智能壓實(shí)監(jiān)控技術(shù)在雷家溝項(xiàng)目施工中的應(yīng)用

劉媛媛

（中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司,陜西 西安 710065）

1 工程概況

雷家溝水庫(kù)壩址位于銅川市漆水河左岸支流武家河中游,宜君縣許家峁村移民搬遷安置點(diǎn)上游約1km 的河谷內(nèi)。雷家溝水庫(kù)的建設(shè)任務(wù)是銅川市北市區(qū)應(yīng)急備用水源,同時(shí)置換漆水河枯水期水量,修復(fù)水生態(tài)環(huán)境,提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,改善城市的生態(tài)景觀環(huán)境。水庫(kù)樞紐建筑物由大壩、溢洪道、排沙放空洞、引水管道等組成。

攔河壩采用均質(zhì)土壩,壩頂高程為1019.0 m,最大壩高39 m,壩頂總長(zhǎng)234.4 m 壩頂寬度為7 m,最大壩底寬219.4 m；上游壩坡為1∶3.0、下游壩坡1∶2.5。壩體土方填筑量54.33 萬(wàn)m3。

2 選用北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的原因

2.1 大壩填筑壓實(shí)質(zhì)量控制要求高

作為土石壩,特別是均質(zhì)土壩,工程主體質(zhì)量控制的要點(diǎn)就是碾壓質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外已建的類似工程,有些大壩由于主體填筑質(zhì)量存在問(wèn)題,后期運(yùn)行中未能經(jīng)受住洪水的考驗(yàn),導(dǎo)致潰壩事故發(fā)生,造成重大損失。為此,如何控制好大壩填筑壓實(shí)質(zhì)量,是我們工程建設(shè)中必須要認(rèn)真考慮的問(wèn)題。

雷家溝水庫(kù)樞紐工程,是銅川市重點(diǎn)水利工程,也是陜西省重點(diǎn)工程。為此,從工程開(kāi)工之初,高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求就是工程建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)。采取科學(xué)先進(jìn)的技術(shù)措施,強(qiáng)化工程質(zhì)量管控,成為本工程的關(guān)鍵所在。

2.2 常規(guī)質(zhì)量管控方法及局限性

在土壩施工中,加強(qiáng)填筑碾壓過(guò)程中的質(zhì)量控制是保證大壩施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其中碾壓參數(shù)控制對(duì)于碾壓質(zhì)量的保證是非常重要的,需要嚴(yán)格控制鋪料厚度,碾壓遍數(shù)及行走速度,并檢測(cè)振動(dòng)碾的各項(xiàng)振動(dòng)參數(shù)。但實(shí)際施工過(guò)程中,目前只能依靠人工方式控制碾壓參數(shù),如人工查看碾壓遍數(shù)和機(jī)械行走速度、人工查看碾壓搭接情況等,存在一定的隨意性,易造成碾壓完成后現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)不合格點(diǎn)數(shù)多,需要進(jìn)行補(bǔ)碾壓實(shí)。這樣往往造成質(zhì)量管控難度大、工程進(jìn)度受影響。 隨著大方量土壩工程的建設(shè),如果采取常規(guī)手段來(lái)控制大壩碾壓填筑施工質(zhì)量,將會(huì)無(wú)法得到新形式下發(fā)展的步伐。所以為了能確保以后大方量土壩或堆石壩施工質(zhì)量得到有效控制,要及時(shí)研究一種具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、自動(dòng)化、高精度等特點(diǎn)的大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng) 。

在銅川市雷家溝水庫(kù)大壩施工中成功應(yīng)用了北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng),為大方量土壩施工質(zhì)量管理提供了有力實(shí)踐支撐。該項(xiàng)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用,它從本質(zhì)上解決了人工為主、大規(guī)模機(jī)械化施工為輔助的監(jiān)測(cè)方式之間的矛盾,對(duì)土壩或堆石壩施工中的碾壓的各項(xiàng)指標(biāo)能夠全過(guò)程、全方位和實(shí)時(shí)地得到有效監(jiān)測(cè)以及進(jìn)行反饋控制,確保在土石壩填筑施工中能夠確保質(zhì)量控制能夠提高。所在借鑒北斗壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中,將土壩填筑施工質(zhì)量控制中的所得到的成功經(jīng)驗(yàn),全面分析和設(shè)計(jì)出一套先進(jìn)的高精度監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)堆石壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控,用于其他土石壩工程質(zhì)量管控,是非常必要的。

3 北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是為了滿足工程建設(shè)中導(dǎo)航定位、數(shù)據(jù)通訊、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)分析的特殊需求,經(jīng)科研人員努力而研發(fā)的一種智能數(shù)據(jù)信息系統(tǒng),該系統(tǒng)可以讓操作機(jī)手的工作更加直觀化、透明化、簡(jiǎn)便化,更可以讓管理人員的工作實(shí)時(shí)化、數(shù)據(jù)化、高效化。

北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩大部分組成,分別是車載端和平臺(tái)端,車載端主要是負(fù)責(zé)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集和上傳并且接收平臺(tái)處理后的數(shù)據(jù)。平臺(tái)端主要是對(duì)車載端上傳的坐標(biāo)信息進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換、分析、統(tǒng)計(jì)。

圖1 壓實(shí)系統(tǒng)組成

圖2 數(shù)據(jù)傳輸分層

數(shù)據(jù)傳輸分3 層,感知層主要是車載采集設(shè)備采集的坐標(biāo)信息、壓實(shí)信息、溫度信息等；網(wǎng)絡(luò)層主要是車載端和服務(wù)器數(shù)據(jù)通訊的方式,主要有4 G、Wifi、gprs 等；物聯(lián)管理和應(yīng)用服務(wù)層主要是服務(wù)器對(duì)車載端的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、統(tǒng)計(jì)等。

4 北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)原理

4.1 車載端RTK 定位原理

車載端定位是基于RTK 載波相位差分的原理進(jìn)行定位,平面定位精度±2.5 cm。定位原理是移動(dòng)端在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)同時(shí)還接收基站發(fā)出的差分?jǐn)?shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)RTK 定位解。作業(yè)前需提前架設(shè)好基準(zhǔn)站保證其覆蓋范圍包括作業(yè)區(qū)域（根據(jù)不同基站類型覆蓋半徑1 km~50 km 不等）,作業(yè)車輛在作業(yè)區(qū)域只要接收到基站數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)高精度RTK 解。高精度的RTK 坐標(biāo)用作壓路機(jī)的軌跡顯示,以及作業(yè)遍數(shù)顯示。

4.2 振動(dòng)壓實(shí)原理

依據(jù)振動(dòng)壓路機(jī)在理想狀態(tài)下振動(dòng)的推理,曲線圖呈規(guī)則的正弦波形,頻率中出現(xiàn)基頻成分。如果材料被壓路機(jī)壓倒時(shí),那么壓路機(jī)同樣也會(huì)受到來(lái)自被壓材料的反作用力,隨著碾壓施工一直持續(xù)著,碾壓遍數(shù)會(huì)逐漸增加,材料也會(huì)被碾壓的越來(lái)越密實(shí),那么反作用力也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)從而使振動(dòng)形態(tài)不斷會(huì)發(fā)生改變,那么被壓材料會(huì)變形越來(lái)越小形成的波譜曲線就會(huì)越來(lái)越復(fù)雜,結(jié)果表明波譜中出現(xiàn)了其他頻率的波形,發(fā)現(xiàn)這種波形造成的畸變和材料之間同樣存在不同的壓實(shí)程度關(guān)系,它能夠通過(guò)在復(fù)雜的波譜中,完全發(fā)現(xiàn)代表振動(dòng)壓路機(jī)的激勵(lì)基頻信號(hào)幅值和代表被壓材料的抗力信號(hào)幅值,從而明確被壓材料實(shí)時(shí)壓實(shí)度。服務(wù)器接收到震動(dòng)傳感器采集的地面反饋回來(lái)的震動(dòng)波后以此原理可分析出作業(yè)區(qū)域的實(shí)時(shí)壓實(shí)度。

5 北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 項(xiàng)目北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)布置及功能

結(jié)合雷家溝水庫(kù)項(xiàng)目大壩填筑施工實(shí)際情況,本工程北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置車載端2 套、基站端1 套、平臺(tái)端1 套及配套軟件系統(tǒng)等。各系統(tǒng)功能如下：

（1）車載端是將安裝在碾壓機(jī)械上的北斗流動(dòng)站作為移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行北斗移動(dòng)觀測(cè),主要是觀測(cè)碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行速度和碾壓遍數(shù),實(shí)時(shí)觀測(cè)結(jié)果及時(shí)發(fā)送至平臺(tái)端。能夠同時(shí)在小型顯示屏上查看到碾壓機(jī)械的運(yùn)行參數(shù),從而能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)碾壓機(jī)械操作人員的作業(yè),從而確保了工程的質(zhì)量。

（2）為了提高北斗系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度,采用差分北斗技術(shù)設(shè)置北斗基準(zhǔn)站,這項(xiàng)技術(shù)是在已知點(diǎn)上架設(shè)了一臺(tái)北斗接收機(jī)將它作為基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行北斗觀測(cè),采用數(shù)據(jù)鏈的方式將基準(zhǔn)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)和已知位置的信息實(shí)時(shí)發(fā)送至北斗流動(dòng)站,將其觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)和載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)處理信息進(jìn)行分析匯總,從而計(jì)算出流動(dòng)站的空間具體方位確保定位精度準(zhǔn)確。

（3）系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通訊方式,將基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)

實(shí)時(shí)連續(xù)的發(fā)送給各終端流動(dòng)站,對(duì)反饋的位置信息通過(guò)接收各流動(dòng)站及時(shí)收集匯總。為了滿足施工需要,在平臺(tái)端室內(nèi)的電子顯示屏能夠?qū)崟r(shí)顯示大壩各施工面上碾壓機(jī)械的精確位置和狀態(tài),工作室內(nèi)也同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、分析、儲(chǔ)存等一起進(jìn)行,為了保證管理人員及時(shí)查看,對(duì)計(jì)算分析結(jié)果及時(shí)打印備存。

5.2 系統(tǒng)的運(yùn)行管理

（1）對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)查看,檢查機(jī)械操作室內(nèi)顯示屏是否正常、顯示數(shù)據(jù)及圖像是否與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符。

（2）檢查基準(zhǔn)站是否受到人為或其他因素破壞,及時(shí)修復(fù)。

（3）通過(guò)終端實(shí)時(shí)監(jiān)控管理及時(shí)發(fā)現(xiàn)碾壓過(guò)程中存在的問(wèn)題,并通知現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行改進(jìn)錯(cuò)誤或不足,并對(duì)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的部位進(jìn)行補(bǔ)碾。

后臺(tái)管理主要是對(duì)平臺(tái)端的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、總結(jié),以便更好的改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)管理措施,進(jìn)一步提高工程質(zhì)量。同時(shí),將該系統(tǒng)運(yùn)行成果輸出,進(jìn)行整編匯存,作為工程質(zhì)量評(píng)定的原始基礎(chǔ)資料,以備查驗(yàn)。后臺(tái)管理可以安排專人負(fù)責(zé),確保更好的監(jiān)控效果。

5.3 系統(tǒng)的功能

（1）碾壓參數(shù)控制在碾壓過(guò)程中,能夠?qū)崟r(shí)對(duì)碾壓的攤鋪厚度、碾壓機(jī)械運(yùn)行速度和碾壓遍數(shù)等參數(shù)進(jìn)行全過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控,確保工程質(zhì)量合格。

（2）動(dòng)態(tài)監(jiān)控碾壓施工整個(gè)過(guò)程可采用可追溯性控制,它對(duì)多臺(tái)碾壓機(jī)械整個(gè)碾壓過(guò)程記錄并能夠隨時(shí)進(jìn)行調(diào)看。一是作為觀測(cè)資料可確保壩體后期施工和工程運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題,將它作為處理問(wèn)題的依據(jù)；二是可以隨時(shí)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的操作人員現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)施畫(huà)面情況隨時(shí)監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)違章操作人員也可以隨時(shí)督促檢查并要求要按照施工現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)程安全施工,確保碾壓過(guò)程中質(zhì)量。

（3）可擴(kuò)展控制通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的科研提升,在北斗監(jiān)控系統(tǒng)中加上相應(yīng)功能模塊就能夠?qū)δ雺哼^(guò)程中壩體沉陷、壩頂水平位移、壩踵和壩趾處的應(yīng)變等外形變化隨時(shí)做到監(jiān)測(cè),確保壩體施工和運(yùn)行期間安全,運(yùn)用它來(lái)指導(dǎo)大壩施工及運(yùn)行正常。

5.4 本工程系統(tǒng)運(yùn)行成果

管理人員通過(guò)顯示屏的圖表成果能夠清晰明了的研判現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)碾壓機(jī)械壓實(shí)效果,以便發(fā)出正確的指令指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)施工,達(dá)到事半功倍的效果。

6 取得成效

銅川市雷家溝水庫(kù)大壩工程通過(guò)應(yīng)用北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng),工程質(zhì)量得到有力保障。施工過(guò)程中每層土料壓實(shí)度檢測(cè)一次合格率由初期的85%提高至98%以上,大量減少了因局部壓實(shí)度不達(dá)標(biāo)而進(jìn)行的補(bǔ)碾,大壩封頂比計(jì)劃工期提前了25 天,節(jié)約資金近70 萬(wàn)元。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐證明,北斗智能壓實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在大壩填筑碾壓質(zhì)量控制中能夠有效控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、智能、自動(dòng)和連續(xù)的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工工序做到全過(guò)程的質(zhì)量、安全監(jiān)控,確?，F(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量能夠全面達(dá)到良好的控制,從而能夠滿足工程建設(shè)中高質(zhì)量、高強(qiáng)度和快速施工的要求,為同類施工借鑒并值得推廣。