碾壓監(jiān)控系統(tǒng)在面板堆石壩填筑中的運用

鄧 蘇

(貴州省水利投資(集團)有限責(zé)任公司，貴陽 550000)

1 黃家灣水利樞紐工程簡介

黃家灣水利樞紐工程位于貴州省安順市南部紫云縣境內(nèi)，壩址在紅水河的一級支流格凸河中游河段。擋水大壩為面板堆石壩，最大壩高81.0m，壩頂高程為1059.0m，壩頂寬10.0m，壩軸線長360.54m。壩體采用鋼筋混凝土面板防滲，面板后部設(shè)墊層區(qū)和過渡區(qū)，過渡區(qū)后為大壩堆石區(qū)，壩體填筑總方量約170萬m3。

2 碾壓監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)及運行

2.1 碾壓監(jiān)控系統(tǒng)引入

工程大壩為面板堆石壩，通過碾壓試驗確定墊層區(qū)、過渡區(qū)及堆石區(qū)參數(shù)見表1。

表1 黃家灣大壩填筑料碾壓參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)

工程施工質(zhì)量受控于“人、機、料、法、環(huán)”五個因素，工程大壩分區(qū)分塊碾壓填筑，過程中易造成分塊搭接漏碾或碾壓遍數(shù)不足等，需投入大量人員進行現(xiàn)場記錄和管控，工作重復(fù)單一，且在午間、夜間等時段易形成管理真空時段，“人”的因素成為影響工程質(zhì)量的主要因素。故工程大壩填筑引進碾壓監(jiān)控系統(tǒng)，以便及時發(fā)現(xiàn)存在問題并做出快速調(diào)整，進一步做好壩體填筑質(zhì)量過程控制。

2.2 碾壓監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

1)碾壓機動態(tài)參數(shù)監(jiān)控功能：

根據(jù)壩體填筑參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠動態(tài)采集和監(jiān)測碾壓機運行軌跡、速度、振動狀態(tài)和壓實度等，集成后實時自動計算和統(tǒng)計倉面碾壓遍數(shù)、錯距、壓實厚度、壓后高程及壓實度，并在大壩施工數(shù)字地圖上可視化顯示[1-2]。

2)質(zhì)量控制指標(biāo)預(yù)報警功能：

當(dāng)碾壓機運行超速、以及激振力、碾壓遍數(shù)等碾壓參數(shù)或壓實度不達標(biāo)時，系統(tǒng)自動發(fā)送報警信息。報警信息同時發(fā)送給碾壓機操作手，并在監(jiān)控視頻終端提示，以便及時指示返工或調(diào)整，同時把信息寫入異常數(shù)據(jù)庫備查。

3)監(jiān)控報表輸出：

在每個監(jiān)控單元施工結(jié)束后，輸出碾壓質(zhì)量圖形報表，包括碾壓軌跡圖、行車速度和激振力情況圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實厚度圖和壓實高程圖等，為質(zhì)量判定提供依據(jù)。

4)歷史查詢：

所有施工倉面碾壓質(zhì)量信息保存至數(shù)據(jù)庫，后期可追溯監(jiān)控倉面的施工過程，也可為其他信息化工程提供大壩碾壓過程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 碾壓監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

1)軟件方面：

軟件由天津大學(xué)自主研發(fā)，通過在現(xiàn)場碾壓設(shè)備安裝振動監(jiān)測及設(shè)備位置定位等儀器進行數(shù)據(jù)采集，同時將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊锌刂浦行?，?jīng)過軟件對傳輸數(shù)據(jù)與設(shè)定碾壓遍數(shù)、鋪料厚度及設(shè)備行走速率等進行實時分析，異常信息可以在集控終端顯示界面反饋，同時通過現(xiàn)場碾壓設(shè)備裝置報警方式將異常情況反饋給現(xiàn)場操作人員，指導(dǎo)現(xiàn)場快速做出調(diào)整，實現(xiàn)質(zhì)量過程控制。

2)硬件方面：

本系統(tǒng)主要依托衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無線傳輸技術(shù)及有線傳輸技術(shù)，需建立GNSS差分基準(zhǔn)站、碾壓機流動站、監(jiān)控中心和通信系統(tǒng)等。

2.4 差分基站

GNSS差分基準(zhǔn)站是整個監(jiān)控系統(tǒng)的“位置標(biāo)準(zhǔn)”。為了提高GNSS接收機的計算精度，使用RTK動態(tài)差分技術(shù)，利用已知的基準(zhǔn)點坐標(biāo)來修正實時獲得的測量結(jié)果。通過數(shù)據(jù)鏈，將基準(zhǔn)站的GNSS觀測數(shù)據(jù)和已知位置信息實時發(fā)送給GNSS流動站，與流動站的GNSS觀測數(shù)據(jù)一起進行載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，從而計算出流動站的空間位置信息，使水平定位精度可達±(8+1×10-6×D)mm，垂直定位精度可達±(15+1×10-6×D)mm)，完全滿足大壩碾壓質(zhì)量控制精度的要求。本工程差分基站建立于場地開闊、衛(wèi)星信號良好的右壩肩平臺上。

2.5 碾壓機流動站

碾壓機械碾壓過程自動監(jiān)測裝置包括有：衛(wèi)星定位接收機、衛(wèi)星天線、激振力模塊、無線傳輸模塊(DTU)等。

通過安裝在碾壓機械上的GNSS接收機、激振力感應(yīng)器可獲得大壩填筑碾壓施工過程中碾壓機位置、行進速度、碾壓遍數(shù)、激振力狀態(tài)等監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后將有效的觀測結(jié)果，通過DTU數(shù)據(jù)傳輸裝置連續(xù)、實時地上傳至中心數(shù)據(jù)庫，供后續(xù)系統(tǒng)軟件進行應(yīng)用分析。

2.6 通信系統(tǒng)設(shè)計

針對壩面碾壓機監(jiān)控信息通信方式，利用中國電信運營商網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。根據(jù)現(xiàn)場實際情況及系統(tǒng)設(shè)計，總控中心部署了固定公網(wǎng)IP地址，帶寬為100Mbps，分控站接入帶寬為100Mbps。

2.7 監(jiān)控中心設(shè)置

監(jiān)控中心由服務(wù)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、安全備份系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)等組成。本系統(tǒng)主要用于輔助現(xiàn)場施工質(zhì)量管理，故將總控中心設(shè)置在施工單位現(xiàn)場項目部，同時在業(yè)主臨時駐地、監(jiān)理單位項目部設(shè)置分屏監(jiān)控中心，實現(xiàn)了多屏同時監(jiān)管查看功能。

2.8 碾壓系統(tǒng)運行

本系統(tǒng)于大壩填筑初期投運，界面操作簡單，對人員業(yè)務(wù)技術(shù)水平要求不高，簡單培訓(xùn)即可上崗。監(jiān)控系統(tǒng)投運以來監(jiān)測情況如下：

1)碾壓速度統(tǒng)計分析：

共監(jiān)控到碾壓機因司機操作失誤連續(xù)10s超速行駛而引起報警2535次，平均每天每臺班超速約3.71次，所有發(fā)現(xiàn)不規(guī)范問題均得到及時快速調(diào)整，有效確保了施工質(zhì)量。

2)碾壓振動狀態(tài)統(tǒng)計分析：

大壩填筑碾壓過程監(jiān)控系統(tǒng)未監(jiān)控到由于操作失誤導(dǎo)致碾壓機振動狀態(tài)不達標(biāo)現(xiàn)象。

3)碾壓遍數(shù)統(tǒng)計分析：

全程監(jiān)控堆石料區(qū)980.4m-1051.6m高程施工倉面共196個，高振碾壓10遍及以上區(qū)域所占比例最低為90.00%，最高為99.35%，平均為94.13%。局部機械設(shè)備不能用大型設(shè)備碾壓區(qū)域均采用小型振動設(shè)備輔助壓實。

全程監(jiān)控過渡料區(qū)980m-1051.2m高程施工倉面共161個，高振碾壓8遍及以上區(qū)域所占比例最低為90.00%，最高為99.56%，平均為93.92%。局部大型設(shè)備不能碾壓區(qū)域均采用小型振動設(shè)備輔助壓實。

圖1 堆石壩填筑大壩填筑碾壓過程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端程序初始界面圖

全程監(jiān)控墊層料區(qū)983.2m-1051.2m高程施工倉面共176個，高振碾壓8遍及以上區(qū)域所占比例最低為90.12%，最高為99.87%，平均為95.04%。局部大型設(shè)備不能碾壓區(qū)域均采用了小型振動設(shè)備輔助壓實。

圖2 大壩填筑碾壓過程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端監(jiān)控界面

3 成 效

工程壩體于2018年11月開始填筑，至2019年7月1日全部填筑完成，平均填筑強度21.25萬m3/月，最大達到25萬m3/月。

3.1 試驗檢測情況

壩體填筑質(zhì)量試驗檢測采用試坑法，其中墊層料挖坑檢測292組、過渡料檢測39組、堆石區(qū)檢測120組，所有抽檢的試坑各項指標(biāo)均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，表明大壩碾壓填筑質(zhì)量良好。

3.2 大壩沉降觀測情況

根據(jù)《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》(SL49-2015)，高壩預(yù)沉降期4-6個月，壩頂位移標(biāo)點月沉降量<3-5mm作為變形穩(wěn)定判別標(biāo)準(zhǔn)。本工程大壩自2020年8月1日取得壩頂沉降觀測初值，至2020年10月1日，壩頂位移累計沉降在4.43mm-5.41mm以內(nèi)，僅用時3個月就達到月沉降量在5mm以內(nèi)的控制指標(biāo)，表明壩體填筑質(zhì)量總體良好。

4 結(jié)論及建議

1)采用該監(jiān)控系統(tǒng)省去了人工現(xiàn)場記錄碾壓遍數(shù)的繁瑣，減輕了施工人員的勞動強度，提高了工作效率，同時最大限度避免了“人”的因素對工程建設(shè)質(zhì)量造成的影響。

6)本監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)大壩填筑質(zhì)量控制可視化，同時實現(xiàn)了遠程集控及現(xiàn)場異常情況報警“雙監(jiān)控”，增加了質(zhì)量管控輔助手段，進一步提高了工程質(zhì)量管控水平。

3)針對堆石壩、碾壓混凝土壩及公路路基處理等需要開展碾壓施工且施工時段持續(xù)時間長的同類型項目，可以引入文章所述的碾壓監(jiān)控系統(tǒng)，有助于現(xiàn)場實體質(zhì)量控制及提高工作效率。