智能碾压系统在DG水电站工程中的应用

晏国顺，匡贞霖，杨光文

(1.华电西藏能源有限公司大古水电分公司，西藏 山南 856000；2.水电九局西藏建设工程有限公司，西藏 拉萨 850000)

在当今的新兴坝型中，碾压混凝土重力坝具有节省投资、缩短工期、绿色环保、节能减排、粉煤灰利用等显著优势。1980年，日本建成世界第1座碾压混凝土坝——岛地川坝，坝高89 m。中国研究碾压混凝土坝起源于20世纪70年代末，在研究碾压混凝土筑坝技术过程中，在1986年成功完成了国内第1座碾压混凝土坝，坝高为56.8 m的福建坑口水电站，自此开启了中国筑坝技术飞速发展的新时代，据不完全统计，截至2019年中国已建和在建碾压混凝土坝已达到180多座，百米级以上的碾压混凝土坝逐年增多，如光照(200.5 m)、龙滩(192 m)、观音岩(159 m)、鲁地拉(140 m)等30多座大型水电站工程，也使中国碾压混凝土筑坝技术逐渐成熟并形成了一系列常规的质量控制的方法与手段。主要包括：①管理控制体系制定；②开浇前审核技术报告及文件；③浇筑过程质量控制；④浇筑后质量控制；⑤检测信息记录反馈。其中，在各碾压混凝土坝建设过程中，建设者们在不断研究与探索过程中，在质量控制方面也各具特色与亮点，如光照碾压混凝土重力坝在碾压方向、坡角处理、鞋斜面坡度等问题上进行了深入的研究，使斜层碾压施工工艺更加成熟完善，更利于质量控制；龙滩碾压混凝土重力坝重点针对碾压混凝土VC值控制、碾压层面间隔时间、碾压混凝土压实度三要素进行了细致的研究，在建设者们不断的研究、试验、优化后，很大程度上减小了骨料分离对混凝土质量的危害。国外碾压混凝土坝施工质量控制方法与国内类似，而国外主要对碾压混凝土拌和进行了研究，主要成果如下：①通过实验数据研究VC值变化规律并进行预测；②对碾压混凝土拌和过程含水量变化规律进行了研究并使得混凝土和易性的控制更为高效；③主要对混凝土配合比、施工分缝、碾压厚度、压实度等多方面进行一系列施工质量控制措施。上述对于碾压混凝土质量控制的方法主要通过旁站、抽检、巡查等方式人为监督及控制碾压混凝土浇筑质量，主要受人为因素影响，质量控制精度低。而怎样最大化减少人为因素影响，对浇筑过程进行精细化、自动化的实时监控成为了国内外专家们研究的方向。国内外专家们对于智能碾压实时监控研究的方向主要可分为施工方法监控及施工质量监控两方面；施工方法监控是建立一套智能化系统，系统主要利用GPS、网络、数据库等技术采集碾压机械实时的碾压遍数、行进速度、激振力状态以及压实厚度等参数的计算、显示和统计分析，实时监控碾压混凝土施工过程。施工质量监控主要是以高精度定位技术对土石压实质量的实时监控，主要通过碾压机械振动状态及高精度定位建立压实质量反馈系统进行施工质量的监控。本工程采用的智能碾压系统主要是施工方法监控，并辅以人力对碾压混凝土浇筑质量进行系统+人力双重监控。

目前智能碾压实时监控系统在DG水电站大坝土建工程中全面推广使用，避免了西藏高海拔地区人为因素的影响，加快了施工进度，实现了碾压混凝土浇筑质量实施精准控制，完全达到了碾压混凝土质量控制的目标，起到了良好的过程监控作用，系统应用经验可供类似工程项目参考借鉴。

1 概 述

DG水电站位于西藏自治区山南市桑日县境内，为二等大(2)型工程，主要以发电为主，水库正常蓄水位3 447.00 m，库容0.552 8亿m3，电站坝址控制流域面积为15.74万km2，多年平均流量1 010 m3/s，电站装机容量为660 MW。

大坝坝顶高程3 451.00 m，最大坝高117 m，是目前在建的海拔最高的碾压混凝土坝，西藏在建最高大坝，坝顶长385 m，大坝碾压混凝土93.7万m3，常态混凝土50.5万m3。

2 水文气象条件

2.1 水文资料

2.2 气象资料

本工程位于青藏高原气候区，基本特性为气温低、空气稀薄、紊乱强风、气候干燥、昼夜温差大、太阳辐射强烈(>1 500 W/m2)。每年的旱季在当年11月至次年4月，雨季在5月至10月。据加查气象站(坝址下游约35 km、测站高程3 260.0 m)实测气象资料统计，坝址多年平均气温9.3℃，极端最高气温为32.5℃、最低气温为-16.6℃，多年平均相对湿度为51%，多年平均降水量为527.4 mm，多年平均气压为685.5 hPa，多年平均蒸发量为2 084.1 mm，多年平均日照时数为2 605.7 h，历年最大定时风速为19.0 m/s，历年最大冻土深度为19 cm。

DG水电站所处地区气候条件复杂，这对大坝施工期间需要采取的质量控制方法与措施提出了严苛的要求，必须以更加精细、严格、有效的措施对碾压混凝土质量进行控制方能保证大坝质量。

3 碾压混凝土浇筑质量要求

DG水电站每仓碾压混凝土浇筑均需进行实时监控，智能碾压监控系统主要监控仓面内振动碾行车速度、行进轨迹、激振力状态、碾压遍数、压实厚度等参数，根据系统实时反馈的数据及时反馈到仓面质量员，控制碾压混凝土浇筑过程质量。施工仓面主要由质量部、工程部、安全部联合负责，仓面由仓面总指挥全面组织、安排、指挥、协调仓面内碾压混凝土施工。仓面内质量员根据智能碾压系统反馈信息及时与仓面指挥协调后及时整改，旁站监理根据智能碾压系统反馈的问题督促仓面指挥及时整改，并对整改情况进行检查和追踪，并安排仓面试验人员取样检测碾压混凝土VC值、入仓温度、压实度等参数检查碾压混凝土浇筑过程质量，保证系统+人力双重控制措施有效执行。

3.1 智能碾压监控系统监控参数

1)行进速度。碾压机械行进速度应控制在1.0～1.5 km/h范围内。

2)碾压方向。为更好达到防渗要求，迎水面二级配碾压混凝土防渗区及8～15 m范围内必须垂直水流方向碾压，其余除特殊部位及特殊情况外均垂直于水流方向进行碾压。

3)碾压遍数。碾压遍数要求：2遍静碾+6～8振碾+2遍静碾(收面)，具体遍数以智能碾压系统反馈参数及现场实验员试验结果综合分析后选定。

4)压实厚度。碾压混凝土摊铺厚度控制在33～35 cm，压实厚度控制在30 cm。

3.2 浇筑过程抽样检测监控参数

1)碾压混凝土压实度。检测碾压混凝土表观密度主要使用核子水分密度仪或压实密度计两种仪器。检测频率为铺筑100～200 m2检测1个点以上，每一铺筑层至少检测3个点。判定依据是以碾压完毕10 min后的核子水分密度仪测试结果作为表观密度。坝体的外部混凝土相对密实度必须大于98%，内部混凝土相对密实度必须大于97%。

1.3.3 生化指标及其他体格指标 在病历系统里查阅患者的腰围、臀围、糖尿病史、既往史、生活史（吸烟、饮酒）以及入院后48 h内进行的血生化C21检验、血压、血糖及胰岛素水平检测结果。

2)碾压混凝土试件。碾压混凝土试件应在拌和站出机口取样。碾压混凝土以150 mm标准立方体试件、标准养护28 d的抗压强度为准。碾压混凝土抗冻、抗渗检验的合格率应大于80%。碾压混凝土生产质量评定标准见表1。应由一批(大于30组)拌和站出机口连续取样的28 d龄期抗压强度标准差σ值表示。

表1 碾压混凝土生产质量评定标准表

3.3 碾压混凝土质量评定

钻孔取样是对碾压混凝土质量评定的综合方法，测定碾压混凝土抗压强度的芯样直径在15～20 cm为宜。碾压混凝土的最大骨料粒径>80 mm的部位，宜采用直径≥200 mm的芯样。碾压混凝土在达到设计龄期后进行钻孔取样。根据需要确定钻孔的部位和数量。标准试件的高径比为2.0，钻孔取样评定的参数如表2。碾压混凝土芯样外观评定标准见表3。

表2 碾压混凝土质量评定参数表

表3 碾压混凝土芯样外观评定标准表

4 大坝智能碾压监控系统

4.1 概念

智能碾压实时监控是指在碾压混凝土铺筑施工过程中，实时监控碾压机械的碾压方向、碾压遍数、行进速度、压实厚度、激振力状态等参数。根据碾压混凝土压实情况，智能碾压实时监控系统可以实时检测并反馈碾压区域的压实效果，对不满足设计标准要求的工作参数进行报警提示，系统监控员根据系统反馈信息指导现场施工，有效避免多碾、少碾及漏碾情况，使碾压质量始终处于受控状态。碾压仓面铺筑完成后可在系统导出仓面质量监控报告，主要包括碾压机械的碾压轨迹、平均行进速度、碾压遍数、层面高程、压实厚度图形报告等参数，后续作为调整现场施工措施的参考数据。

4.2 智能碾压监控系统工作流程

利用智能碾压实时监控系统，全天候自动采集碾压混凝土铺筑过程的各项参数。该系统主要由GPS、碾压机械监测、控制中心等部分组成，智能碾压监控系统实时监控工作流程具体如下：

1)通过在碾压机械上安装的检测仪器，实时采集碾压机械的动态坐标和激振力输出状态。

2)实时计算碾压机械行进速度并在系统上实时显示，系统实时分析判断碾压机的碾压遍数、行车速度、激振力输出及压实值是否达标，根据与设计标准值对比计算偏差，发出不同程度报警信号，监控员实时反馈给仓面指挥，仓面指挥安排相应人员和机械进行整改和修补。

3)将施工仓面内监测到的所有碾压机械的行进速度、激振力状态、碾压遍数、压实厚度、压实值等参数保存至数据库，后续作为仓面施工质量评估的参考数据。

4.3 智能碾压监控系统工作流程图

智能碾压监控系统工作流程见图1。

图1 智能碾压监控系统工作流程图

4.4 碾压混凝土坝碾压质量控制机制

碾压机械的行进速度、激振力频率和振幅大小直接决定了碾压混凝土的压实效果。已有研究表明，碾压混凝土料处于松软状态时，加大碾压机械振动振幅，可以压实碾压混凝土料。 当碾压混凝土料压实到一定程度时，若继续加大振动振幅，有可能超压，从而破坏已被压实的碾压混凝土，影响压实效果。所以，需要监控碾压过程中碾压混凝土实际压实情况，实时调整碾压机械的行进速度、激振力状态等工作参数。

4.5 系统运行成果

智能碾压系统数据采集是在碾压机械上安装高精度实时定位仪器及激振力监测仪器，对浇筑施工浇筑施工过程振动碾的行驶轨迹、行进速度、激振力状态、碾压厚度、碾压遍数等参数进行全天候实时监控，行进速度控制标准为1.5 km/h，碾压遍数为静碾2遍+振碾6遍+静碾2遍，碾压厚度控制标准为0.3 m。监控成果如下：

1)碾压遍数监控数据。具体以(9-10)号3 342.5～3 346.5 m碾压仓为例，见表4。

表4 (9-10)号3 342.5～3 346.5 m碾压遍数达标率表 %

碾压仓完成后系统生成并导出图形报告：图2碾压遍数图形报告、图3振碾遍数图形报告(以(9-10)号3 342.5～3 346.5 m碾压仓面第14层为例)，如图2所示，主要反映的是(9-10)号3 342.5～3 346.5 m碾压仓面第14层碾压机械碾压遍数的图形报告，由图形报告可见整个碾压层面碾压遍数均碾压了8遍以上(缺口为入仓道路，未进行碾压)，90%部分碾压了10遍(2遍静碾+6遍振碾+2遍静碾)，其他特殊部位根据实际情况减少了1～2遍静碾，整个仓面碾压遍数符合设计标准要求。图3所示数据也反映了整个仓面碾压机械振碾遍数均达到设计标准要求。在智能碾压实时监控系统运用后，极大程度上降低了人为因素的影响，保证了碾压仓面施工质量。同时为碾压机械、碾压仓面、施工人员减轻了工作强度，大大提高了碾压混凝土的施工效率。

图3 振碾遍数图形报告图

2)碾压厚度监控数据。通过人工测点数据记录每层碾压混凝土铺筑厚度，再通过智能碾压监控系统反馈压实厚度数据进行比较，在进行数据分析统计后如表5所示，受卸料方式及人为操纵平仓机影响，铺筑厚度控制在33～36 cm之间，压实厚度在29～31 cm之间，压实厚度符合设计要求；同时人为进行核子水分密度仪检测压实度检测，压实度均在98%以上，均符合质量标准要求。

表5 (9-10)号3 342.5～3 346.5 m碾压厚度达标率表

4.6 质量控制效果图

通过智能碾压实时监控系统的应用，减小了人为因素的影响，提高了施工效率，同时提高了碾压混凝土施工质量，如图4仓面收面较平整，人员精简有序。为更好的检验碾压混凝土施工质量，现场进行了取芯检测，取芯部位选取了C9015W6F100三级配区域，芯样外观如图5，芯样表面光滑、致密、骨料分布均匀、层面(缝面)结合良好，无明显界限，通过试验检测数据来看，芯样各项数据均符合设计标准要求。通过应用智能碾压实时监控系统，碾压混凝土铺筑过程质量得到了科学有效的控制，为更快更好的建设DG水电站提供了有力的保障。

图4 施工现场碾压仓面收面效果图

图5 芯样外观效果图

4.7 意见与建议

截至目前大坝已浇筑了46仓碾压混凝土。根据DG水电站智能碾压实时监控系统的运用情况有以下几点建议：

1)由于监控员远程与仓面指挥沟通存在一定误差，建议增加小型的手持设备，可用手机APP或者其他便携式设备，能实时与总控中心连接，接收系统反馈的信息，能更好、更快地处理仓面存在的问题。

2)监控员进行监控时，必须严格按照设计要求监控各项参数，及时反馈到现场仓面指挥，仓面指挥应根据监控员反馈的信息及时安排机械设备及人员进行相应的整改。

3)碾压机械上安装的检测仪器应在现场有备份存放，以防仪器故障导致系统无法采集数据或者采集到异常数据，必须保证数据的准确性，以便于后续各项参数调整。

4)智能碾压系统必须配备专项用电及局域网，并配备备用供电系统，防止断电导致数据缺失。

5)定期对智能碾压系统进行检查，主要是对碾压机械上安装的监测仪器进行调试，保持仪器高精度采集数据，保证大坝碾压混凝土铺筑质量。

5 结 语

对于碾压混凝土铺筑过程质量控制，智能碾压实时监控系统提供了很大的帮助，实施全天候智能监控，极大程度上减小了高海拔地区复杂气候条件下碾压混凝土铺筑过程质量控制难度，加快了大坝碾压混凝土施工进度，提高了施工效率，同时也提高了碾压混凝土施工质量，完美的解决西藏地区复杂气候条件下人工降效严重的问题。避免了传统质量控制方法人为因素影响碾压混凝土铺筑质量无法有效控制的问题，减少了不必要的人力物力损耗。该系统的成功应用，克服了质量控制环节碾压机械行进速度无法精确控制、压实厚度人为测量存在较大误差等难题。简化了碾压混凝土铺筑施工过程质量控制方法，提高了施工效率，同时也保证了碾压混凝土施工质量。