高拱坝混凝土振捣智能控制技术研究与应用

杨 宁，李 静，周绍武，刘迎雨，钟桂良

(1.中国三峡建设管理有限公司,北京100038；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072)

1 研究背景

高拱坝坝高超过200 m至300 m量级，承受的水推力巨大，加上其坝体结构的复杂性，使得高拱坝坝体混凝土浇筑质量控制成为拱坝建设中重点关注的技术问题。如何落实高拱坝混凝土浇筑质量施工措施，有效的监测各环节施工过程、控制施工质量，保证混凝土浇筑质量的均质性、均衡性、连续性与整体性，这是大体积混凝土质量控制的关键技术难题。混凝土平仓振捣是高拱坝混凝土浇筑施工的关键流程之一，对大体积混凝土质量控制，是通过对平仓、振捣过程控制实现的，具体体现在[1]：①平仓机摊铺质量控制，避免出现以振代平、摊铺厚度超标等现象；②振捣机和手持式振捣器振捣质量控制，确保振捣时长、插入角度、插入深度、拔插速度等，避免漏振、欠振、过振等现象；③控制混凝土覆盖时间，避免初凝、冷缝等，确保层间结合质量良好、外观质量优良。

然而，常规的高拱坝平仓振捣质量过程控制，主要通过施工自检、监理旁站的方式来实现过程监督及管理，容易受到现场施工人员监理精力及经验等限制，难以全过程、全面监管，施工工艺的控制效果多为定性描述；施工质量评价为局部抽检，代表性不强、随机性较大，不利于全面质量控制；事后质量检查多为被动控制(如钻孔取芯)，即使发现问题，处理的难度较大且成本较高。在振捣过程的记录方面，平仓振捣的质量控制主要靠纸质记录，不便于追溯查询和责任的追踪。这都与规范要求的精细化、定量控制不相匹配，因此，采用精细化、智能化技术对其进行行之有效的监测和控制，以确保混凝土浇筑质量受控势在必行。

从2003开始，国内外已开始在施工过程管理中推广无线技术、手持应用技术和智能控制技术，解决施工过程中各种生产数据采集、处理、传送问题[2-4]，并在堆石坝填筑质量、碾压混凝土坝碾压质量监控技术以及通水冷却智能温度控制已有初步成果[5-8]。本文针对高拱坝混凝土平仓振捣施工质量控制环节，构建了平仓振捣施工质量智能控制技术架构，采用精细化、智能化技术手段和物联设备对其进行全程监控、定量分析和反馈控制，实时监控平仓振捣施工过程质量，及时掌握现场施工状况、发现质量偏差，提供准确的、详细的量化信息，实现质量信息的可追溯性，提高工程质量控制与管理水平，且已在300 m级溪洛渡高拱坝开展了生产性试验，验证了该技术可行性及有效性，为高拱坝混凝土平仓振捣精细化控制提供了有效技术手段，具有深入推广应用的价值。

2 高拱坝混凝土平仓振捣智能控制技术架构

高拱坝大体积混凝土平仓振捣智能控制技术，采用北斗卫星/GPS定位技术、UWB定位技术、超声波测距技术等物联网技术，对混凝土平仓振捣施工过程进行在线监控，包括服务端、客户端、集成物联监控设备(针对平仓机、振捣机和手持式振捣器各自配备)等几个主要部分。系统整体架构如图1所示。

图1 大体积混凝土平仓振捣质量智能监控方案架构Fig.1 The structure of intelligent control for mass concrete vibrating quality

2.1 仓面数据采集与显示

通过平仓机、振捣车上安装的集成监控设备(集成卫星监控主机、卫星接收天线、方位传感器、数据缓存、WiFi无线通信模块)，实时采集平仓机工作位置、平仓轨迹、平仓高程以及振捣机振捣位置、振捣时间、插入角度、插入深度、拔插速度等参数，并将平仓机的三维坐标位置和速度、方位以及振捣台车振捣臂的精确位置、振捣臂有效插入深度、振捣时长，集成处理后通过WiFi模块发送给服务端，服务端接收数据后存储至数据库，由客户端实时显示平仓机、振捣车位置和工作状态，显示内容包括平仓机运行轨迹、振捣车振捣轨迹等。其中，人工振捣通过振捣棒上安装的定位标签及仓面四周布设的无线定位基站定位振捣棒，并将其实时位置发送给服务器。

2.2 平仓振捣规范性分析

服务器将解析出的监测数据进行分析处理，得到振捣机和手持式振捣器的实时振捣范围、有效振捣深度、有效振捣时长、插入角度等振捣过程关键参数及以振代平、欠振、过振现象发生情况，再将监测与分析结果存储并分发给监控客户端，通过客户端的实时图形化显示、历史数据查询、报表输出等方式完成仓面作业质量的实时智能监测。振捣规范性分析内容包括振捣有效振捣深度分析、振捣有效振捣时长分析、手持式振捣器振捣状态分析及浇筑漏振识别分析。

振捣有效深度分析，是利用振捣棒组上安装的超声波测距传感器，实时获得振捣棒安装端距离混凝土表面的距离，结合振捣棒长度计算得到的；振捣有效振捣时长分析，利用监控终端，从振捣机振捣棒组插入混凝土开始，并每隔一定时间监测一组深度数据发送给服务器，直至振捣结束停止计时，并向服务器发送振捣完成指令；漏振识别分析，则是结合监测与分析获得的振捣区域，将振捣作业区按等间隔距离划分成虚拟格网并与已振捣区域叠加，获取振捣覆盖情况，判断是否漏振。

2.3 平仓振捣智能预警与反馈控制

服务器结合仓面作业过程关键参数的控制指标，对实时监测到的数据进行智能判断，发现超出控制指标时通过监控客户端、短信、监控终端等向施工管理人员、现场操作人员发送报警和建议措施，并记录处理结果，实现智能反馈控制与预警。控制过程的预警内容包括振捣深度不达标、振捣时间不达标、振捣插入角度不达标等。以振捣深度预警为例，服务器对有效振捣深度与标准振捣深度进行比较，当有效振捣深度小于要求的振捣深度时，判定为振捣深度不达标，服务器发出振捣深度不达标报警。

3 溪洛渡拱坝振捣质量智能控制实践

溪洛渡坝体为混凝土双曲拱坝，枢纽工程由混凝土双曲拱坝、坝身泄洪孔口、坝后水垫塘和二道坝、左右岸各两条泄洪洞、左右岸各9×770 MW装机的引水发电系统及送出工程组成，电站正常蓄水位600 m，总装机容量13 860 MW，多年平均发电量575.5～640.6 亿kWh。坝顶高程610 m，最大坝高285.5 m，为超高薄壁拱坝。工程地质条件复杂，坝体混凝土施工与质量控制决定其建设成败。为确保混凝土施工质量，经广泛调研、细致研究、精心准备，研发了混凝土平仓振捣质量智能控制系统，全天候在线实时监测与控制混凝土浇筑过程。系统由硬件和软件组成，硬件主要包括北斗/GPS差分基准站、平仓机监控终端、振捣机监控终端、手持式振捣器监控定位基站及标签几大主要部分；软件是智能振捣的实时管理平台，采用C/S架构，主要包括服务端和客户端。服务端完成与监控设备通信、与客户端通信、数据分析处理与存储、系统后台管理等功能，客户端完成仓面规划录入、振捣台车调度、技术要求管理、振捣质量实时监控、监控结果查询与输出等功能。图2给出了实时监控软件界面及反馈控制预警界面。

3.1 系统设计控制参数、误差与精度测试

系统设计以《水工混凝土施工规范》为依据，分解溪洛渡大坝现场振捣工艺并开展振捣数据采集和分析，确定“振捣棒插入到混凝土中，第一坯层插入深度宜为35～40 cm，第二～第四坯层插入深度宜为55～60 cm，第五、第六坯层插入深度宜为56～65 cm，保证混凝土结合密实；插入过程耗时约10 s，振捣棒插入到位后振捣持续振捣约15～17 s，可达坯层表面开始泛浆、骨料不再显著下沉，表面不再有气泡排出；将振捣棒缓慢拔出，拔出速度约5 cm/s，拔起过程约需10 s；振捣完成后以0.8 m倍数尺寸水平移动振动棒，开始下一循环振捣”的设计控制参数。

考虑监控设备定位精度是系统成败关键，要求北斗/GPS平面定位误差≤20 cm，超声波垂直定位精度≤2 cm，水平度定位精度1°，仪表报警误差≤3%，可根据不同混凝土标号级配设置振捣控制时间，误差≤2 s。北斗/GPS双星四频差分定位设备在溪洛渡右岸高程610平台和部分代表性浇筑仓定位精度试验资料表明，机械振捣平面定位精度5 cm,捣车方向角精度1°，垂直精度1 cm，时间精度1 s，能满足混凝土振捣监控精度。

3.2 应用成果分析

2013年8月至2014年3月，溪洛渡大坝通过GPS/北斗RTK实时动态差分实现对振捣过程精确定位，共实现对38个浇筑仓平仓、振捣质量的实时监控、预警及智能控制，当发生以振代平、振深超标、振时超标等不规范施工时，通过软件终端报警、驾驶室提示、短信通知等多种手段实时通知施工管理人员、现场操作人员，有助于各参与方及时进行处理与控制，也有效避免漏振、过振及欠振等行为的发生。以12号坝段高程596 599 m仓为例，仓面设计为C18040三级配混凝土，监控预警指标为振捣时长16～35 s，振捣插入深度40～50、50～60及66～80 cm(对应设计坯层厚为40、50、55 cm)。其中，第6坯层设计插入深度60～65 cm，结果显示，实际振捣深度大于65 cm的振捣点超过1/2；同时，振捣深度较大区域其振捣时间也明显偏长。综合分析系料堆较高，振捣棒插入深度偏大，将料堆振平并振捣密实，整个过程所需时间也会比平仓后再振捣所需时间偏长。图3给出了典型仓代表坯层以振代平图形报告。

图2 智能振捣控制软件及分析评价模块Fig.2 Intelligent vibrating control software and analysis-evaluation module

图3 智能振捣典型仓代表坯层分析示意图-以振代平Fig.3 Analysis diagram for intelligent vibrating control of typical layer

4 结 论

传统混凝土浇筑质量控制只凭经验和责任心，处于定性评价阶段，施工过程无法进行精确控制与评价。本文构建的高拱坝混凝土施工质量智能监控系统，实现大体积混凝土平仓振捣施工质量全过程、全天候的实时在线监控与分析预警，初步形成了大坝混凝土施工质量监控评价方法及预报警流程，提升了现场施工管理水平，使得混凝土振捣生产过程可控，溪洛渡特高拱坝的试验及实施表明该智能系统能适应高拱坝混凝土施工特性与应用环境，解决了大体积混凝土仓面作业施工质量精细化控制难题，具有深入推广应用的价值。

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