蘇洼龍水電站瀝青混凝土心墻堆石壩精益化管理系統(tǒng)與應(yīng)用

羅 宗 偉， 唐 茂 剛， 唐 明 武， 陳 達， 崔 博， 任 炳 昱

(1. 華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610041；2. 天津大學(xué)，天津 南開 300072)

0 引 言

目前，水利水電工程施工實時控制技術(shù)取得了快速發(fā)展，鐘登華提出了適用于工程環(huán)境的數(shù)字大壩網(wǎng)絡(luò)與實時控制集成技術(shù)[1]，為水電工程施工數(shù)字化信息管理提供了技術(shù)路線，該技術(shù)成果研發(fā)并應(yīng)用在糯扎渡水電站[2]、梨園水電站[3]、長河壩水電站[4]、溧陽抽水蓄能電站[5]、豐滿水電站[6]等眾多大型工程中，取得了施工管理與控制的成功，并且隨著智能技術(shù)、3S技術(shù)(地理信息系統(tǒng)GIS、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS和遙感RS技術(shù))海量數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等的發(fā)展，數(shù)字大壩不斷朝著智慧大壩演化，實現(xiàn)智能化大壩建設(shè)與運行管理。阿爾塔什水利樞紐的智能化監(jiān)控促進了施工精細(xì)化管理；黃登大壩在全面數(shù)字化管理系統(tǒng)開發(fā)等方面進行了深入研究，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，取得了優(yōu)質(zhì)的建設(shè)成果；大古水電站基于BIM、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等前沿技術(shù)，提出了“1+1+N”的大型水電站工程數(shù)字化建設(shè)管理模式，簡化了大古水電站建設(shè)期的工程數(shù)據(jù)管理難度，解決了傳統(tǒng)管理模式下的“數(shù)據(jù)孤島”問題，實現(xiàn)了工程建設(shè)的精細(xì)化管理。當(dāng)前智能大壩技術(shù)已經(jīng)在眾多水電工程中應(yīng)用。然而當(dāng)前針對瀝青混凝土心墻壩建設(shè)過程全方位智能管控研究，特別是針對瀝青混凝土施工質(zhì)量管控的研究還較少。

蘇洼龍水電站總裝機容量1 200 MW，為一等大(1)型工程。作為大型水利水電工程，蘇洼龍水電站瀝青混凝土心墻堆石壩地處高海拔地區(qū)，建設(shè)規(guī)模大，施工條件復(fù)雜，涉及影響因素眾多。如何實現(xiàn)瀝青混凝土心墻壩建設(shè)過程中遠程、移動、高效、及時、便捷的工程管理與控制，是事關(guān)工程建設(shè)能否按期、安全、高質(zhì)量完成的關(guān)鍵性技術(shù)問題。本研究以瀝青混凝土心墻壩施工過程全方位受控為目標(biāo)，進行了精益化管理體系研究，為確保工程建設(shè)質(zhì)量與運行安全提供了重要保障。

1 瀝青混凝土心墻堆石壩精益化管理體系

蘇洼龍瀝青混凝土心墻堆石壩精益化管理是以高精度衛(wèi)星定位技術(shù)、傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、北斗定位與短報文技術(shù)、無線通訊技術(shù)等為基礎(chǔ)，并基于人工智能技術(shù)、BIM技術(shù)、GIS技術(shù)等，通過蘇洼龍瀝青混凝土心墻堆石壩建設(shè)過程進行智能監(jiān)控與精益化管理，為提升蘇洼龍瀝青混凝土心墻堆石壩建設(shè)管理水平提供重要支撐。

1.1 精益化施工管理的實現(xiàn)方法

蘇洼龍施工精益化管理系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)中心平臺，通過對關(guān)鍵施工工序如裝卸料、運輸、填筑碾壓及瀝青混凝土攤鋪的施工信息的采集、傳輸、存儲，為施工精益化管理系統(tǒng)提供信息支持，利用圖形可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，指導(dǎo)施工現(xiàn)場。

1.1.1 數(shù)據(jù)源層

通過各種傳感器和設(shè)備采集的實時數(shù)據(jù)，以及各監(jiān)控系統(tǒng)采集應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)以及三維可視化模型數(shù)據(jù)構(gòu)成了數(shù)據(jù)源層，各類施工信息構(gòu)成了數(shù)據(jù)中心平臺建設(shè)的核心業(yè)務(wù)對象。

1.1.2 數(shù)據(jù)中心層

針對蘇洼龍施工質(zhì)量與進度管理實際，按照不同系統(tǒng)模塊來劃分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容主要有：

(1)車輛跟蹤管理系統(tǒng)；

(2)壩料運輸及使用跟蹤系統(tǒng)；

(3)大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)；

(4)瀝青混凝土溫控管理系統(tǒng)。

1.1.3 數(shù)據(jù)管理層

構(gòu)建數(shù)據(jù)管理平臺是為了能夠統(tǒng)一集中應(yīng)用和管理數(shù)據(jù)，也是數(shù)據(jù)中心管理平臺建設(shè)的重點。數(shù)據(jù)管理層包含系統(tǒng)日志管理、數(shù)據(jù)接口管理、安全管理、用戶權(quán)限管理、模型數(shù)據(jù)管理、元數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1.1.4 前端應(yīng)用層

基于數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析的需要，開發(fā)了相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用以數(shù)據(jù)中心提供的各種數(shù)據(jù)信息為支撐，并支持跨平臺多終端信息集成，滿足工程管理人員隨時隨地進行信息查詢與可視化分析的需要。

1.2 精益化管理系統(tǒng)功能

1.2.1 大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控與分析系統(tǒng)

(1)實時動態(tài)監(jiān)測碾壓機械運行軌跡，自動監(jiān)測記錄碾壓機械在壩面上的碾壓遍數(shù)、行駛速度及振動狀態(tài)，并在壩面施工數(shù)字地圖上可視化顯示；

(2)動態(tài)監(jiān)測大壩各區(qū)各層填筑料的壓實厚度；

(3)當(dāng)填筑過程中的鋪層厚度超過規(guī)定、或有漏碾、超速、激振力不達標(biāo)時，能夠自動醒目地提示施工管理人員和質(zhì)量監(jiān)理人員。

1.2.2 瀝青混凝土溫控管理系統(tǒng)

(1)攤鋪溫控系統(tǒng)實時采集瀝青混凝土入模溫度、心墻老面加熱狀態(tài)、溫度報警信息等；

(2)倉面施工小氣候監(jiān)測系統(tǒng)實時采集大壩施工現(xiàn)場小范圍內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速信息；

(3)根據(jù)實時瀝青混凝土溫度和環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)填筑過程出現(xiàn)溫度不達標(biāo)的情況時，能夠自動醒目地提示施工管理人員和質(zhì)量監(jiān)理人員，以便及時指示返工或調(diào)整。

1.2.3 土石方調(diào)配及車輛跟蹤管理信息系統(tǒng)

(1)基于蘇洼龍水電站大壩施工過程料場開采、上壩運輸及壩面碾壓等實時監(jiān)控信息，及時匯總統(tǒng)計現(xiàn)場實際的運輸、堆存、填筑情況，動態(tài)更新土石方調(diào)配規(guī)劃模型，定期進行土石方動態(tài)平衡和調(diào)配仿真計算；

(2)通過仿真計算成果，將設(shè)計單位提供的土石方調(diào)配方案、模型仿真計算方案與實際施工過程的土石方調(diào)配成果進行對比分析和方案論證，實現(xiàn)土石方動態(tài)平衡規(guī)劃與優(yōu)化；

(3)堆石料運輸及使用跟蹤系統(tǒng)實時跟蹤運輸車輛的空滿載狀態(tài)、速度、調(diào)配路徑、裝卸料信息等，以及超速、卸料錯誤、偏離軌道等實時報警信息；

(4)實時監(jiān)控土石方運輸車輛的加水狀態(tài)以及水未加滿的報警信息。

1.2.4 數(shù)字化綜合信息管理平臺

(1)將大壩施工建設(shè)過程中各類施工質(zhì)量信息、進度信息進行動態(tài)采集與數(shù)字化處理，構(gòu)建蘇洼龍水電站大壩綜合數(shù)字化信息平臺和三維虛擬模型，將空間信息以三維形式直觀表現(xiàn)出來；

(2)實現(xiàn)各類工程信息的集成化、可視化管理，包括施工場景、施工總布置、樞紐布置三維可視化展示，施工仿真進度與進度可視化查詢與展示，土石方調(diào)配信息、壩料運輸信息、瀝青混凝土溫控信息以及壩面填筑施工質(zhì)量信息的集成分析、交互式查詢、關(guān)鍵指標(biāo)評價等功能；

(3)在各環(huán)節(jié)實時監(jiān)控過程中建立各環(huán)節(jié)分級預(yù)警模型和機制，并結(jié)合工程實際提出相應(yīng)的處理措施及建議，供工程管理者進行決策。按照大壩施工質(zhì)量和進度信息實現(xiàn)動態(tài)更新與維護，為工程整個生命周期的工程決策與管理、安全鑒定和大壩運行期安全評價等提供全方位的信息支撐與分析。

2 瀝青混凝土心墻堆石壩精益化管理系統(tǒng)應(yīng)用

精益化施工管理系統(tǒng)整合了碾壓監(jiān)控系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、壩料運輸與車輛跟蹤管理系統(tǒng)以及數(shù)字化綜合信息管理平臺等各個模塊，將大壩施工建設(shè)過程中各類施工質(zhì)量信息、進度信息進行動態(tài)采集與數(shù)字化處理，實現(xiàn)了各類工程信息的集成化、可視化管理，在實時監(jiān)控過程中建立各環(huán)節(jié)預(yù)警模型和機制，供工程管理者進行決策。

2.1 精益化施工管理質(zhì)量控制應(yīng)用

2.1.1 各倉面碾壓質(zhì)量控制

自2018年1月1日至2021年5月18日，大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控與分析系統(tǒng)共監(jiān)控大壩施工倉面1 560個，各分區(qū)倉面碾壓遍數(shù)達標(biāo)率統(tǒng)計詳見圖1，深色區(qū)域表示各倉面碾壓遍數(shù)達標(biāo)率平均值，淺色區(qū)域表示各倉面碾壓遍數(shù)達標(biāo)率最大值。從碾壓成果分析，倉面整體碾壓遍數(shù)達到控制標(biāo)準(zhǔn)，全程監(jiān)控各倉碾壓質(zhì)量總體處于受控狀態(tài)。

圖1 各區(qū)倉面碾壓遍數(shù)達標(biāo)率統(tǒng)計

通過填筑碾壓質(zhì)量圖形報告，管理人員可方便直觀把握倉面整體碾壓質(zhì)量。

精益化管理系統(tǒng)對大壩主體填筑進行了全過程監(jiān)控。堆石區(qū)和粗過渡料區(qū)有效監(jiān)控倉面達到95%以上，心墻區(qū)和細(xì)過渡料區(qū)有效監(jiān)控倉面達到90%以上，滿足碾壓遍數(shù)面積比率均符合設(shè)計要求，各倉面碾壓遍數(shù)達標(biāo)率達到控制標(biāo)準(zhǔn)(90%)，針對過程中系統(tǒng)反饋的漏碾情況，現(xiàn)場監(jiān)控人員能夠及時指導(dǎo)碾壓機駕駛員進行補碾，保證碾壓遍數(shù)達標(biāo)率符合控制標(biāo)準(zhǔn)，保證了大壩填筑碾壓施工質(zhì)量。

2.1.2 瀝青混凝土攤鋪溫控

自瀝青混凝土心墻施工填筑至2021年5月8日，瀝青混凝土攤鋪溫控系統(tǒng)共監(jiān)控314倉心墻施工倉面，瀝青混凝土入模心墻溫控達標(biāo)率統(tǒng)計見圖2。從溫控成果分析，心墻倉面整體溫控達到控制標(biāo)準(zhǔn)，各倉溫控處于受控狀態(tài)。

圖2 瀝青混凝土入模心墻溫控達標(biāo)率統(tǒng)計

在瀝青混凝土溫控管理系統(tǒng)的研究框架下，倉面施工小氣候自動監(jiān)測系統(tǒng)采用部署在施工現(xiàn)場相對固定位置的可移動式小型氣象站，進行施工環(huán)境在線監(jiān)測。小氣候測量參數(shù)包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速參數(shù)，通過自主通訊網(wǎng)絡(luò)將實時采集現(xiàn)場小氣候數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并在綜合管理平臺進行展示服務(wù)。

自瀝青混凝土心墻開始施工至2021年5月8日運行期間，倉面施工小氣候自動監(jiān)測系統(tǒng)對心墻攤鋪進行了全過程的溫度監(jiān)控，共監(jiān)控心墻施工倉面320倉。針對施工過程中系統(tǒng)反饋的溫度不達標(biāo)情況，監(jiān)控人員能夠及時指導(dǎo)現(xiàn)場進行瀝青混凝土加熱，保證了心墻攤鋪質(zhì)量。

2.1.3 壩料運輸與車輛跟蹤管理

壩料運輸管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對車輛報警信息、車輛調(diào)度指令信息、運輸量的交互式查詢、統(tǒng)計分析與評價，并根據(jù)運輸量對實際加水量進行控制，將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫統(tǒng)計分析。

車輛跟蹤管理系統(tǒng)能夠?qū)λ谲囮牭娜我贿\輸車輛的編碼信息、空滿載狀態(tài)信息、運輸軌跡信息、裝卸料信息進行實時全過程監(jiān)控，如果發(fā)生意外情況，總控中心會及時報警并記錄，提醒現(xiàn)場監(jiān)控人員對不當(dāng)運輸行為及時糾正；自動加水系統(tǒng)根據(jù)該車運輸量進行定量加水，加水量不足會報警提示，實現(xiàn)按車按量精細(xì)監(jiān)控。

2.2 精益化施工管理進度控制應(yīng)用

2.2.1 可視化仿真技術(shù)應(yīng)用

施工總布置數(shù)字化信息系統(tǒng)采用可視化仿真技術(shù)，構(gòu)建蘇洼龍水電站樞紐三維交互場景，實現(xiàn)場景漫游，為觀察大壩細(xì)部設(shè)計和樞紐布置提供逼真的交互式平臺。

2.2.2 智能管控系統(tǒng)實時分析

施工進度智能管控系統(tǒng)建立了大壩施工過程可視化仿真模型，能夠?qū)Υ髩问┕と我鈺r刻形象進度、施工強度等進行智能管控系統(tǒng)實時分析(圖3)。大壩主體施工填筑運行期間，施工進度智能管控系統(tǒng)對大壩各分區(qū)進行了施工進度監(jiān)控，實際施工進度與計劃進度一致性較高，保證施工填筑進度。

(a)選定月份分區(qū)填筑高程與方量對比圖

2.2.3 土石方動態(tài)調(diào)配

土石方調(diào)配數(shù)字化信息系統(tǒng)基于土石方調(diào)配模型進行方案仿真計算，基于實時監(jiān)控信息定期更新土石方多源多料調(diào)配優(yōu)化模型，仿真計算每一階段的土石方調(diào)配成果，列出成果表和繪制成果圖，對設(shè)計方案進行合理性和可實施性論證，實現(xiàn)土石方動態(tài)平衡規(guī)劃與優(yōu)化。

基于動態(tài)更新土石方調(diào)配規(guī)劃模型，數(shù)字化綜合信息管理平臺實時統(tǒng)計現(xiàn)場實際的運輸、堆存、填筑情況，定期(每月)進行一次土石方動態(tài)平衡和調(diào)配仿真計算，實現(xiàn)施工過程中的土石方動態(tài)調(diào)配。

2.2.4 砂石成品料運輸管理系統(tǒng)

砂石成品料運輸管理系統(tǒng)在砂石成品料倉的磅秤處設(shè)置車輛識別裝置，完成數(shù)據(jù)同步接口開發(fā)，對每車的運輸量進行統(tǒng)計，匯總出大壩填筑期內(nèi)各家施工單位不同砂石料的生產(chǎn)量與消耗量，并定期(每月)匯總成果。

3 結(jié) 語

(1)精益化施工管理系統(tǒng)在質(zhì)量控制層面對壩面填筑質(zhì)量、瀝青混凝土溫度控制和土石料及砂石成品料運輸進行全過程的實時監(jiān)控，減少了施工質(zhì)量監(jiān)控中的人為因素，提高了施工過程的質(zhì)量監(jiān)控水平和效率，實現(xiàn)建設(shè)各方對工程建設(shè)質(zhì)量的深度參與和精細(xì)化管理。

(2)精益化施工管理系統(tǒng)在進度控制層面，采用土石方動態(tài)調(diào)配仿真計算、統(tǒng)計壩料運輸量以及進度智能管控，定期更新調(diào)整施工進度計劃，實現(xiàn)了土石方動態(tài)平衡規(guī)劃與優(yōu)化，對蘇洼龍水電站工程進行高效、及時、便捷的精益化管理與控制。

(3)通過精益化施工管理系統(tǒng)的自動化監(jiān)控，實現(xiàn)了蘇洼龍大壩工程建設(shè)的創(chuàng)新化管理，為打造優(yōu)質(zhì)精品工程提供強有力的技術(shù)保障。應(yīng)用結(jié)果表明，蘇洼龍大壩施工質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)。