物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化控制技術(shù)在江巷水庫大壩碾壓中的應(yīng)用

張 健 王 旭

一、工程概況

江巷水庫樞紐位于安徽省定遠(yuǎn)縣池河上，工程等別為Ⅱ等，樞紐由大壩、溢洪道、東/西灌溉涵、生態(tài)放水涵、魚道等組成，水庫總庫容1.30億m3。其中大壩為均質(zhì)土壩，2級(jí)建筑物，大壩全長約4900m，最大壩高為17.33m，土方填筑總量約130萬m3。

二、采用數(shù)字化碾壓控制技術(shù)的緣由

大壩全長4900m，壩段多，填筑工作面長，碾壓層數(shù)多，總填筑單元1000多個(gè)，單純靠人力去控制碾壓遍數(shù)，施工管理漏洞多、難度大，如控制不到位，可能出現(xiàn)壓實(shí)度達(dá)不到要求而返工等質(zhì)量問題。為避免出現(xiàn)人為因素影響大壩填筑質(zhì)量，在該工程初設(shè)階段，就提出利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化控制技術(shù)控制大壩碾壓質(zhì)量的措施，在工程實(shí)施階段，江巷水庫建管處通過招標(biāo)選擇中國水科院作為大壩碾壓技術(shù)控制單位。

三、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化碾壓控制技術(shù)系統(tǒng)功能和組成

以施工過程信息數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化為目標(biāo)，利用高精度北斗定位系統(tǒng)，對(duì)大壩施工過程中壩料的鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、振動(dòng)情況、碾壓軌跡、碾壓設(shè)備行進(jìn)速度等方面進(jìn)行施工過程控制，并結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大壩碾壓施工數(shù)字化展示，并進(jìn)行施工優(yōu)化、反饋分析等。

1.基礎(chǔ)工作

（1）碾壓試驗(yàn)，在一定壓實(shí)功和鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、行車速度、含水率等條件下，碾壓遍數(shù)是大壩土料壓實(shí)質(zhì)量控制的關(guān)鍵，而確定碾壓遍數(shù)，需進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)。該工程碾壓試驗(yàn)采用淘汰法確定各最優(yōu)參數(shù)，根據(jù)碾壓試驗(yàn)結(jié)果，確定碾壓遍數(shù)為8遍，鋪土厚度為35cm，車輛行進(jìn)速度不大于3km/h，并將控制數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，超過時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警。

（2）對(duì)大壩填筑進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)溢洪道等過壩建筑物和2個(gè)河槽位置、填筑順序以及施工導(dǎo)流要求等，將大壩分為9個(gè)壩段，長度從100～1050m不等，并將壩體分段和壩高等數(shù)據(jù)信息輸入系統(tǒng)。

（3）對(duì)碾壓車輛進(jìn)行編號(hào)，該工程用于碾壓的機(jī)械共6輛，編號(hào)依次變?yōu)?#～6#，并將碾壓設(shè)備編號(hào)輸入系統(tǒng)。

（4）建立電臺(tái)和北斗基站，主要用來對(duì)大壩填筑碾壓施工設(shè)備上安裝的M30型接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過差分?jǐn)?shù)據(jù)精確定位碾壓設(shè)備位置，并通過電臺(tái)將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到后臺(tái)系統(tǒng)中。

（5）安裝碾壓機(jī)械車載設(shè)備，主要有車載碾壓控制平板電腦、正反轉(zhuǎn)傳感器、振動(dòng)傳感器、M30型車載GNSS接收機(jī)。

2.系統(tǒng)功能

系統(tǒng)目前具有的主要功能有6個(gè)方面：①精確的碾壓遍數(shù)、行進(jìn)速度控制，改善碾壓作業(yè)的精細(xì)度；②作業(yè)面均勻一致的壓實(shí)度，防止漏壓、欠壓、過壓，保證碾壓質(zhì)量；③智能施工，提高工作效率；④數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理；⑤依靠北斗定位系統(tǒng)，兼容國際三星定位系統(tǒng)，定位精度達(dá)到厘米級(jí)；⑥專注碾壓控制，兼顧攤鋪厚度，保證大壩施工全過程有效監(jiān)控。

3.系統(tǒng)組成

（1）系統(tǒng)信息傳輸途徑及構(gòu)架組成

大壩填筑碾壓施工實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控系統(tǒng)綜合了微電子技術(shù)、無線通訊技術(shù)、GNSS厘米級(jí)高精度定位等現(xiàn)代化技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全程連續(xù)可視化跟蹤碾壓過程，向建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位和操作司機(jī)提供及時(shí)精確定位的壓實(shí)信息。系統(tǒng)信息傳遞主要途徑及架構(gòu)如圖1所示。

（2）系統(tǒng)模塊組成

大壩碾壓控制系統(tǒng)主要有10個(gè)模塊組成：基礎(chǔ)信息、數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、質(zhì)量審核、歷史回放、平面分析、剖面分析、單元報(bào)表、碾壓統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)管理等。

圖1 信息傳遞主要途徑及架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)能夠?qū)惭b在碾壓、運(yùn)料設(shè)備上的相關(guān)監(jiān)控儀器中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析并展示，為工程施工過程質(zhì)量控制提供參考與支撐。

在系統(tǒng)模塊中實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史回放應(yīng)用對(duì)大壩碾壓意義重大。

實(shí)時(shí)監(jiān)控：能在司機(jī)終端顯示器實(shí)時(shí)顯示碾壓軌跡和遍數(shù)，實(shí)時(shí)提醒司機(jī)防止漏壓、欠壓和過壓，也可遠(yuǎn)程監(jiān)控，便于施工單位管理人員、監(jiān)理、業(yè)主實(shí)時(shí)監(jiān)督。

歷史回放：如某個(gè)點(diǎn)檢測不合格，可以回放該點(diǎn)的碾壓軌跡錄像，可以看出是否漏壓和欠壓。

四、系統(tǒng)運(yùn)行控制效果

根據(jù)平面分析和剖面分析截圖展示，從斷面碾壓剖面圖可以看出整個(gè)剖面不同高程的碾壓情況，也可以點(diǎn)擊某個(gè)高程點(diǎn)，單獨(dú)顯示不同高程的碾壓遍數(shù)，可以直觀判斷哪些高程碾壓遍數(shù)合格，哪些高程欠壓、漏壓、過壓；從高程碾壓平面圖可以清晰直觀看出碾壓設(shè)備的行駛軌跡，碾壓遍數(shù)，平面碾壓范圍，在碾壓過程中能及時(shí)控制，防止漏壓、欠壓、過壓。

大壩從2017年6月28日開始填筑以來，截至2018年9月底，1003個(gè)碾壓單元已完成885個(gè)單元，合格率100%，其中優(yōu)良單元工程839個(gè)，優(yōu)良率94.8%，沒有出現(xiàn)因?yàn)閴簩?shí)度和干容重達(dá)不到設(shè)計(jì)要求出現(xiàn)返工的情況，說明控制效果顯著，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力。

五、目前存在的不足及改進(jìn)方向

該系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟，可以在土石壩、碾壓混凝土壩和堤防填筑中推廣使用。但目前系統(tǒng)只能控制碾壓遍數(shù)、攤鋪厚度及碾壓軌跡，對(duì)土料的含水率和碾壓后的容重（堆石壩的密實(shí)度）這兩項(xiàng)重要指標(biāo)不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還要靠人工檢測，土石壩一般都體量龐大，檢測工作量大，要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。下一步改進(jìn)的方向要增加土料含水率和容重（密實(shí)度）的實(shí)時(shí)檢測能力，真正做到全過程、全項(xiàng)目智能化控制，既保證工程質(zhì)量，同時(shí)節(jié)省人力、物力和財(cái)力