红鱼洞沥青混凝土心墙坝填筑施工质量实时控制方法及应用

王中良，唐婉秋，杨 丽

(1.四川省红鱼洞水库建设管理局，四川 巴中 636600；2.四川水利职业技术学院,四川 成都 611231)

水利工程是进行水资源配置，提升下游防洪能力，改善城市环境的重要手段。南江县红鱼洞水库工程作为172项水利工程之一，是一座集灌溉、防洪、城乡生活及工业供水等为一体综合利用的水利工程。水库坝址位于南江县桥亭乡境内的南江河红鱼洞河段，灌区分布在巴中市南江县及巴州区境内。红鱼洞水库枢纽工程由拦河大坝、左岸泄洪隧洞(兼导流洞)、右岸溢洪道、右岸灌溉取水口及引水隧洞等水工建筑物组成。水库正常蓄水位650m，死水位600m，汛期限制水位645.5m，水库总库容1.68亿m3。设计灌溉面积2.73万hm2。总干渠渠首设计引用流量为18.17m3/s，大坝采用沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶高程652.80m，最大坝高104.80m。

水利水电工程施工质量管控是工程管理的核心，也是工程稳定运行的基础。当前施工质量控制主要包括:王禹迪等[1]针对碾压混凝土坝运行过程中出现的缺陷和问题，对大坝混凝土强度、碳化深度、钢筋保护层厚度、裂缝性态等进行了检测评估；王平[2]提出了基于安全督管体系的新型水利工程质量管理体系，为水利工程质量管控提供了新的视角。红鱼洞沥青混凝土心墙坝工程规模大、施工技术要求高，大坝填筑质量是施工质量控制的核心。传统的大坝填筑质量控制主要采用监理现场旁站与有限点试坑试验相结合的方式进行检测。然而以上方法在操作过程中容易产生误差[3]，同时难以实现大坝施工质量全方位、全流程实时监控，难以满足大型机械化施工场景下的施工进度、质量管控要求。采用具有实时性、连续性、自动化、高精度的大坝施工质量实时监控系统，以有效监测大坝施工全过程，可以使大坝施工质量得到保证。因此有很多研究者持续关注着坝体压实质量监控这一问题，崔博系统地研究了堆石坝施工质量监控的集成理论和应用方法[4]；刘东海等人研究了各个碾压参数和压实度之间的关系，提出了一种碾压遍数合格率的确定方法[5]；王佳俊等人受到流数据处理中基于概念漂移方法的启发，提出了一种土石坝压实质量的评价方法[6]。除了基于水利工程开展的施工质量实时控制研究外，在沥青路面施工[7]、土石方压实[8]、机场高填方施工[9]、隧道仰拱路基施工[10]等领域也有很多学者就施工质量实时监控这一问题展开研究，钟登华等人[11- 14]针对大坝碾压施工质量监控开展研究，取得了一系列的成果。这些研究都不断为工程的安全稳定运行奠定基础。

1 红鱼洞沥青混凝土心墙坝填筑施工质量实时控制方法

1.1 红鱼洞沥青混凝土心墙坝填筑施工质量实时监控方法架构

红鱼洞水库大坝碾压施工质量实时监控系统综合运用地理信息系统(GIS)、全球卫星导航系统(GNSS)、网络通信技术、海量数据库管理技术等，对红鱼洞水库大坝建设过程中涉及的碾压质量信息进行动态采集与数字化处理，实现工程信息管理的网络化、可视化、数字化和智能化，系统架构如图1所示。

红鱼洞水库大坝碾压施工质量实时监控系统主要实现以下功能。

(1)碾压机施工状态实时感知。基于高精度GNSS定位技术、传感器技术，实时感知碾压机械空间位置、行驶方向、行驶速度及振动状态等指标，作为碾压作业过程监控的基础。构建现场无线传输网络系统，实现作业状态信息的实时传输。

(2)碾压作业状态实时分析。以现场感知的碾压机施工状态信息为基础，在分控站配置监控终端，分别通过有线或无线通讯网络，读取作业状态数据，进行进一步的实时计算和分析，包括坝面碾压质量参数(碾压轨迹、碾压速度、碾压遍数、错距、碾压高程等)的实时计算和分析。并可以在以大坝施工高程截面为底图的可视化界面上进行展示，如图2所示。

(3)碾压作业过程反馈。根据预先设定的控制标准，服务器端的应用程序实时分析判断碾压机械作业状态是否达标，并可以通过图像可视化显示现场实时碾压状况(如碾压遍数、碾压轨迹等)；若出现偏差，则向现场施工管理人员发出相应提醒。同时，构建了图形报告体系，实现现场施工质量智能分析，如图3所示。

1.2 基于混合组网的施工信息传输网络构建

数据传输网络是施工过程实时监控的基础。现有研究主要采用4G通讯网络或自主通讯网络实现碾压施工信息的实时传输。其中4G传输网络具有覆盖面广、经济性高的特点，但对当地通讯条件要求较高；自主通讯网络则完全摆脱了当地通讯网络条件限制，可以实现小区域范围内的高质量传输，但其硬件设备价格较高。

图1 红鱼洞沥青混凝土心墙坝填筑施工质量实时监控方法架构

图2 红鱼洞沥青混凝土心墙坝填筑施工质量实时监控程序界面

图3 碾压监控结果图形报告体系

红鱼洞水库周围通讯条件复杂，大坝不同分区的网络传输条件存在明显差异。其中堆石料区4G传输条件较好，而大坝防渗体的沥青混凝土心墙区则存在小区域通讯盲区，通讯条件难以满足现场全方位监控要求。综合考虑现场网络条件，在兼顾通讯的稳定性与经济性条件下，构建了基于混合组网的施工信息实时传输网络，如图4所示。

图4 混合组网示意图

以4G传输网络为骨干，以自主通讯网络为补充构建了施工信息传输网络。针对堆石料区，采用4G通讯传输网络进行信息传输；针对沥青混凝土心墙区施工机械，进行了自主通讯网络组网建设，并设置自主通讯网络中心节点，实现沥青混凝土心墙区施工信息的实时采集；自主通讯网络中心节点设置于4G网络覆盖区域，并接入4G传输网络，实现施工信息的实时传输。基于以上方法，实现了兼顾稳定性与经济性条件下的传输网络构建。

2 红鱼洞沥青混凝土心墙坝填筑施工质量实时监控系统工程应用

2.1 系统建设

基于以上方法，以红鱼洞水库大坝工程为对象，进行了系统建设。系统建设包括定位基准站建设、碾压机流动站建设、总控中心建设及现场分控站建设。

从坝区内管理因素、施工条件、建设环境、观测环境、地质环境、维持环境等工程实际条件，定位基准站设置于左岸坝顶坝轴线附近654平台，实现差分信号对现场的全覆盖。碾压机流动站安装于现场各碾压机上，根据现场需求，共安装碾压机流动站设备9套，其中心墙区施工区域的3套碾压机系统采用混合组网实现施工信号的全覆盖，其余碾压机采用4G通讯进行数据传输。总控中心设置于红鱼洞建设管理局现场营地，作为施工过程建设与控制基础。同时，现场分控站在大坝左岸坝顶654平台建设，以方便现场施工过程管控。

2.2 监控成果

本系统于2018年4月27日建设完成，并于2020年1月19日完成大坝填筑监控，期间共监控仓面1199个，其中，心墙区仓面249个，上游心墙过渡区仓面244个，下游心墙过渡区仓面249个，上游堆石1区仓面81个，下游堆石1区仓面206个，上游堆石2区仓面114个，下游堆石2区仓面56个。各仓碾压遍数均满足设计要求，下游堆石1区施工仓面碾压遍数统计结果与心墙区施工仓面碾压遍数统计结果如图5—6所示。其中，作为坝体防渗体核心的沥青混凝土心墙区所有监控施工仓面中，碾压遍数合格区域所占比例最低为95.00%，最高为99.99%，平均为97.63%。另外，由于工区断电以及夜间施工未提前通知分控站导致碾压监控系统无法监控的施工仓面均在现场监理旁站监督下碾压合格。

3 结语

在现有的填筑质量实时监控的基础上，本研究以红鱼洞工程情况，构建了基于混合组网的施工信息传输网络，实现了建设全过程的监控，实现了碾压施工动态监控，质量数据的实时统计与分析，碾压施工指引与报警，实时成果分析与报表输出和可视化分析等功能。本系统针对传统的人工旁站与有限点检测方式无法实现大坝填筑质量有效控制的问题，借鉴了当前已有的工程开展大坝填筑质量实时监控研究与应用工作，实现了大坝施工过程的有效控制，确保了红鱼洞大坝填筑碾压质量处于受控状态，提高了大坝建设管理水平。

图5 下游堆石1区施工仓面碾压遍数统计结果

图6 心墙区施工仓面碾压遍数统计结果