土石壩智能碾壓系統(tǒng)研究及在黃南水庫(kù)大壩質(zhì)量控制中的應(yīng)用

李 韜，陳 強(qiáng)，張志杰，王 強(qiáng)，景東紅

（1.松陽(yáng)縣農(nóng)村水利管理服務(wù)中心， 浙江 松陽(yáng) 323400；2.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 310014；3.松陽(yáng)縣水利局，浙江 松陽(yáng) 323400）

1 問(wèn)題的提出

黃南水庫(kù)工程是浙江省“五水共治”保供水骨干項(xiàng)目，也是浙江省百項(xiàng)千億防洪排澇工程項(xiàng)目，受前期施工準(zhǔn)備工作及外部因素干擾，黃南水庫(kù)大壩施工工期緊張，填筑高峰強(qiáng)度達(dá)28萬(wàn)m3/月，工程采取24 h三班倒連續(xù)作業(yè)。鑒于大壩填筑質(zhì)量控制要求高，而傳統(tǒng)的堆石壩填筑質(zhì)量管控主要采用配置專(zhuān)職人員的方式進(jìn)行全程旁站監(jiān)督，把控大壩碾壓的各類(lèi)參數(shù)，質(zhì)量管控過(guò)程中容易出現(xiàn)疏忽，存在管理粗放、效率低、精度差以及非實(shí)時(shí)性等方面的缺陷[1-2]。

因此，為克服壩體填筑傳統(tǒng)質(zhì)量控制方式的不足與漏洞，保障壩體工程的填筑質(zhì)量與進(jìn)度，在黃南水庫(kù)大壩施工過(guò)程中引入智能碾壓系統(tǒng)，對(duì)碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、碾壓速度等施工參數(shù)進(jìn)行全天候、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控并預(yù)警反饋。經(jīng)試坑取樣質(zhì)量檢驗(yàn)，智能碾壓系統(tǒng)控制下堆石壩孔隙率指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到良好的質(zhì)量控制效果，值得類(lèi)似工程在施工管理中借鑒。

2 智能碾壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由硬件與軟件2部分組成。系統(tǒng)硬件主要由GNSS北斗差分基準(zhǔn)站、大壩振動(dòng)碾監(jiān)控設(shè)備（內(nèi)含GNSS差分接收機(jī)、振動(dòng)采集裝置、司機(jī)指引監(jiān)控平板等）、RTK測(cè)量一體設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、監(jiān)控端5部分組成。其中，GNSS北斗差分基準(zhǔn)站為定位移動(dòng)站提供衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)，保證移動(dòng)站能精準(zhǔn)定位，主要包括基準(zhǔn)站主機(jī)、電臺(tái)主機(jī)和天線(xiàn)[3-4]。系統(tǒng)軟件部分主要由服務(wù)器端、車(chē)載數(shù)據(jù)采集端及監(jiān)控中心端3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

本系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)、北斗定位技術(shù)、移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)等信息化手段輔助進(jìn)行碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控與分析。系統(tǒng)以碾壓車(chē)為監(jiān)控對(duì)象，通過(guò)在碾壓機(jī)械上安裝北斗定位監(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)倉(cāng)面碾壓施工機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控。監(jiān)控對(duì)大壩碾壓質(zhì)量有影響的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)預(yù)警等，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程質(zhì)量控制。

3 施工應(yīng)用方案

3.1 項(xiàng)目概況

黃南水庫(kù)位于浙江省松陽(yáng)縣境內(nèi)，是一座以供水、灌溉、防洪為主，結(jié)合改善水生態(tài)環(huán)境，兼顧發(fā)電等綜合利用的水利工程。水庫(kù)正常蓄水位329.00 m，正常庫(kù)容7 580萬(wàn)m3。水庫(kù)大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高97.00 m，壩頂寬10.00 m，壩頂長(zhǎng)度267.00 m。上游、下游壩坡均為1:1.4，大壩剖面見(jiàn)圖2。

圖2 大壩剖面圖 單位：cm

3.2 施工概況

水庫(kù)大壩于2018年11月1日正式開(kāi)始填筑，至2019年11月11日全面到頂。填筑前，通過(guò)碾壓施工生產(chǎn)性工藝試驗(yàn)，取得碾壓各指標(biāo)參數(shù)。壩體填筑質(zhì)量以工序控制為主要手段，在施工過(guò)程中，全面依靠大壩智能碾壓系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量過(guò)程控制。本次試驗(yàn)中，壩體堆石根據(jù)對(duì)壩料滲透性、壓縮性的不同要求分區(qū)填筑，分層碾壓，自上游至下游依次分為4個(gè)主要填筑區(qū)：墊層區(qū)（2A區(qū)）、過(guò)渡區(qū)（3A區(qū)）、主堆石區(qū)（3B區(qū)）和下游堆石區(qū)（3C區(qū)），另在面板周邊縫附近設(shè)特殊墊層區(qū)（2B區(qū)）及在壩頂高程332.00 m以上設(shè)壩頂靜碾?yún)^(qū)（3A1區(qū)）。

3.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)

黃南水庫(kù)大壩各填筑分區(qū)的填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大壩填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)表

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 碾壓軌跡

碾壓機(jī)械工作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控實(shí)時(shí)同步顯示圖形化軌跡與碾壓覆蓋區(qū)域。對(duì)于超出設(shè)計(jì)施工部位的行走，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并支持分析統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)用不同顏色標(biāo)識(shí)碾壓軌跡性質(zhì)以區(qū)分無(wú)振碾壓軌跡、低頻高振的振動(dòng)碾壓軌跡及高頻低振的碾壓軌跡。

4.2 碾壓遍數(shù)

對(duì)碾壓監(jiān)控設(shè)備所傳送的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換形成碾壓后的曲面，根據(jù)車(chē)輛碾壓所測(cè)量的數(shù)據(jù)在同一點(diǎn)不同時(shí)間位置的出現(xiàn)次數(shù)，判斷每個(gè)點(diǎn)的碾壓次數(shù)。碾壓軌跡以壓輪寬為軌跡寬度，每重復(fù)一次，就用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí)，從而統(tǒng)計(jì)和判斷整個(gè)范圍內(nèi)碾壓遍數(shù)以及遍數(shù)范圍。系統(tǒng)以不同顏色代表不同的碾壓遍數(shù)，顏色由藍(lán)至紅，依次代表1~8遍，未碾壓區(qū)域?yàn)榛野咨?/p>

4.3 碾壓速度

跟蹤某個(gè)碾壓施工單元的碾壓過(guò)程，動(dòng)態(tài)顯示其超速部位，統(tǒng)計(jì)其超速次數(shù)，超速距離。系統(tǒng)以綠色表示正常碾壓速度軌跡，黃色表示低速碾壓軌跡，紅色表示超速碾壓軌跡。

4.4 智能碾壓系統(tǒng)的定位精度分析

近年來(lái)，由我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BeiDou Navigation Satellite System（簡(jiǎn)稱(chēng)BDS），通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，相關(guān)技術(shù)成熟，已正式投入商用。通過(guò)BDS構(gòu)建的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)（RTK）實(shí)現(xiàn)平面精度±1 cm、垂直精度±2 mm的高精度定位，具體見(jiàn)表2。

表2 大壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表

對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器與車(chē)載系統(tǒng)的測(cè)量成果，誤差值在允許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

4.5 碾壓結(jié)果分析

碾壓結(jié)果顯示，現(xiàn)場(chǎng)碾壓各指標(biāo)參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。從試坑取樣質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果看，堆石壩孔隙率指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到較好的質(zhì)量控制效果見(jiàn)表3。

表3 壩體填筑料試坑取樣成果匯總表

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）大壩智能碾壓系統(tǒng)采用北斗高精度定位技術(shù)，減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的工作量，解決施工過(guò)程依靠傳統(tǒng)測(cè)量方式進(jìn)行碾壓高程和攤鋪厚度的控制而導(dǎo)致的測(cè)量、攤鋪?zhàn)鳂I(yè)相互影響的問(wèn)題，提高料源入倉(cāng)和設(shè)備攤鋪效率。

（2）大壩智能碾壓系統(tǒng)對(duì)碾壓狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與本地可視化監(jiān)控，幫助操作人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握碾壓施工狀況，并依據(jù)平板顯示，科學(xué)合理地規(guī)劃碾壓路徑、處理搭接寬度，實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)施工質(zhì)量的自我診斷與修復(fù)，從源頭保證工程質(zhì)量。

（3）黃南水庫(kù)工程采用大壩智能碾壓系統(tǒng)取得良好的施工效果，同時(shí)也加快施工進(jìn)度，降低管理成本，提高工作效率，保證施工質(zhì)量，為此系統(tǒng)在類(lèi)似工程的應(yīng)用提供借鑒。