關(guān)于混凝土面板堆石壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)功能的探討

陳 平，劉微微

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.杭州超峰市政工程有限公司，浙江 杭州 311199）

1 問(wèn)題的提出

混凝土面板堆石壩是以堆石為主體材料，以混凝土面板作為防滲體的一種土石壩型。與常規(guī)的壩型相比，具有投資省、工期短、安全性高、就地取材、施工不受氣候影響、導(dǎo)流工程簡(jiǎn)單和地基適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)水利水電工程建設(shè)的發(fā)展，混凝土面板堆石壩已經(jīng)成為一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的壩型。面板堆石體的施工質(zhì)量，主要與壩料的級(jí)配和填筑密實(shí)度有關(guān)，因此在堆石壩的施工中，有效控制壩料級(jí)配和填筑密實(shí)度是保證大壩施工質(zhì)量的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的施工中，主要依靠人工現(xiàn)場(chǎng)控制碾壓參數(shù)（如碾壓速度與遍數(shù)）和人工挖試坑取樣的檢測(cè)方法來(lái)控制施工質(zhì)量，與大規(guī)模機(jī)械化施工不相適應(yīng)，也難以達(dá)到大壩的施工質(zhì)量控制要求[1]。早在2002年，吳曉銘對(duì)面板堆石壩填筑施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的方案進(jìn)行研究，并在水布埡水電站混凝土面板堆石壩中成功應(yīng)用[2-3]。針對(duì)面板堆石壩施工特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，有必要對(duì)面板堆石壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)功能進(jìn)行探討和研究，以適應(yīng)面板堆石壩機(jī)械化施工質(zhì)量管理的要求。

2 混凝土面板堆石壩施工特點(diǎn)

2.1 地理位置偏遠(yuǎn)，露天作業(yè)多

混凝土面板堆石壩屬于水利工程中的擋水建筑物，多修建于高山河谷地區(qū)，距離城市和集鎮(zhèn)相對(duì)較遠(yuǎn)，交通不便，路況較差。同時(shí)面板堆石壩以石方開(kāi)挖和填筑為主，均為露天作業(yè)，施工環(huán)境相對(duì)較差。

2.2 分區(qū)填筑施工，料場(chǎng)數(shù)量多

混凝土面板堆石壩壩體從下游到上游分別是面板、墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)，每層填料的粒徑、級(jí)配和孔隙率要求都不同，在填筑施工過(guò)程中，需要分區(qū)施工，同時(shí)受料場(chǎng)存儲(chǔ)量和料源質(zhì)量的限制，同一工程往往選用多個(gè)主料場(chǎng)和備用料場(chǎng)，不同料場(chǎng)之間距離相對(duì)較遠(yuǎn)。

2.3 工期要求嚴(yán)格，全天候不間斷施工

混凝土面板堆石壩由于填筑方量較大，在水利工程施工過(guò)程中，通常位于總工期的關(guān)鍵線路上，工期相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)存在汛期施工問(wèn)題。根據(jù)工程的防洪度汛方案，汛前大壩需要填筑到相應(yīng)的防洪度汛高程，確保工程安全度汛，因此工期要求極為嚴(yán)格。一旦開(kāi)始填筑，除了極端天氣以外，需要進(jìn)行全天候施工，確保完成防洪度汛節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，施工壓力大。

2.4 填筑方量大，機(jī)械設(shè)備投入多

混凝土面板堆石壩往往填筑方量較大，如水布婭水電站面板堆石壩壩體調(diào)整方量高達(dá)1 666.4萬(wàn)m3[3]。大壩填筑過(guò)程中主要機(jī)械設(shè)備包括挖掘機(jī)、自卸汽車(chē)、推土機(jī)、碾壓機(jī)械等，由于填筑方量較大，作業(yè)面和施工區(qū)機(jī)械設(shè)備數(shù)量較多且比較分散，調(diào)度和管理難度大。

2.5 影響因素多，填筑質(zhì)量控制難度大

混凝土面板堆石壩填筑施工過(guò)程繁雜。材料方面，大壩填筑料源級(jí)配及含水率等參數(shù)的差異性大；設(shè)備方面，不同碾壓設(shè)備之間的參數(shù)差異較大，包括設(shè)備型號(hào)、激振力、行車(chē)速等；人員方面，填筑過(guò)程中涉及人員較多，包括司機(jī)、施工技術(shù)人員、監(jiān)理單位技術(shù)人員和業(yè)主代表等；管理方面，填筑過(guò)程中對(duì)機(jī)械的管理通常通過(guò)人工控制，對(duì)碾壓遍數(shù)、振動(dòng)頻率、行駛軌跡、行車(chē)速度等相關(guān)參數(shù)很難做到精確控制。

3 大壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)功能

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)在碾壓機(jī)械上安裝北斗RTK定位監(jiān)測(cè)設(shè)備裝置、工業(yè)顯示裝置、振動(dòng)頻率采集裝置等，對(duì)碾壓施工機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，監(jiān)控對(duì)混凝土質(zhì)量有影響的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心和總監(jiān)控中心。便于現(xiàn)場(chǎng)管理人員和其他管理人員通過(guò)電腦和手機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)，及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工質(zhì)量，克服面板堆石壩地理位置偏遠(yuǎn)和露天作業(yè)多的困難。該系統(tǒng)通過(guò)北斗/GPS雙模，定位差分構(gòu)建實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)平面精度±1 cm、垂直精度±2 mm的高精度定位，滿(mǎn)足碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的需要。

3.2 車(chē)輛運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

車(chē)輛運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)上壩運(yùn)輸車(chē)輛安裝車(chē)輛自動(dòng)定位設(shè)備和自動(dòng)監(jiān)測(cè)卸料裝置，從而實(shí)現(xiàn)上壩運(yùn)輸車(chē)輛從料場(chǎng)到壩面的全程監(jiān)控，解決面板堆石壩由于分區(qū)施工、料場(chǎng)分散、施工車(chē)輛多而導(dǎo)致的管理難度大的問(wèn)題。該系統(tǒng)主要包括料場(chǎng)料源匹配動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及報(bào)警，各分區(qū)和不同來(lái)源的各種性質(zhì)料源的上壩強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)、上壩方量統(tǒng)計(jì)，道路行車(chē)密度統(tǒng)計(jì)，各工作面車(chē)輛優(yōu)化調(diào)度、車(chē)輛信息及空滿(mǎn)載監(jiān)視和車(chē)輛運(yùn)輸上壩三維動(dòng)態(tài)監(jiān)視等。

3.3 實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)

實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)可以對(duì)碾壓機(jī)械的運(yùn)行速度、振動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)相關(guān)參數(shù)達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)要求時(shí)，自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息給車(chē)輛司機(jī)、施工技術(shù)人員和監(jiān)理人員，提示不達(dá)標(biāo)的詳細(xì)內(nèi)容以及所在空間位置等，并在電腦監(jiān)控終端進(jìn)行醒目提示，同時(shí)把該報(bào)警信息寫(xiě)入施工異常數(shù)據(jù)庫(kù)備查。該系統(tǒng)可以使一線作業(yè)人員和管理人員動(dòng)態(tài)掌握碾壓機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)糾偏，確保碾壓設(shè)備運(yùn)行滿(mǎn)足碾壓試驗(yàn)報(bào)告的要求。

3.4 碾壓機(jī)械指引系統(tǒng)

碾壓機(jī)械指引系統(tǒng)是通過(guò)車(chē)載GPS對(duì)車(chē)輛軌跡和碾壓遍數(shù)進(jìn)行記錄與分析。在碾壓機(jī)械施工時(shí)，引導(dǎo)司機(jī)進(jìn)行碾壓施工操作，避免漏碾或錯(cuò)碾，導(dǎo)航指引碾壓未達(dá)工藝指標(biāo)的區(qū)域和路線，確保全面積、全過(guò)程無(wú)遺留，同時(shí)指引雨天（材料不受影響時(shí)）及夜間施工。實(shí)現(xiàn)對(duì)同一施工單元內(nèi)不同碾壓機(jī)械的碾壓參數(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)施監(jiān)控和數(shù)據(jù)疊加分析，在滿(mǎn)足面板堆石壩全天候施工要求的同時(shí)，保證施工質(zhì)量。

3.5 數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)主要通過(guò)平臺(tái)對(duì)采集端的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，實(shí)現(xiàn)碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、壓實(shí)后高程等信息自動(dòng)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，根據(jù)碾壓參數(shù)實(shí)測(cè)值和系統(tǒng)設(shè)計(jì)值以及統(tǒng)計(jì)單元的面積，計(jì)算各碾壓指標(biāo)的合格率，并實(shí)時(shí)可視化顯示，同時(shí)自動(dòng)生成實(shí)時(shí)、每天、每月碾壓界面數(shù)據(jù)并自動(dòng)記錄存檔，方便后期質(zhì)量追查，提供報(bào)表、圖像等數(shù)據(jù)材料。在每倉(cāng)施工結(jié)束后，輸出碾壓質(zhì)量圖形報(bào)表，包括碾壓軌跡圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實(shí)厚度圖和壓實(shí)后高程圖等，作為倉(cāng)面質(zhì)量驗(yàn)收的輔助材料。確保碾壓質(zhì)量具有可追溯性，為各參建單位驗(yàn)收提供參考依據(jù)。

3.6 數(shù)據(jù)共享

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，完成單元碾壓施工時(shí)，在碾壓監(jiān)控端點(diǎn)擊“結(jié)束施工”，系統(tǒng)自動(dòng)生成該單元碾壓報(bào)告并回傳至服務(wù)器。該功能系統(tǒng)分為2個(gè)部分：碾壓監(jiān)控端和文件服務(wù)器，請(qǐng)求的通訊協(xié)議為http。其他管理平臺(tái)可以通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器調(diào)用報(bào)告實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)分析和共享流程見(jiàn)圖1。

圖1 大壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和共享流程圖

4 工程案例

黃南水庫(kù)工程位于浙江省松陽(yáng)縣境內(nèi)，工程任務(wù)以供水、灌溉、防洪為主，結(jié)合改善水生態(tài)環(huán)境兼顧發(fā)電等綜合利用，水庫(kù)總庫(kù)容9 196萬(wàn)m3。攔河壩采用混凝土面板堆石壩，最大壩高97 m，總填筑方量約170萬(wàn)m3。在大壩施工過(guò)程中，采用面板堆石壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)功能主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警、碾壓機(jī)械引導(dǎo)、碾壓數(shù)據(jù)處理和分析、數(shù)據(jù)共享等，系統(tǒng)典型界面見(jiàn)圖2～3。

圖2 振動(dòng)碾壓遍數(shù)輸出報(bào)告圖

圖3 壓實(shí)厚度統(tǒng)計(jì)輸出報(bào)告圖

通過(guò)該系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)面板堆石壩碾壓質(zhì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，減少現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員、總承包管理人員、監(jiān)理單位管理人員和業(yè)主管理人員的投入，節(jié)約人力成本，對(duì)碾壓機(jī)械司機(jī)進(jìn)行定向引導(dǎo)，減少無(wú)用功，提高工作效率。同時(shí)對(duì)主要碾壓參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，提高大壩填筑質(zhì)量的合格率和優(yōu)良率，本項(xiàng)目填筑單元總體優(yōu)良率達(dá)到98.0%，合格率達(dá)到99.8%。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前不同行業(yè)關(guān)于碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用較多，混凝土面板堆石壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的功能需要結(jié)合面板堆石壩的施工特點(diǎn)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)主要對(duì)施工過(guò)程中的人、料、機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，為管理者提供信息，及時(shí)采取糾偏措施，做好壩體填筑質(zhì)量過(guò)程控制。通過(guò)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，管理者可以根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出結(jié)果，選取最不利單元（主要為碾壓參數(shù)合格率最低）進(jìn)行“挖坑”試驗(yàn)。如果各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，即可認(rèn)為其它單元填筑質(zhì)量也滿(mǎn)足要求，從而減少“挖坑”試驗(yàn)的數(shù)量。但需要結(jié)合更多工程案例，進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)、分析和研究，對(duì)現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，才能充分發(fā)揮碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)在混凝土面板堆石壩施工質(zhì)量控制過(guò)程中的作用。