tǒng)，總控中心現(xiàn)監(jiān)理辦公樓二層。機房內(nèi)共有3臺服務器系統(tǒng)及UPS。

2）GPS差分基準站建設。GPS差分基準站建設在左壩肩1 765 m高程處。

3）碾壓機械監(jiān)控終端。碾壓機械高精度設備安裝于自行碾，并已針對全部碾壓機完成激振力監(jiān)測裝置的安裝和駕駛室報警裝置的安裝。

4）現(xiàn)場分控站建設?，F(xiàn)場分控站位于左岸3～2號洞處觀禮臺位置。

3.2 系統(tǒng)應用流程

1）在大壩填筑碾壓倉面施工開始前，由施工單位人員提交分控站該倉面要求的質(zhì)量參數(shù)、監(jiān)控區(qū)域、碾壓機械配置等，現(xiàn)場分控站人員據(jù)此進行監(jiān)控參數(shù)的設定。

2）監(jiān)控參數(shù)設定以后，現(xiàn)場按照派遣的車輛要求等進行施工，系統(tǒng)開始對整個倉面進行監(jiān)控。分控站監(jiān)理通過碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)客戶端遠程監(jiān)控現(xiàn)場的碾壓施工質(zhì)量。

3）在碾壓施工現(xiàn)場存在碾壓機械超速、激振力不達標或者漏碾的情況時候，客戶端會提醒分控站人員進行及時糾偏，同時由監(jiān)理指導現(xiàn)場施工人員對存在漏碾的區(qū)域進行補碾直到達到監(jiān)控參數(shù)設定的要求。

4）開倉的倉面達到關倉要求后，由質(zhì)檢人員對碾壓倉面進行隨機取樣試驗，同時對系統(tǒng)提示的質(zhì)量可能不達標的危險區(qū)域追加取樣，進一步提高碾壓倉面的填筑質(zhì)量，實現(xiàn)系統(tǒng)對原有質(zhì)量控制方法的優(yōu)化。

5）監(jiān)理人員在各項指標合格后關閉倉面監(jiān)控界面，通過系統(tǒng)軟件生成碾壓圖形報告。碾壓圖形報告包括碾壓軌跡圖、碾壓厚度圖、碾壓遍數(shù)圖等，作為質(zhì)量驗收的材料。

3.3 系統(tǒng)使用效果分析

根據(jù)長河壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)運行成果，以系統(tǒng)運行4年時間內(nèi)（2012年9月12日至2016年8月31日）的壩體填筑碾壓過程監(jiān)控數(shù)據(jù)為例進行統(tǒng)計與分析。

3.3.1 倉面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計與分析

以心墻區(qū)施工倉面為例，取2015年1月1日至2015年12月28日監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析。該階段共監(jiān)控心墻區(qū)礫石土施工倉面1 218個，其中全程監(jiān)控施工倉面1 172個。所有全程監(jiān)控的施工倉面中，碾壓14遍及以上區(qū)域所占比例最低為95.00%，最高為99.93%，平均為97.34%。根據(jù)“長河壩水電站施工質(zhì)量監(jiān)控與數(shù)字大壩系統(tǒng)實施管理辦法”中的相關規(guī)定，滿足碾壓遍數(shù)要求的區(qū)域其中心墻料碾壓遍數(shù)合格比率不低于95%，因此心墻區(qū)施工倉面碾壓遍數(shù)合格。

3.3.2 倉面碾壓厚度統(tǒng)計與分析

根據(jù)系統(tǒng)運行成果，取2012年9月12日至2016年8月31日監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)字大壩系統(tǒng)監(jiān)控的各倉面壓實厚度均值統(tǒng)計成果見表1。從表1中可以看出監(jiān)控系統(tǒng)運行期間，倉面壓實厚度處于受控狀態(tài)，滿足控制目標。

表1 各倉面壓實厚度均值統(tǒng)計

3.3.3 系統(tǒng)的有效性分析

長河壩數(shù)字大壩系統(tǒng)自2012年5月24日投入試運行到2016年8月31日停止運行，一共完整監(jiān)控了7 429個倉面的碾壓施工情況，從監(jiān)控結(jié)果看，系統(tǒng)很好地控制了碾壓參數(shù)。倉面碾壓遍數(shù)合格率均達到控制要求，碾壓機行駛超速現(xiàn)象得到有效控制，倉面壓實厚度處于受控狀態(tài)，各分區(qū)倉面平均壓實厚度基本接近標準值。通過對大壩375個測點抽樣進行試坑干密度檢測，干密度檢測合格率達到99.73%，滿足控制目標。

根據(jù)監(jiān)測，首次蓄水至2016年11月22日，大壩上游壩坡表面最大沉降變化量為53.6 mm，下游壩坡表面沉降變化量為11.9 mm，壩頂表面沉降變化量為82.7 mm；大壩沉降變化為上游壩坡表面沉降變形大于下游壩坡表面沉降變形，壩頂表面沉降最大。

大壩心墻區(qū)內(nèi)部最大沉降為2 164 mm，發(fā)生在（縱）0+256.00 m斷面心墻1 590.50 m高程處，首次蓄水以來，累計沉降變化量為33.0 mm（下沉）。心墻測斜管顯示1 645 m高程以上順河向水平位移向上游，左岸堆石體1 615 m高程以上靠近心墻部位向上游位移，右岸堆石體1 585 m高程以上靠近心墻部位向上游位移。未見明顯異常。

從試驗檢測的數(shù)據(jù)和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，大壩填筑碾壓質(zhì)量得到了很好的保證。說明長河壩礫石土心墻堆石壩碾壓施工質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)的應用，達到了預期效果，實現(xiàn)了大壩施工質(zhì)量全過程、全天候、實時的在線監(jiān)測與控制，確保了大壩工程質(zhì)量始終處于真實受控狀態(tài)，為長河壩大壩填筑工程建設的高標準質(zhì)量控制提供了強有力的技術保障。