碾壓混凝土施工監(jiān)控系統(tǒng)應用與研究

韓樹軍 趙宇飛

隨著水利水電工程技術的發(fā)展，碾壓混凝土筑壩技術趨于成熟，但是在碾壓混凝土施工過程中，質(zhì)量監(jiān)控方面還缺乏簡單易行的手段。雙峰寺水庫工程使用碾壓混凝土施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，采集碾壓混凝土施工中的各項質(zhì)量控制參數(shù)，通過整理分析用圖形直觀地顯示出來，可重現(xiàn)大壩碾壓混凝土施工過程，利用碾壓混凝土施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，對碾壓混凝土施工進行全程監(jiān)控，并通過監(jiān)控系統(tǒng)軟件進行質(zhì)量分析與控制，以保證碾壓混凝土的施工質(zhì)量，取得了較好的質(zhì)量控制效果。

1.基本情況

1.1 工程概況

雙峰寺水庫工程位于承德市武烈河下游，壩址在承德避暑山莊上游約8km 處，水庫設計總庫容 1.373 億 m3，興利庫容 0.45 億 m3，控制流域面積2303km2，是一座以防洪為主的大（II）型水利樞紐工程，是水利部172 項重大水利工程之一，其主要建筑物有攔河壩、發(fā)電和引水建筑物等；擋水建筑物采用碾壓混凝土重力壩，共分為24 個壩段，從右至左依次布置右岸非溢流壩段4 個、溢流壩段5 個、河床非溢流壩段1 個、底孔壩段 2 個、電站壩段 1 個和左岸非溢流壩段11 個，壩高50.1m，壩頂長533m；電站為壩后式，布置在電站壩段的下游，攔河壩是整個樞紐工程的主要建筑物，攔河壩的建設質(zhì)量關系到整個工程建設與運行安全，是工程質(zhì)量控制的重點，該工程共澆筑混凝土56.22萬 m3，其中碾壓混凝土 42.8 萬 m3，碾壓混凝土施工質(zhì)量控制是重點中的重點。

1.2 大壩碾壓混凝土澆筑方式

1.2.1 分區(qū)施工

依據(jù)施工導流設計方案，碾壓混凝土大壩澆筑分兩期施工，1 期施工10#～24#壩段，2 期施工 1#～9#壩段，按照壩體結(jié)構特點、拌和樓能力、倉面特性和入倉方式等，共分8 個區(qū)；倉面最大面積為7769m2，最大倉面碾壓混凝土工程量為91294m3；倉面最小面積為405m2，最小倉面澆筑工程量為5940m3。

1.2.2 分層施工

壩體碾壓混凝土施工原則上每倉澆筑高度為3m，層面初凝后采用沖毛處理，保證層面結(jié)合良好，上、下游壩面使用翻升鋼模板，可斷續(xù)澆筑上升；結(jié)合雙峰寺水庫大壩工程的結(jié)構特性、采取的入倉方式，并考慮澆筑倉面的分區(qū)，具體的分層再做適當?shù)恼{(diào)整，采用斜層鋪筑碾壓工藝，壩體不設縱縫，壩體橫縫用切縫機切縫成型。

1.3 大壩碾壓混凝土施工過程

1.3.1 碾壓混凝土拌制與運輸

該工程在大壩下游左岸100m 處布置 1 座 2×4.5m3強制式拌和樓，每小時拌制碾壓混凝土240m3，可以滿足碾壓混凝土月最高澆筑量6.36 萬m3和最大澆筑強度200m3/h 要求；混凝土水平運輸采用15t 自卸汽車直接入倉，壩體內(nèi)廊道處采用疊預制塊過倉，依據(jù)倉面大小設1～2 個過倉口，隨碾壓層的升高交替上升；自卸汽車在攪拌站采用兩次接料，即裝車4.5m3后，小車向前行駛約0.5m，在車內(nèi)形成兩點堆垛，降低堆料高度，以減少自卸車裝載的集料間距。

1.3.2 卸料攤鋪與平倉

碾壓混凝土卸料采用后退法以減輕骨料分離，使用SD13S 平倉機平倉，大倉面薄層連續(xù)鋪設，結(jié)合混凝土的拌制及鋪筑能力，溫控要求，壩體分塊尺寸及細部構造等因素，依據(jù)壓實試驗確定鋪料厚度為34cm。

1.3.3 碾壓作業(yè)施工

碾壓混凝土施工作業(yè)采用通倉薄層鋪筑方式，振動碾的行走速度一般在1.0～1.5km/h 范圍內(nèi)；碾壓方向平行于壩軸線方向；碾壓作業(yè)采用搭接法，碾壓條帶間的搭接寬度為10～20cm，端頭部位搭接寬度為100cm 左右，每層碾壓作業(yè)后按方格點及時測定混凝土的壓實容重，連續(xù)上升鋪筑混凝土施工，經(jīng)平倉后及時碾壓，以保證碾壓混凝土從入倉至碾壓結(jié)束歷時不大于2h，碾壓混凝土表面應全面泛漿和略有彈性；碾壓過程中，機手應實時查看各項參數(shù)，確保碾壓遍數(shù)，碾壓沉降值與設定值相同，通過輪跡圖像調(diào)整碾壓部位，確保碾壓均勻，并與核子密度儀現(xiàn)場測量的結(jié)果相比較，適當調(diào)整碾壓軌跡和碾壓遍數(shù)，保證壓實質(zhì)量滿足設計要求。伸縮縫采用切縫成型，縫寬為1.0～1.2cm，采用先碾壓達到壓實容重后切縫，再進行騎縫補碾壓。

2.碾壓混凝土質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)點

該系統(tǒng)集合GPS 高精度定位技術、數(shù)據(jù)通信傳輸技術等高新科技，現(xiàn)場安裝碾壓機械移動監(jiān)測點、網(wǎng)絡中繼站等硬件設備，在主控中心與現(xiàn)場分控站對碾壓機械進行連續(xù)、實時、高精度的自動定位從而進行碾壓遍數(shù)分析與顯示，可通過圖像傳輸進行遠程監(jiān)控，與傳統(tǒng)施工監(jiān)控方式相比，施工單位和監(jiān)理單位現(xiàn)場管理人員大幅減少，一方面節(jié)省現(xiàn)場監(jiān)控人員，提高碾壓效率，另一方面可提高碾壓混凝土施工作業(yè)的安全性，此外，利用該系統(tǒng)可以對平行壩軸線和垂直壩軸線方向進行剖面切割，直觀地展示大壩填筑過程中每層的層厚分布以及層與層之間的結(jié)合情況，由此實現(xiàn)碾壓混凝土施工過程的有效監(jiān)控，通過后期鉆孔取芯對比進行驗證，可精確分析每個單元的壓實質(zhì)量。

3.碾壓混凝土質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)配置

3.1 硬件系統(tǒng)配置

通過在碾壓機上安裝機載GPS 高精度定位設備，采用RTK 差分定位方式，其定位精度達到厘米級，滿足碾壓遍數(shù)與壓實厚度監(jiān)控的精度要求，采用實時快速定位技術進行監(jiān)控；在碾壓設備的操縱室中，安裝平板控制臺，以方便機手實時查看工作面的碾壓遍數(shù)、碾壓沉降值等施工過程信息；在碾壓設備的碾壓輥子軸心處安裝相關傳感器，能夠?qū)崟r將碾壓設備的振動頻率及壩料壓實情況進行采集，并實時顯示在駕駛室內(nèi)安裝的平板控制臺上，便于機手實時對碾壓設備施工參數(shù)進行調(diào)整，保證工程碾壓質(zhì)量；在碾壓設備上同時安裝了視頻設備，以便對碾壓設備前方的施工狀態(tài)以及混凝土攤鋪狀態(tài)進行整體了解，另外,在駕駛室內(nèi)安裝了語音報警器，當車輛在碾壓速度等方面超限時，系統(tǒng)會通過報警器提示駕駛員并進行實時反饋。

3.2 大壩混凝土碾壓施工過程控制指標的確定

根據(jù)以往碾壓混凝土大壩施工過程質(zhì)量控制經(jīng)驗，結(jié)合雙峰寺水庫大壩結(jié)構設計及施工組織設計，以及所建立的大壩碾壓施工過程質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件特性，選擇碾壓速度、碾壓遍數(shù)、鋪層厚度、碾壓設備振動狀態(tài)等方面參數(shù)，為雙峰寺水庫大壩碾壓施工過程質(zhì)量控制指標。

3.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是基于云計算與物聯(lián)網(wǎng)技術基礎上，通過B/S 體系結(jié)構以及中間件技術構架而建立起來的，實現(xiàn)大壩填筑施工過程管理業(yè)務與數(shù)據(jù)的集中管理，以壩體填筑碾壓施工過程信息采集數(shù)字化、標準化、可視化為基礎，對碾壓混凝土施工過程中的鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、激振力、碾壓設備行走速度等方面進行施工過程控制，并結(jié)合大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)以及云計算技術，在系統(tǒng)平臺上開發(fā)了數(shù)據(jù)整理分析模塊，并利用圖形直觀的顯示出來，輸出圖形圖案等結(jié)果，通過網(wǎng)絡在計算機等數(shù)據(jù)終端中打開網(wǎng)頁瀏覽器，輸入雙峰寺水庫碾壓混凝土大壩施工過程監(jiān)控系統(tǒng)地址，就可以了解目前大壩施工過程信息，以及對采集到的混凝土大壩碾壓施工過程數(shù)據(jù)進行分析，保證大壩填筑施工過程能夠滿足設計要求。

4.碾壓混凝土質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要管理模塊功能

4.1 工程信息管理與展示

依據(jù)雙峰寺水庫工程實施中對大壩碾壓混凝土工程的單元劃分情況，可按照大壩分區(qū)，大壩分段、碾壓混凝土分倉、分層以及大壩中相應的混凝土單元工程信息進行采集與處理，這樣就可以對不同區(qū)域和施工部位的碾壓混凝土施工過程中采集到的數(shù)據(jù)進行歸納與分析，確定碾壓施工參數(shù)，為數(shù)據(jù)整理與現(xiàn)場檢測分析提供基礎信息，還可根據(jù)大壩施工組織計劃以及碾壓試驗后確定的最終施工過程參數(shù)進行碾壓施工參數(shù)設置，是大壩施工質(zhì)量分析中重要的評價標準。

4.2 數(shù)據(jù)管理與分析

按照單元工程項目劃分對每個單元的碾壓施工過程中采集到的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)整理與分析，提取相對應的信息對數(shù)據(jù)文件進行歸類和判別，主要判別的指標有：機車代碼，碾壓開始與結(jié)束時間，以及數(shù)據(jù)采集點的空間位置，這樣就可以將數(shù)據(jù)文件精確的歸集到確定的單元工程中去，便于數(shù)據(jù)管理與分析。

4.3 質(zhì)量控制與分析

通過該系統(tǒng)，可以對施工過程中的碾壓遍數(shù)，碾壓超限次數(shù)，碾壓設備行走速度均值、最終值，碾壓設備激振力超限次數(shù)，激振力均值、最終值，壓實層厚度以及行車軌跡這些重要指標進行監(jiān)控并分析，可以重演碾壓混凝土施工實際過程，這對于施工優(yōu)化以及后期工程檢測有著重要意義。

5.碾壓混凝土質(zhì)量監(jiān)控效果分析

碾壓混凝土達到設計齡期后，選擇具有典型特征的5 個部位進行鉆孔取芯試驗，鉆孔取芯176.5m，制作試件64個，分別檢測了試件的抗壓強度、表觀密度、軸心抗壓強度、抗壓彈性模量、軸心抗壓強度、極限拉伸值、抗?jié)B指標、抗凍性能等，各項指標全部達到設計指標，通過芯樣的外觀和斷裂的部位與監(jiān)控系統(tǒng)對應的模塊和圖形進行比對，能夠高度吻合，表明混凝土碾壓監(jiān)控系統(tǒng)各項參數(shù)的采集和處理形成的圖形模塊，與碾壓實際情況相符，通過碾壓混凝土監(jiān)控系統(tǒng)輸出的圖形和各項參數(shù)，可復核混凝土碾壓質(zhì)量，能有效監(jiān)控碾壓混凝土施工過程和質(zhì)量。

6.結(jié)語

碾壓混凝土施工質(zhì)量控制的關鍵環(huán)節(jié)是碾壓工序質(zhì)量控制，有針對性地對碾壓混凝土施工碾壓工序進行科學控制可以確保碾壓混凝土的工程質(zhì)量，碾壓監(jiān)控系統(tǒng)可以對碾壓混凝土施工過程進行模擬試驗，通過對碾壓混凝土質(zhì)量控制指標數(shù)據(jù)的采集、分析、監(jiān)控，總結(jié)出符合工程實際的施工狀態(tài)，可以優(yōu)化后期施工方案。碾壓監(jiān)控系統(tǒng)可以同時讓施工方、監(jiān)理方和建設方以及其他各方在各自的監(jiān)控室內(nèi)及時了解施工狀況，并通過監(jiān)控系統(tǒng)分析碾壓狀態(tài)，保證碾壓混凝土的施工質(zhì)量，可為類似碾壓填筑工程施工質(zhì)量控制提供借鑒。