高寒地區(qū)面板堆石壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

王明星

（中國(guó)水利水電第三工程局有限公司 陜西西安 710024）

1 工程概況

新疆阜康抽水蓄能電站上水庫(kù)混凝土面板堆石壩位于博格達(dá)山脈，一年中有多半年氣溫低于0℃，極端最低氣溫可達(dá)零下40 余攝氏度，晝夜溫差大，氣候干燥，紫外線強(qiáng)，風(fēng)沙大，自然條件惡劣。

上水庫(kù)庫(kù)盆兩岸陡峻，原河道地形為兩溝夾一梁，河道比降200‰，通過(guò)開挖中間山梁、庫(kù)盆回填和截溝筑壩形成上水庫(kù)，所以上水庫(kù)庫(kù)盆和壩基具有橫溝向地形呈“W”型起伏變化大和順溝向坡降大的特點(diǎn)，庫(kù)盆回填區(qū)和大壩填筑區(qū)不均勻沉降變形較突出；工程土石方開挖及填筑工程量巨大，工期緊張，施工布置困難，土石方平衡難度大。

上水庫(kù)擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程2275.0m，最大壩高133m 水庫(kù)大壩級(jí)別為1 級(jí)，壩頂長(zhǎng)442m。壩頂寬10m，上游壩坡1：1.4，壩后設(shè)任意料壓坡區(qū)，設(shè)寬10m 的“之”字形馬道。

2 碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

碾壓式土石壩填筑碾壓的施工中，主要圍繞著鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、行駛速度及激振力四個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行控制施工，常規(guī)方法是以操作手的主觀判斷和自身責(zé)任意識(shí)來(lái)保障，造成碾壓邊界不清、漏壓或過(guò)壓等受主觀和客觀因素產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷無(wú)據(jù)可查，無(wú)法追溯，尤其是“坑檢”的位置完全以人的主觀意識(shí)來(lái)確定，靠人工挖坑檢測(cè)的手段來(lái)完成，檢測(cè)精度有限，對(duì)坑檢不合格區(qū)域無(wú)法確定，由于壩體分層填筑的土方施工量巨大，僅靠事后個(gè)別點(diǎn)密實(shí)度檢測(cè)，無(wú)法消除壩體成型后的質(zhì)量隱患。缺少相應(yīng)的現(xiàn)代化技術(shù)手段來(lái)保障施工質(zhì)量的過(guò)程控制。

本工程引進(jìn)碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以使工作人員在壓實(shí)過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)壓實(shí)狀況、控制壓實(shí)質(zhì)量，有效地避免了“過(guò)壓”與“欠壓”等現(xiàn)象的發(fā)生，既能節(jié)省人力、縮短工期，又可以在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上加快施工進(jìn)度。大壩填筑碾壓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：智能壓實(shí)平臺(tái)服務(wù)器軟件；北斗TC63 智能壓實(shí)系統(tǒng)；華測(cè)北斗GNSS 高精度連續(xù)運(yùn)行基站等。

3 碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 工作原理

利用安裝在振動(dòng)碾上的監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件，實(shí)時(shí)處理在振動(dòng)碾上的GPS 接收機(jī)和各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化成碾壓施工所關(guān)注的重要參數(shù)，例如碾壓遍數(shù)、壓實(shí)測(cè)量值、碾壓區(qū)域、行駛路線、行使速度等，系統(tǒng)實(shí)時(shí)將這些信息與存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字設(shè)計(jì)基準(zhǔn)比較，以圖像化、數(shù)字化形式指示和引導(dǎo)操作人員正確施工。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)

本工程壩基地形狹窄，冬季漫長(zhǎng)寒冷，大壩設(shè)計(jì)填筑工期短，施工強(qiáng)度大，要求質(zhì)量高。

（1）為了確保壩體填筑碾壓質(zhì)量，同時(shí)加快施工進(jìn)度，采用GPS 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)徹底解決人工控制碾壓參數(shù)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了可視化、實(shí)時(shí)、精確地對(duì)影響碾壓參數(shù)的關(guān)鍵因素進(jìn)行控制，最終有望達(dá)到了預(yù)期效果。

（2）冬季施工期間，壩體填筑需減小鋪料厚度，增加碾壓遍數(shù)至少2遍，增加碾壓遍數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的碾壓參數(shù)施工，確保壩體填筑指標(biāo)。

（3）遇下雪天氣，提前對(duì)壩面填筑區(qū)采用塑料薄膜覆蓋。天氣轉(zhuǎn)好后，對(duì)填筑區(qū)域進(jìn)行晾曬，特殊情況下需對(duì)表層進(jìn)行清理。

3.3 施工工藝

上水庫(kù)大壩堆石料填筑施工工藝流程如下：

3.4 碾壓實(shí)時(shí)監(jiān)控

上水庫(kù)混凝土面板堆石壩填筑采用數(shù)字化（GPS）質(zhì)量控制，對(duì)填筑面實(shí)時(shí)監(jiān)控碾壓機(jī)械的行駛速度、激振力、運(yùn)行軌跡、碾壓遍數(shù)及壓實(shí)厚度，全面實(shí)現(xiàn)碾壓過(guò)程參數(shù)的連續(xù)、實(shí)時(shí)、自動(dòng)、高精度監(jiān)控。

單元碾壓結(jié)束后，系統(tǒng)支持碾壓?jiǎn)卧晒治鰣?bào)告的輸出，輸出內(nèi)容包括碾壓軌跡圖、行車速度分布圖、碾壓遍數(shù)圖（無(wú)振和有振）、壓實(shí)后高程分布圖等，作為質(zhì)量驗(yàn)收的輔助材料。

4 應(yīng)用效果

4.1 碾壓過(guò)程回放設(shè)置

除了實(shí)時(shí)觀測(cè)碾壓的實(shí)際情況外，由于所有的數(shù)據(jù)都已經(jīng)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此還可以對(duì)已經(jīng)碾壓的全過(guò)程實(shí)際情況進(jìn)行回放，作為施工效果的評(píng)價(jià)依據(jù)。

4.2 碾壓過(guò)程及時(shí)反饋

上水庫(kù)大壩總填筑量：510 萬(wàn)m3，月高峰強(qiáng)度：35 萬(wàn)m3/月。日均填筑量較大。填筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的投入運(yùn)行，有效避免了大壩填筑碾壓設(shè)備行駛超速、碾壓路徑分布不均、碾壓厚度不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，有效地保證了上水庫(kù)大壩工程質(zhì)量和進(jìn)度，避免了因碾壓質(zhì)量不合格而增加的返工成本。

當(dāng)碾壓設(shè)備操作人員、施工人員和現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控人員接收到系統(tǒng)發(fā)布的報(bào)警，根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)反饋的填筑施工質(zhì)量監(jiān)控信息（如：提示的不達(dá)標(biāo)的詳細(xì)內(nèi)容以及所在空間位置等），碾壓設(shè)備已進(jìn)行必要處理（如：按提示指令，進(jìn)行補(bǔ)碾，調(diào)整運(yùn)行軌跡等），從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋與動(dòng)態(tài)修正，提高施工過(guò)程質(zhì)量。

4.3 碾壓控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)施工方式的對(duì)比（見(jiàn)表1）

表1

振動(dòng)碾上安裝碾壓控制系統(tǒng)，操作手能夠借助系統(tǒng)提供的豐富信息，掌控壓輪在碾壓區(qū)更好的按照相關(guān)規(guī)范要求去工作。對(duì)振動(dòng)碾的碾壓方向及碾壓遍數(shù)都能及時(shí)監(jiān)控、記錄，從而滿足工程進(jìn)度和質(zhì)量的要求。

4.4 冬季填筑GPS 碾壓監(jiān)控系統(tǒng)效果分析

冬季填筑施工不灑水，但須增加碾壓遍數(shù)至少2 遍來(lái)控制，加水量為0%，故冬季填筑碾壓12 遍。阜康抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩主堆石料設(shè)計(jì)干密度為2.17kN/m3。

4.4.1 GPS 碾壓監(jiān)控系統(tǒng)使用前后對(duì)比

對(duì)大壩主堆石在使用GPS 碾壓監(jiān)控系統(tǒng)之前和之后一段時(shí)間內(nèi)干密度試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出如下結(jié)論：

（1）使用前后所測(cè)主堆石料干密度均符合設(shè)計(jì)要求，但使用碾壓監(jiān)控系統(tǒng)后主堆石料的干密度普遍大于使用前的密度，填筑質(zhì)量較好。

（2）通過(guò)曲線趨勢(shì)分析，使用后的曲線趨勢(shì)線更為平穩(wěn)，說(shuō)明使用碾壓監(jiān)控系統(tǒng)后質(zhì)量更穩(wěn)定。

4.4.2 CMV 數(shù)據(jù)（反映壓實(shí)度的值）和干密度對(duì)比分析

振動(dòng)碾車載部分：按照碾壓參數(shù)設(shè)計(jì)要求將目標(biāo)碾壓遍數(shù)、目標(biāo)CMV 值（定為52）、目標(biāo)厚度等參數(shù)設(shè)置到控制箱中，機(jī)手按照控制箱各參數(shù)的提示以及碾壓軌跡進(jìn)行碾壓施工即可，當(dāng)各參數(shù)達(dá)到設(shè)定值即為碾壓完成，無(wú)需再憑記憶或者猜測(cè)施工。

數(shù)據(jù)監(jiān)控：碾壓現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回到施工管理辦公室，技術(shù)人員在專業(yè)的軟件平臺(tái)上查看現(xiàn)場(chǎng)碾壓情況，一旦出現(xiàn)漏壓、參數(shù)沒(méi)有達(dá)到要求等情況，可立即指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修正。還可以選擇CMV 值相對(duì)較低的區(qū)域重點(diǎn)進(jìn)行坑檢，以達(dá)到整體質(zhì)量控制。

將CMV 數(shù)據(jù)和干密度數(shù)據(jù)用軟件做成線性圖，兩者具有一定的相關(guān)性，如圖1、圖2 所示。

圖1 第一層檢測(cè)點(diǎn)對(duì)比

圖2 第二層檢測(cè)點(diǎn)對(duì)比

通過(guò)主堆石兩次碾壓試驗(yàn)的結(jié)果，我們分析后認(rèn)為：

（1）碾壓試驗(yàn)所選用的施工碾壓機(jī)具SSR260 自行式振動(dòng)平碾等可用于壩體填筑施工，采用進(jìn)占法鋪料是較理想的施工程序并符合規(guī)范要求。

（2）選定的80cm 鋪料厚度、2km/h 碾壓行車速度，不小于10cm 的錯(cuò)距法、振動(dòng)碾壓12 遍基本保證設(shè)計(jì)要求且經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)于局部薄弱處增加碾壓遍數(shù)以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過(guò)大壩智能碾壓系統(tǒng)記錄的面狀監(jiān)測(cè)CMV 統(tǒng)計(jì)值，查找碾壓區(qū)域干密度薄弱點(diǎn)的方法，有針對(duì)性的進(jìn)行干密度復(fù)測(cè)檢驗(yàn)，提高了施工效率。避免了出現(xiàn)對(duì)整個(gè)施工區(qū)域碾壓質(zhì)量的錯(cuò)判，保證整體作業(yè)面壓實(shí)均勻性。

（4）大壩填筑壓實(shí)參數(shù)實(shí)時(shí)，全程記憶、記錄及可追溯性，對(duì)大壩填筑過(guò)程的檢查監(jiān)督和大壩竣工后安全評(píng)價(jià)提供了真實(shí)可靠的有利條件。

5 結(jié)語(yǔ)

碾壓監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)建立以監(jiān)控系統(tǒng)為核心的“監(jiān)測(cè)-分析-反饋-處理”的監(jiān)控體系，對(duì)大壩填筑過(guò)程和填筑質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩施工的全天候、全過(guò)程在線監(jiān)測(cè)與控制，有效地提高了阜康抽水蓄能電站上水庫(kù)大壩施工水平和效率，確保工程質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)。