胶凝砂砾石坝施工质量监控系统开发及应用

2018-03-13贾金生张德全罗兆坤

中国水利水电科学研究院学报 2018年1期

贾金生，赵春，缪纶，张德全，罗兆坤

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.大同市守口堡水库工程建设项目部，山西大同 037000；3.北京普天通达科技有限公司，北京 100083）

1 研究背景

胶结颗粒料坝（Cemented Material Dam，CMD）于2009年提出，是一种介于土石坝和混凝土坝之间的新坝型［1］，其主要特点是：（1）宜构适材。通过将散粒体胶结起来筑坝，调整坝体结构来适应材料特性，强调充分利用当地材料，实现漫顶不溃的目标。根据筑坝材料粒径的不同可用不同的坝型。包括将土胶结以后可建胶结土坝；粒径150 mm以内的材料胶结可修建胶凝砂砾石坝永久工程（300 mm之内的材料胶结可以修建胶凝砂砾石围堰工程）；粒径大于300 mm的材料胶结以后可以做胶结堆石坝（堆石混凝土坝）。（2）宜材适构。考虑坝体功能分区设置，对于不同结构分区的不同要求，选择合适的材料，实现安全且不过度超强的目标。（3）坝体断面形式可以调整。不局限于对称或梯形，目标是充分发挥材料的性能。胶结颗粒料坝具有安全经济、环境友好和漫顶不溃等优点，在遇到洪水漫顶或者地震剪切破坏时，可避免下游地区发生大的次生灾害。水利部已于2014年6月发布了《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL678-2014）［2］，用以指导胶结颗粒料坝的建设。

胶凝砂砾石坝（Cemented Sand Gravel and Rock Dam，CSGRD）是胶结颗粒料坝的一种典型形式，它使用少量的胶凝材料和工程现场不筛分、不水洗的砂、砾、石料，通过简易拌和，经摊铺、振动碾压后形成具备一定强度和抗剪性能的挡水结构。目前，我国已建成了顺江堰胶凝砂砾石坝（H=11.6 m），守口堡胶凝砂砾石坝（H=61.4 m）等工程正在施工中。

胶凝沙砾石坝由于材料级配变幅宽、用水量波动大，尤其是施工中只进行粗筛粗拌，为严格拌和与碾压过程，需要研究建立施工质量控制系流，对施工过程进行实时动态监控和预警。钟登华［3-4］、马洪琪［5］、陈祖煜［6-7］等在大型土石坝、混凝土坝工程的质量监控技术开发方面取得了大量成果，并在糯扎渡心墙堆石坝、黄登碾压混凝土重力坝、丰满碾压混凝土重力坝、出山店土石坝、阿尔塔什土石坝等大型工程中成功应用。其他学者也分别在面板堆石坝、碾压混凝土坝的碾压填筑施工方面的质量控制进行过研究与应用［8-12］。但由于各类大坝施工建设特点区别很大，控制要素不尽相同，如胶凝砂砾石坝与碾压式土石坝最大的不同在于它是刚性坝，筑坝材料中必须加入水泥、粉煤灰等适量的胶凝材料并拌和均匀，各种材料的配合比需要处在严密的监控之下；与碾压混凝土坝最大的不同则是材料无需筛分、不用水洗，但振动碾压过程必须严格监控，除常规的碾压速度、碾压遍数外，还增加了振动状态和仓面温度的监控。

胶结砂砾石坝由于材料级配变幅宽、用水量波动大，为严格拌和与碾压过程，需要研究建立施工质量控制系统，对施工过程进行实时、动态监控和及时预警。

2 质量监控系统需求分析和功能要求

根据《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL678-2014）［2］对胶结砂砾石坝质量控制的有关规定，结合大坝施工各个环节的实际情况，系统监控的内容主要包括原材料检测、拌和物质量检测、施工现场检测、施工过程信息、强度检验与评定以及车辆运输等方面信息。

（1）原材料检测。包括水泥、粉煤灰、砂砾石一次储料堆、砂砾石二次储料堆等原材料的性质检测录入数据、管理和分析功能。

（2）拌和物质量检测。包括VC值、出机口温度、抗压强度等，自动采集的拌和生产的配合比信息和产量信息，可对实际配合比和设计配合比进行复核。

（3）施工现场检测。包括指标性参数，如VC值、表观密度、抗压强度等。

（4）施工过程信息。包括利用超宽带定位技术等对碾压车的实时位置、温度、激振力等信息进行自动采集，并编制专用软件进行数据处理、分析和统计，来实现碾压轨迹、碾压遍数、碾压速度、压实厚度、振动状况、仓面温度、层间间隔时间等的实时监控。

（5）强度检验与评定。包括通过出机口、仓面取样制取试件进行强度检测，作为质量控制水平评定和质量验收的依据等。

（6）车辆运输信息。通过移动终端记录料源地到储料区、储料区到拌和区、拌和区到施工区之间的装车、卸车信息，形成完整的物料流动链条。

根据上述要求，本文系统总体设计见图1，自下而上依次分为：输入层、数据层、服务层、应用层、用户层5个层次。

图1 胶结砂砾石坝质量监控系统总体设计

从系统功能要求的角度对各层的简述如下。

（1）输入层。主要指采集各类监控信息的设备或数据源。一是各类传感器设备，包括对碾压车的实时位置、温度、激振力等信息进行自动化采集的超宽带定位设备、远红外测温设备、振动监测仪、三维电子罗盘等，对运输车辆进行定位的车载GPS等，测量拌和物温度、仓面温度的温度传感器等；二是进行人工数据采集的输入终端，包括桌面终端和智能移动终端等；三是进行视频采集、图像采集的视频监控终端、高清摄像机、照相机等。

（2）数据层。基于实时监控的动态数据和工程资料的静态数据，共同构成的胶凝砂砾石坝施工质量监控管理系统的数据层，对采集的各类监控信息源的数据进行分类储存和管理，以供上层的服务层和应用层调用。主要包括原材料、拌和物、施工现场的各类检测数据、监测数据、质量评定数据，车辆运输调配数据，各类位置信息，工程基本信息等。

（3）服务层。封装数据库、地图的调用接口，向应用层提供四类服务，即监控数据采集服务、后台数据分析服务、应用数据服务接口、地图服务接口等。

（4）应用层。根据应用的性质，分为采集子系统、监控管理子系统和基础数据维护子系统。采集子系统包括移动端数据采集和自动化数据采集，因自动化数据采集对于用户完全透明，故应用层呈现的主要为移动端数据采集，提供各类检测数据、指标数据、运输数据的录入管理界面。施工过程监控管理子系统包括原材料拌和物信息管理、料源上坝信息管理、碾压过程监控分析、运输车辆监控管理、过程模拟和监测反馈、施工现场视频监控等内容。基础数据维护子系统提供对工程基础数据、工程档案数据、地图数据的管理功能。

（5）用户层。胶凝砂砾石坝施工质量事关众多部门，不同用户对系统有不同的需求。依托上述胶凝砂砾石坝施工质量监控系统平台，向施工单位、监理单位、业主单位、设计单位、勘测单位、科研单位、以及上级主管部门、属地政府机构、水行政主管部门等各类存在需求的用户提供多样化、个性化的查询和决策支持服务。

根据实际工程的需要，上述应用层各模块的开发可有所侧重。如本文应用实例中的守口堡胶凝砂砾石坝施工质量监控系统，开发重点在于拌和生产和碾压施工的过程监控，下文的重点论述该系统所采用的关键技术及应用。

3 系统关键技术简述

3.1 自主组网的超宽带三维定位技术采用自主组网的超宽带（UWB）定位技术来实现碾压车的三维动态定位。超宽带技术无线通信是一种采用时间间隔极短（小于1ns）的脉冲进行通信的方式。利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10 m左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。该技术抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大，且发送功率非常小。UWB通信设备可以用小于1 mW的发射功率就能实现通信，低发射功率大大延长系统电源工作时间，其电磁波辐射对人体的影响也很小，便于应用。本文系统应用的超宽带设备为美国TimeZone公司的P440测距模块。

超宽带终端设备测距和通讯模块提供点对点、精度为2 cm的测距能力，测量室外距离最远可达2～4 km。通过3个固定基站和1个移动站之间的距离测量组合就可以通过三维定位算法计算位置坐标，见图2。利用超宽带定位技术实时定位碾压车位置，具有原理简单直接、定位精度高、数据安全性好、抗干扰能力强、受复杂地形环境影响较小的特点，且可根据地理环境灵活架设基站，适用范围广。与卫星定位系统（GPS、北斗等）相比，后者卫星信号受地形、地貌条件约束较大，特别是位于高山峡谷中的水利工程施工现场，使用卫星定位系统受到较大限制。

在整个三维定位解算过程中，为减少误差，需要利用碾压车行进运动的特点，如速度、运动方向、仓面高程等都应该为连续变化，对超限点应予以剔除；对连续求得的多个数据还需进行平滑处理。通过对计算结果进行修正，才能得到最终表征碾压车当前位置和运动状态的数据。经验证，系统三维定位精度指标为：水平向、垂直向均在±2～5 cm之内，能够满足碾压层厚、碾压条带宽度等控制性要求。

图2 自主组网的超宽带三维定位技术基站布设

3.2 碾压监控分析算法对碾压车的监控分析包括碾压轨迹、碾压速度、碾压遍数、碾压层厚、振动状态、仓面温度、层间时间间隔等。在系统中，通过创建仓面、监控碾压运动轨迹、分析碾压遍数、振动状态等来监控碾压车施工过程、施工工艺是否符合《胶结颗粒料筑坝技术导则》［2］的要求。

（1）仓面的概化。仓面施工是坝体浇注最主要的施工环节。由于部分胶结砂砾石坝不设纵缝，采用通仓浇筑等方式，仓面划分存在较大的不确定性。为了适应各种情况，本文系统采用封闭的多边形来概化开仓时的仓面边界，用一个逆时针的多边形顶点坐标（包括水平面坐标和高程）数组来存储仓面信息，并标注仓号、开仓时间、收仓时间等要素信息。程序实现上以此多边形区域为基础，对仓面范围内的碾压施工的各类信息进行监控和分析。

（2）碾压轨迹与碾压速度。碾压轨迹是指碾压车在仓面内行进碾压时，碾轮碾压经过的区域。一般以碾压车轮辊与仓面切线中点代表碾压车位置，按照时间顺序依次连接起来，展现在仓面的水平投影面上，就形成碾压车轨迹线。

若以碾压轨迹线为轴线、分别以轮辊与仓面切线左侧点、右侧点作为碾压条带边界，应用移动画笔法按照碾压轨迹进行绘制，则形成碾压轨迹条带。

将碾压车定位数据进行处理，得到三维坐标数据及其时间信息，据此可求出碾压车某时刻的即时速度。由于测量系统存在误差，也需对速度进行平滑处理。

（3）碾压遍数分析。碾压遍数是保证碾压效果的关键因素，规定的碾压遍数需由试验确定。为进行碾压遍数计算，需将碾压仓面的水平投影面数字化网格化，网格越小则计算精度越高。根据测量精度，宜将网格定义为10 cm×10 cm。

3.3 系统开发工具和运行环境胶凝砂砾石坝施工质量监控系统采用Microsoft公司的.NET架构的C#语言开发。为了保持与开发语言的兼容，所有的组件（表格、tab、菜单、工具条）都采用Windows Form提供的可视化组件开发。平台系统全部采用C/S结构。数据库选用SQLServer 2008及其以上版本。操作系统采用Windows Server 2008以上版本。

4 应用实例

大同市守口堡水库位于山西省阳高县城西北约10 km处的黑水河上游，属海河流域永定河水系洋河的二级支流，坝址以上控制流域面积291 km2。水库总库容980万m3，为小（1）型水库，设计洪水标准为50年一遇洪水，校核洪水标准为500年一遇。工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为四级，工程任务为工业供水、农业灌溉及防洪等综合利用。因水库坝址区砂砾石覆盖层较厚，河床砂砾石丰富，经多方论证，该坝适宜采用胶凝砂砾石新坝型，目前已作为我国第一座胶结砂砾石试验坝正在进行建设。该坝最大坝高61.4 m，胶凝砂砾石总方量为43万m3。在建设过程中，为保障工程施工质量和大坝安全，需进行质量监控系统的开发和应用。

4.1 工地系统组成在守口堡施工工地，系统设有控制中心，在工地现场无线网络全范围覆盖的支持下，集成三维定位、红外测温、振动监测、视频监控等自动化采集设备，通过手持式PAD、笔记本电脑、台式机、大屏幕监控等输入输出设备，以仓面碾压施工为监控重点，对料源地、储料区、拌和区、施工区等4大区域进行施工质量监控，并对车辆运输信息、实验室测试信息等进行管理。系统体系结构如图3所示。

图3 胶结砂砾石坝质量监控系统体系结构

4.2 拌和生产监控《胶结颗粒料筑坝技术导则》［2］对胶结砂砾石拌和配料称量的允许误差有明确规定，胶凝材料和砂石料的动态精度要求分别在±2%和±4%之内。本文系统拌和生产监控的主要功能为监控拌和生产产量和配合比误差情况。通过无线网络传输，系统以一定时间间隔（一般为5 min）从拌和生产控制系统中获取各种配料的实时重量值，计算当前实际配比和设定配比之间的误差，当发生误差值超过规定值或其他异常情况时进行报警，并反馈至拌和生产系统进行故障检查和排除。实时监控画面见图4。

图4 守口堡水库工程实时监控图

根据系统统计，截至2016年10月15日，守口堡水库工程2016年度胶凝砂砾石拌和生产累计方量共21.62万m3。通过系统可随时生成实际生产配比与设定配比的误差比较表，如2016年10月14日下午拌和生产的配比误差情况见表1。

表1 设定配比与实际配比对比情况

4.3 碾压施工监控守口堡水库采用超宽带自主组网技术，建立了碾压施工监控系统和视频监控系统，并在工地配备专业技术人员和运行维护人员，对仓面碾压全过程进行监控，对超速、漏碾、欠碾及不规范的碾压行为及时进行预警，保障了工程施工顺利进行。

截至2016年10月15日，通过系统，守口堡水库2016年度共建立了361个仓面（层面）。图5为第358#仓面碾压轨迹监控画面，经过计算，碾压车速度主要在1.9～3.7 km/h之间。系统既提供实时监控功能，也可进行轨迹回放，并能与视频监控录像对照分析详细的碾压过程。图6为仓面振动碾压遍数分析画面，可以看出绝大多数区域振动碾压都在8遍以上，其余少数区域碾压遍数也在6遍以上，振动碾压条带清晰，主体部分未发现有漏碾和欠碾现象，振动碾压条带之间搭接符合要求。施工结束后的画面见图7。

5 结论

经过研究、开发，胶凝砂砾石坝施工质量监控系统已在施工中发挥了重要的作用，主要特点总结如下：（1）胶凝砂砾石坝施工有其自身特点。相比碾压式土石坝，对筑坝材料中胶凝材料配合比需要严密监控；相比碾压混凝土坝，振动碾压过程监控更为严格，记录情况更全面，包括碾压速度、碾压遍数、振动状态、仓面温度以及层面碾压时的状态（初凝、终凝等）情况。系统通过对施工全过程的监控，实现对坝体任何部位的每方胶凝砂砾石均可追溯碾压、拌和过程。（2）胶凝砂砾石坝目前多用于中小工程，碾压施工场地一般GPS信号强度和稳定性不够，现有基于GPS定位的碾压施工监控技术难以发挥作用。通过研发自主组网超宽带三维定位技术，可不受地形限制，在有效监控范围内具有信号稳定、反应灵敏、定位准确、抗干扰能力强等优点。（3）系统在四川顺江堰和山西守口堡胶凝砂砾石坝工程的成功应用，表明该系统既适合于中小工程，也可应用于大型工程。