长河坝碾压施工质量实时监控系统应用

王 成，时梦楠，冯玉峰，由广昊，刘建坤

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.长江空间信息技术工程有限公司重庆分公司，重庆401147；3.四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定 626001；4.中国电建集团中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081）

0 引言

土石坝由于其可以就地取材，而且其散粒体结构的坝体可以良好的适应变形，同时能够适应各种气候条件。因此，土石坝已经成为应用非常广泛的一种坝型。据资料统计，我国已经建成的9万多座水库大坝中，90%以上的都是土石坝[1]。在水利水电工程建设中，高度超过200 m的高坝建设一直是一个世界级难题[2]。而且在强震区、深厚覆盖层地基上建造200 m以上的高土石坝，国内外尚无先例。长河坝水电站大坝最大坝高240 m，高砾石土心墙堆石坝在建设过程中工程量大，工序之间相互干扰、坝料种类繁多的问题在强震区、深厚覆盖层地质施工条件下表现得尤为突出，对施工质量提出了更高的要求。高坝建设过程中的施工质量控制、信息采集、安全及综合管理成为高坝施工面临的主要问题[2]。

目前，关于施工质量控制领域的研究，国内外已经有相关成果和应用实践。在国外，Robert D.Horan等通过智能压实技术（Intelligent Compaction Technology）来提高沥青混凝土路面施工的质量控制，相比于传统的碾压施工过程，智能碾压技术的引进可以实现碾压信息的实时反馈，并且防止超碾导致的剪切破坏和材料膨胀，同时通过得到整个碾压区域的彩色编码图可以直观反映全部碾压区域的压实度情况[3]。Balunaini Umashankar等针对道路施工质量控制过程中传统沙锥实验的缺陷，提出了采用便携式弯沉仪测量的路面弹性模量来进行质量控制的方法。通过研究发现，弹性模量和沙锥实验测量的路面原位密度具有很高的相关性。因此，采用便携式弯沉仪进行施工质量控制，提高了检测的效率[4]。国外关于施工质量监控的研究中，主要集中于公路基面的碾压方面，在国内，信息技术和数字化技术等在水电工程中已经得到了越来越广泛的应用。金沙江梨园水电站大坝建设过程中[5]，开发的混凝土面板堆石坝填筑施工质量监控系统，该系统在碾压机行驶速度、激振力、压实厚度、上坝运输以及碾压遍数达标率等施工质量控制方面起到了较好的监控作用，达到了辅助控制大坝填筑施工质量的目标。针对心墙堆石坝的建设施工过程质量管理控制的空白，在糯扎渡水电站心墙堆石坝建设中，以数据库技术等为基础，开发了“数字大坝”施工质量管理系统,实现了信息化、精确化和高效化管理[6]。但是在强震区、深厚覆盖层地基上建造200 m以上的高土石坝，国内外尚无先例，大渡河长河坝处于强地震带和深厚覆盖层地基上，其施工质量管理系统的研发对监控与管理提出了更高的要求。

1 工程概况

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站，是一等大型水电工程，主要由砾石土心墙堆石坝、引水发电系统、泄洪系统等组成。电站的总装机容量2 600 MW，正常蓄水位下库容为10.75亿m3，坝顶高程1 697 m，最大坝高240 m。作为一座在强震区、深厚覆盖层地基上建造的200 m以上的高土石坝，碾压施工质量的控制至关重要。施工质量控制指标主要包括3种：结果控制指标、料源控制指标和过程控制指标[7]。在大坝碾压施工现场，结果控制指标主要通过现场环刀试验测试结果控制，由于取样的随机性和不全面性，不能完全反应仓面碾压的质量。同时采取监理旁站和现场人员巡检的方式进行过程指标控制，受人为主观影响因素较大。因此长河坝水电工程迫切需要实现对大坝碾压施工过程的信息实时、在线、全天候的管理以及分析，从而为实现大坝碾压全过程质量实时、在线、自动、高精度的监控与管理提供科学支撑。长河坝碾压施工质量实时监控系统的研发与应用有效解决了传统施工质量控制手段无法实时、在线、全天候的控制施工质量的问题，对满足长河坝水电工程填筑施工要求、保证大坝填筑质量处于受控状态具有重要的现实意义。

2 系统设计

2.1 系统结构设计

长河坝碾压施工质量实时监控系统由6个部分组成，分别是总控中心、无线网络、现场分控站、定位基准站、碾压监控流动站以及数据库服务器等。总控中心主要包括通信系统、安全备份系统以及现场监控应用系统，是监控系统的核心。现场分控站由通信网络设备、图形工作站监控终端和双向通信设备等组成，监理人员负责现场分控站值守，对施工现场实时监控碾压质量，并指导现场施工人员及时对现场的碾压质量问题进行纠偏。数据库服务器主要包括数据库系统，是整个监测系统的数据储存和备份中心。定位基准站主要由UPS设备、GPS接收机、差分电台、卫星天线以及差分天线组成。碾压监控流动站可以获取坝面填筑施工过程中碾压机三维时空坐标和碾压机激振力状态等实时监测数据，通过将数据上传至总控中心进行解算可以得到碾压机械的碾压速度、碾压遍数以及铺筑层厚度等碾压参数。

2.2 系统功能设计

长河坝碾压施工质量实时监控系统结合砾石土心墙堆石坝施工质量操作需求，对大坝碾压施工的各个环节进行有效监控，在确保规范规定的检测项目和有利于发挥依托技术潜力的条件下，使大坝施工质量始终处于系统监控状态，实现施工质量的在线实时监测和反馈控制，改变了传统粗放的管理模式。长河坝碾压施工质量实时监控系统的功能设计如下：

1）实现大坝施工过程信息实时自动化采集与精细化监控

传统的大坝施工信息以不同的方式储存在非电子媒介上，对信息的后续利用和开发造成极大不便。长河坝碾压施工质量实时监控系统对大坝施工过程信息中的碾压机械运行轨迹、行驶速度、激振力状态以及碾压高程等信息进行实时、连续、远程的监控与采集。采用高精度的设备结合动态差分技术，进一步解决过程信息的正确性、精确性问题，实现精细化监控。

2）实现大坝施工质量等信息的数字化

综合运用地理信息系统GIS和全球定位系统GPS等技术，在碾压施工结束以后输出碾压轨迹图、碾压遍数图、压实厚度图以及碾压层高程图等，作为监理单位验收的材料实现了施工质量等信息的直观化和数字化。这些信息存储在数据库后，可以方便后续的使用和查阅。

3）大坝质量精细化控制和管理

长河坝碾压施工质量实时监控系统实现了对工程建设质量控制的快速反应，建立了完善的施工异常情况报警与反馈机制，为保证大坝施工质量始终处于受控状态提供技术支持；实现业主和监理等参建单位对工程建设质量管理活动的深度参与，有效地提升工程建设的管理水平，实现工程建设管理模式的创新，为打造优质工程提供强有力的科学途径[8]。

3 系统的应用与分析

3.1 系统硬件建设

现场系统硬件建设主要分为：

1）营地总控中心建设。总控中心计划安置在业主营地新建的监理办公楼内，安装有投影系统，总控中心现监理办公楼二层。机房内共有3台服务器系统及UPS。

2）GPS差分基准站建设。GPS差分基准站建设在左坝肩1 765 m高程处。

3）碾压机械监控终端。碾压机械高精度设备安装于自行碾，并已针对全部碾压机完成激振力监测装置的安装和驾驶室报警装置的安装。

4）现场分控站建设。现场分控站位于左岸3～2号洞处观礼台位置。

3.2 系统应用流程

1）在大坝填筑碾压仓面施工开始前，由施工单位人员提交分控站该仓面要求的质量参数、监控区域、碾压机械配置等，现场分控站人员据此进行监控参数的设定。

2）监控参数设定以后，现场按照派遣的车辆要求等进行施工，系统开始对整个仓面进行监控。分控站监理通过碾压施工质量实时监控系统客户端远程监控现场的碾压施工质量。

3）在碾压施工现场存在碾压机械超速、激振力不达标或者漏碾的情况时候，客户端会提醒分控站人员进行及时纠偏，同时由监理指导现场施工人员对存在漏碾的区域进行补碾直到达到监控参数设定的要求。

4）开仓的仓面达到关仓要求后，由质检人员对碾压仓面进行随机取样试验，同时对系统提示的质量可能不达标的危险区域追加取样，进一步提高碾压仓面的填筑质量，实现系统对原有质量控制方法的优化。

5）监理人员在各项指标合格后关闭仓面监控界面，通过系统软件生成碾压图形报告。碾压图形报告包括碾压轨迹图、碾压厚度图、碾压遍数图等，作为质量验收的材料。

3.3 系统使用效果分析

根据长河坝碾压施工质量实时监控系统运行成果，以系统运行4年时间内（2012年9月12日至2016年8月31日）的坝体填筑碾压过程监控数据为例进行统计与分析。

3.3.1 仓面碾压遍数统计与分析

以心墙区施工仓面为例，取2015年1月1日至2015年12月28日监控数据进行分析。该阶段共监控心墙区砾石土施工仓面1 218个，其中全程监控施工仓面1 172个。所有全程监控的施工仓面中，碾压14遍及以上区域所占比例最低为95.00%，最高为99.93%，平均为97.34%。根据“长河坝水电站施工质量监控与数字大坝系统实施管理办法”中的相关规定，满足碾压遍数要求的区域其中心墙料碾压遍数合格比率不低于95%，因此心墙区施工仓面碾压遍数合格。

3.3.2 仓面碾压厚度统计与分析

根据系统运行成果，取2012年9月12日至2016年8月31日监控数据进行分析，数字大坝系统监控的各仓面压实厚度均值统计成果见表1。从表1中可以看出监控系统运行期间，仓面压实厚度处于受控状态，满足控制目标。

表1 各仓面压实厚度均值统计

3.3.3 系统的有效性分析

长河坝数字大坝系统自2012年5月24日投入试运行到2016年8月31日停止运行，一共完整监控了7 429个仓面的碾压施工情况，从监控结果看，系统很好地控制了碾压参数。仓面碾压遍数合格率均达到控制要求，碾压机行驶超速现象得到有效控制，仓面压实厚度处于受控状态，各分区仓面平均压实厚度基本接近标准值。通过对大坝375个测点抽样进行试坑干密度检测，干密度检测合格率达到99.73%，满足控制目标。

根据监测，首次蓄水至2016年11月22日，大坝上游坝坡表面最大沉降变化量为53.6 mm，下游坝坡表面沉降变化量为11.9 mm，坝顶表面沉降变化量为82.7 mm；大坝沉降变化为上游坝坡表面沉降变形大于下游坝坡表面沉降变形，坝顶表面沉降最大。

大坝心墙区内部最大沉降为2 164 mm，发生在（纵）0+256.00 m断面心墙1 590.50 m高程处，首次蓄水以来，累计沉降变化量为33.0 mm（下沉）。心墙测斜管显示1 645 m高程以上顺河向水平位移向上游，左岸堆石体1 615 m高程以上靠近心墙部位向上游位移，右岸堆石体1 585 m高程以上靠近心墙部位向上游位移。未见明显异常。

从试验检测的数据和安全监测数据来看，大坝填筑碾压质量得到了很好的保证。说明长河坝砾石土心墙堆石坝碾压施工质量实时监控系统的应用，达到了预期效果，实现了大坝施工质量全过程、全天候、实时的在线监测与控制，确保了大坝工程质量始终处于真实受控状态，为长河坝大坝填筑工程建设的高标准质量控制提供了强有力的技术保障。