碾压式土石坝施工质量实时监控系统设计

陶丛丛，胡 波，马文锋

[南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏省南京市 211106]

0 引言

碾压式土石坝是抽水蓄能电站项目建设中应用非常广泛的一种坝型，其施工过程是整个水电工程建设的核心环节，对其进行质量控制是工程项目建设管理的重要任务。大坝作为抽水蓄能电站的主要挡水建筑物，其施工质量不仅关系到工程本身经济效益的发挥，而且关系到下游人民群众生命财产的安全。如果在施工过程中留下了影响工程使用寿命和安全运行的隐患和危害事件，在长期的水环境下，大坝受到水压力、渗流、淤积、侵蚀等作用，一旦发生事故，特别是发生水库大坝溃坝，不仅将使工程本身遭到破坏，失去发电效益，还将给下游地区的人民生命财产和社会经济造成毁灭性的灾害。因此，大坝质量控制问题至关重要。

1 施工质量控制指标体系

坝体填筑程序主要包括施工准备、测量控制、装料、运输、摊铺、洒水、压实、质量检查等工序。坝体施工过程中需要控制的要点有以下几个方面：

（1）各施工分区铺料前应进行测量放样，确定出各料区分界线，并洒上白灰或其他明显标志，保证各坝区填筑位置、尺寸符合设计图纸。铺料前还应清除填筑作业面上散落的杂物，并做好层间结合面的处理。

（2）各坝区铺料时相互间的侵占范围不能超过设计允许公差所规定的数值，并且在铺料过程中应避免出现堆料风干、水分散失、颗粒分离、粗粒径料集中等现象。

（3）铺料层厚必须严格控制，避免超厚或过薄，确保铺料厚度满足设计和规范要求。铺料过程中，通过在前进方向设置移动标尺来便于推土机操作手控制铺料厚度，并采用测量仪器随时检查铺料层厚；铺料完成后采用定点方格网测量控制铺料层厚及平整度，出现超厚现象立即采用人工配合推土机进行减薄处理。

（4）坝料主要采用进退错距法或者搭接法碾压，碾压方向应平行于坝轴线方向进行，错距或搭接宽度以及碾压设备规格、重量、振动频率和激振力、碾压遍数、行驶速度等各项碾压参数必须符合技术要求，采用分段碾压时，相邻两段应彼此搭接碾迹，垂直碾压方向搭接宽度不小于 0.3～0.5m，顺碾压方向搭接宽度应为1.0～1.5m。

（5）对压实完毕的作业面按规范要求的频率和方法进行土料压实度、反滤料相对密度及堆石料孔隙率等指标进行检测，其值必须满足压实控制标准。检测合格后，还需要对填筑面进行全面检查，对不良现象均要求返工处理。

（6）当日降雨量大于0.5mm时，心墙区应停止施工。下雨前应及时掌握天气预报，采取有效的防雨和排水保护措施，雨后应将填筑面含水率调整至合格范围才能复工。

（7）堆石料应按照批准的施工措施进行坝外加水和坝内洒水，加水量和洒水量必须满足相关技术要求；心墙土料应根据现场实际情况适时采用洒水车在工作面上进行补水，确保碾压前土料含水率在恰当范围。

（8）对填筑单元之间和各料区交接缝以及坝料分段摊铺填筑结合处，产生的粗骨料集中及漏压、欠压等现象，采用反铲或其他机械将集中的粗颗粒料作分散处理，改善结合处填筑料的级配，碾压时，进行骑缝加强碾压，确保施工质量。

（9）按照每个时段可能出现的最高峰强度进行设备配置，确保每个施工时段的施工设备都处于充足的状态，并对碾压设备各项性能指标进行定期检测，确保其工作有效。

（10）推土机操作手应认真负责，严格控制铺土层厚，碾压机操作手应尽量使碾压机行走直线，减少超压和漏压，并做好详细现场施工和交接班记录。

根据以上对施工质量控制要点的分析，得出以下指标体系（见图1），其中摊铺厚度、行进速度、碾压遍数、碾压高程、振动状态、洒水状态和洒水量属于过程控制指标，压实度、孔隙率、干密度属于事后控制指标。

图1 碾压式土石坝施工质量控制指标体系Fig．1 Construction quality control index system of rolled earth-rock fill dam

2 碾压式土石坝施工质量实时监控系统设计

传统的施工管理方法，业主方对工程质量的跟踪缺乏有效手段。目前土石坝施工以人工现场控制碾压参数（碾压速度、振动状态、碾压遍数和压实厚度等）和人工挖试坑取样检测的方法来控制施工质量，即“双重控制”方法，不仅与大规模机械化施工现状不相适应，也很难达到全天候实时控制的要求。高坝越来越多，施工质量控制要求越来越高。对于高土石坝而言，其施工工程量大，分期分区复杂，坝体填筑碾压质量要求高。常规质量控制手段由于人为干扰大，管理粗放，难以确保填筑碾压过程质量，工程实践中迫切需要更为先进的质量控制手段。

2.1 填筑碾压质量实时监控总体设计

根据碾压式土石坝填筑碾压质量监控的环节及流程，采用GNSS技术、GPRS技术、自动控制技术和计算机网络技术等，提出由基准站、移动监控终端、监控中心等组成的碾压式土石坝碾压质量实时监控的总体方案，如图2所示。

2.1.1 碾压监控终端

碾压监控终端的主要设备包括GNSS接收机、振动监测装置、集成控制器及供电电源等。通过GNSS接收机实时跟踪定位碾压机的空间三维坐标，同时安装在振动轮上的振动监测装置自动采集振动状态，然后与碾压机的坐标信息经集成控制器融合后，经GPRS（或无线WIFI网络）网络传送至远程数据库服务器中，供坝体碾压质量分析评判使用。

2.1.2 定位基准站

GNSS基准站的主要设备包括GNSS接收机、无线电台和供电电源等，为满足实际工程需要，采用RTK实时动态差分技术利用已知基准点坐标实时动态修正碾压机测量结果，使碾压机定位精度可提高至厘米级，满足施工现场实时、快速、精确的质量控制要求。

2.1.3 监控中心

监控中心是碾压质量监控系统的核心组成部分，主要包括服务器系统、数据库系统、通信系统以及现场监控应用系统等。监控中心可配置多台高性能服务器和计算工作站、高速局域网、大功率UPS等，以实现对系统数据的有效管理和分析应用。

2.2 工作流程

在碾压机、摊铺机、洒水车等车辆上安装GNSS定位设备，高精度GNSS接收机按一定的时间间隔，接收到GNSS卫星发射的无线电信号，同时接收GNSS基准值无线电台发送来的差分信息，经接收机内部差分计算，获得在x、y、z三个方向上的厘米级的位置坐标。同时，在碾压机上安装振动传感器，采集碾压机振动状态。通过安装在碾压机械上的碾压过程信息实时自动采集装置，实时采集车辆动态坐标及振动状态，进而进行碾压机摊铺厚度、行车速度、碾压遍数、压实厚度等碾压参数的实时计算和分析，判断碾压参数是否超标，并通过监控终端工作站电脑、平板电脑和手机应用实时报警，以指导相关人员做出现场反馈，确保碾压质量始终真实受控。

具体工作流程如图3所示。

图2 填筑碾压质量实时监控总体方案Fig．2 The overall scheme of filling compaction quality real-time monitoring

2.3 功能设计

2.3.1 碾压过程信息采集

实时采集碾压过程信息，包括对碾压机械、摊铺机械的动态位置坐标、定位时间和振动状态，进行高精度、高稳定性的自动实时采集，并可在终端上进行缓存（不少于3天）。通过固定安装在碾压机、摊铺机上的GNSS卫星天线，高精度GNSS接收机按一定的时间间隔，接收到GNSS卫星发射的无线电信号，同时接收GNSS基准站无线电台发送来的差分信息，经接收机内部差分计算，获得在x、y、z三个方向上的厘米级的碾压机械位置坐标。通过安装在碾压机上的振动传感器，采集碾压机振动状态。

2.3.2 洒水过程信息采集

图3 填筑碾压质量实时监控系统工作流程Fig．3 The workflow of the real-time monitoring system for filling compaction quality

通过在洒水车上安装GNSS和流量计，采集洒水信息，包括位置坐标和洒水状态。通过固定安装在洒水机上的GNSS卫星天线，高精度GNSS接收机按一定的时间间隔，接收到GNSS卫星发射的无线电信号，同时接收GNSS基准值无线电台发送来的差分信息，经接收机内部差分计算，获得在x、y、z三个方向上的厘米级的洒水车位置坐标。通过安装在洒水车上的流量计，采集洒水流量，洒水时间等洒水信息。

2.3.3 成果计算与可视化展示

通过在工程施工现场安装高精度的定位设备，建立施工现场的CORS网络，对碾压机、摊铺机和洒水车等的行走轨迹进行测量，实时计算与显示碾压遍数、行进速度、振动状态、填筑层厚度、洒水状态等碾压控制参数指标，并进行可视化展示。对施工中存在的薄弱环节及时予以反馈。

工程建设业主单位、质量管理人员可通过PC电脑、监控中心远程查看工地的施工状况，包括当天施工段落、投入机械数量等信息，实现无死角的质量巡查；可查阅任意段落工程的碾压质量，包括碾压遍数、碾压轨迹、完成碾压遍数的时间、碾压速度等信息，客观评价各标段的施工质量。

同时，在压实设备上安装了压实引导设备，可查看现场压实状况，包括CMV值、压实遍数、压实速度、激振力等信息。并且考虑到现场的机群作业，压实质量并不是由单台设备完成，现场自组WIFI网络，将各个工程机械连接起来，即压实机械操作人员不仅看到自己的压实质量，还可查看到整个机群作业后的质量状况。

利用安装在驾驶室内的互联反馈系统，了解到施工段落出现“漏压、超压”的具体位置，进行错误补偿，调整施工工艺。同时，现场管理人员也可对单台施工机械的工作状态进行评价，比如每天碾压距离、振动状态的碾压距离、开始与结束的工作时间、怠工的时长、单台机械出现“漏压”的概率值等信息，提高管理水平。

2.3.4 报警

当碾压机械运行超速，以及振动状态、碾压遍数、洒水不达标时，系统可按预案自动给车辆司机、现场监理和施工员等人员发送报警信息，并在现场监理分控站PC监控终端上醒目提示。设备损坏或故障不能采集信息时，系统将自动报警并提醒工作人员检修。

大坝填筑碾压施工前，根据相关技术要求，形成压实速度、层厚的技术要求上下限值，且输入至机械设备及系统平台中，当施工中超过相应的技术要求时，则通过信息化预警系统向问题的处置责任人进行信息推送。

对于压实直接操作人员，在驾驶室安装声光报警装置，如果由于激振力不够、压实速度超标等问题，则进行状态预警，以提醒压实操作人员。

对于施工中形成的质量预警信息，通过手机短信、微信等形式，主动向质量管理人员进行推送。同时，在分控站PC监控终端上醒目提示，以便及时指示返工或调整，并形成预警库。

2.3.5 碾压质量图表定制

在每个单元施工结束后，可输出碾压质量图形报表，包括碾压遍数图、压实厚度图、行走速度超速图和碾压高程图等，以及施工中出现的预警占比，预警类型的分布情况，作为质量验收的辅助材料。

3 结束语

通过建立“监测—分析—反馈—处理”的大坝施工碾压工艺监控体系，实时动态监控大坝碾压机械的运行轨迹，自动监测记录碾压机械的空间位置、振动力等技术参数，通过自主通信网络，将工程信息自动发送到监控中心，对碾压轨迹、速度、碾压遍数、层厚、加水量等关键质量指标实现实时分析与动态反馈。

该系统能有效减少监理的旁站工作量，能精确、准确、实时地记录施工过程，是工程施工质量控制的好帮手；可对施工质量进行实时监测和反馈控制，保证填筑施工过程始终处于受控状态，对控制土石坝碾压施工质量具有重大的实用价值。

[1] 崔博．心墙堆石坝施工质量实时监控系统集成理论与应用[D]．天津：天津大学，2010．CUI Bo．Theory and application of system integration for construction quality real-time monitoring and control over core rock-fill dam[D]．Tianjin ： Tianjin University，2010．

[2] 苗延强，钱启立，韩国印．梨园水电站数字大坝填筑质量监控系统的应用分析[J]．水利水电施工，2013（4）：63-66．MIAO Yanqiang，QIAN Qili，HAN Guoyin．Application analysis of the quality monitoring system for the digital dam of liyuan hydropower station[J]．Water and Hydropower Construction，2013（4）：63-66．

[3] 韩建东，张琛，肖闯．糯扎渡水电站数字大坝技术应用研究[J]．西北水电 ：2012（2）：96-100．HAN Jiandong，ZHANG Chen，XIAO Chuang．The application research of nuozhadu hydropower station digital dam technology [J]．Northwest Hydroelectric，2012 （2）:96-100．

[4] 吴晓铭，黄声享．水布垭水电站大坝填筑碾压施工质量监控系统 [J]．水利发电，2008（3）：47-49．WU Xiaoming，HUANG Shengxiang．Quality supervlsory of filling and rolling construction in the dam of shuibuya hydropower station[J]．Water Power，2008（3）：47-49．