崔 博，胡連興，劉東海

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

1 前言

隨著我國水利水電工程建設(shè)的發(fā)展，土石壩開始向300 m級高度研發(fā)和建設(shè)［1］。土石壩施工規(guī)模的提高為壩體安全性帶來了新的考驗，對大壩建設(shè)管理特別是施工質(zhì)量控制提出了更高層次的要求。

心墻堆石壩是土石壩的主要壩型之一。大壩填筑，尤其是防滲體的施工質(zhì)量，是心墻堆石壩施工質(zhì)量控制的主要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到大壩的運行安全，而壩體填筑施工質(zhì)量，主要與料源質(zhì)量和施工參數(shù)有關(guān)，因此在心墻堆石壩的施工中，有效地控制料源質(zhì)量和施工參數(shù)是保證大壩填筑施工質(zhì)量的關(guān)鍵。在國內(nèi)心墻堆石壩施工管理中，通常采用采樣試驗的方法來控制料源質(zhì)量和填筑質(zhì)量，依靠人工巡檢的方式控制施工參數(shù)［2～4］。有限的試驗不能完全反映施工質(zhì)量，而人工控制施工參數(shù)在客觀性與精度方面均有欠缺。同時，人工控制方式與大規(guī)模機械化施工不相適應(yīng)，也很難達到水電工程建設(shè)管理創(chuàng)新水平的高要求。因此，有必要研究開發(fā)一種具有實時性、連續(xù)性、自動化、高精度等特點的大壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，對大壩填筑施工的各個環(huán)節(jié)進行有效監(jiān)控，使大壩施工質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)。

應(yīng)用系統(tǒng)的觀點進行分析，心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)可分解為兩個緊密聯(lián)系的子系統(tǒng)［5］:大壩填筑碾壓過程實時監(jiān)控系統(tǒng)和上壩運輸實時監(jiān)控系統(tǒng)，分別對填筑碾壓過程與上壩運輸過程進行監(jiān)控。在土石碾壓過程監(jiān)控方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究。國外研究主要集中于道路施工領(lǐng)域［6～8］，對路基土石方碾壓過程進行監(jiān)控與指導(dǎo)，以控制路基碾壓的密實程度。國內(nèi)學(xué)者近年來將GPS(global positioning system)技術(shù)應(yīng)用到大壩碾壓參數(shù)實時監(jiān)控中［9～11］，為大壩填筑質(zhì)量控制提供了新手段。其中，在水布埡面板堆石壩施工中得到應(yīng)用的大壩填筑碾壓質(zhì)量GPS監(jiān)控系統(tǒng)是土石壩填筑施工過程實時監(jiān)控的一個具體應(yīng)用。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對碾壓速度、碾壓遍數(shù)、鋪料厚度這三項碾壓參數(shù)的實時監(jiān)控，但沒有涉及另外一個碾壓參數(shù)——碾壓機械振動狀態(tài)，也沒有對壩料運輸過程進行監(jiān)控。

文章針對高心墻堆石壩填筑施工特點，研制開發(fā)心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對土石料上壩運輸過程、壩面填筑碾壓過程的實時監(jiān)控，并在實際工程中進行應(yīng)用。

2 監(jiān)控指標(biāo)

以大壩施工工藝參數(shù)作為施工過程監(jiān)控指標(biāo):在上壩運輸階段，監(jiān)控指標(biāo)為各上壩道路行車密度、加水量以及卸料點料源與分區(qū)匹配情況，當(dāng)監(jiān)測到車流量過大、加水不足、卸料地點錯誤時及時提醒現(xiàn)場管理人員進行處理，并統(tǒng)計各種壩料上壩強度;在壩面碾壓階段，監(jiān)控指標(biāo)為各項碾壓參數(shù)(碾壓機行駛速度、激振力、碾壓遍數(shù)、填筑層厚度)，當(dāng)監(jiān)測到碾壓機過速、激振力不達標(biāo)、漏碾或超碾、填筑層過厚等情況時，及時提醒現(xiàn)場管理人員進行處理，使大壩碾壓過程始終處于受控狀態(tài)。

心墻堆石壩填筑施工過程監(jiān)控指標(biāo)體系見圖1。

圖1 心墻堆石壩填筑施工過程監(jiān)控指標(biāo)體系Fig．1 Targets architecture of high core rock-fill dam filling construction process monitoring

3 監(jiān)控方法

在上壩運輸階段，通過安裝在自卸車上的空間定位設(shè)備與卸料監(jiān)測設(shè)備對自卸車進行時空定位與卸料動作監(jiān)測，通過PDA(personal digital assistant，個人數(shù)字助理，即掌上電腦)實現(xiàn)車輛調(diào)度信息更新;在加水站安裝射頻讀卡器、加水閥自動控制裝置，配合安裝在自卸車上的無線射頻卡進行加水量監(jiān)測以及加水閥門的開合。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心。

在壩面碾壓階段，安裝于碾壓機上的監(jiān)測設(shè)備對碾壓機進行高精度空間定位以獲取碾壓機精確時空位置數(shù)據(jù)，激振力監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)測碾壓機振動狀態(tài)，并將定位得到的三維空間位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與監(jiān)測得到的振動狀態(tài)信號通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心;在各監(jiān)控點電腦上安裝監(jiān)控客戶端，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控中心獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各項碾壓參數(shù)進行實時計算與圖形化顯示。

監(jiān)測數(shù)據(jù)由監(jiān)控中心統(tǒng)一管理。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控中心的應(yīng)用程序?qū)崟r分析判斷監(jiān)控指標(biāo)是否達標(biāo)，通過短信向相關(guān)管理人員發(fā)送提醒信息，并配合使用監(jiān)控客戶端的圖形界面進行不達標(biāo)事件的處理。

4 解決方案

心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控的實現(xiàn)依托于幾個組成部分，包括碾壓機流動站、定位基準(zhǔn)站、運輸車流動站、加水點控制站、總控中心、現(xiàn)場分控站、PDA調(diào)度模塊及通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

1)碾壓機流動站。碾壓機流動站包括安裝于碾壓機械上的GPS接收機、DTU(data transfer unit，數(shù)據(jù)傳輸單元)、激振力監(jiān)測設(shè)備。GPS接收機每秒對碾壓機械進行空間三維定位，激振力監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測碾壓機振動狀態(tài);兩種監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總至DTU，通過無線通信數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至位于總控中心的系統(tǒng)服務(wù)器。

2)定位基準(zhǔn)站?；鶞?zhǔn)站是整個監(jiān)測系統(tǒng)的“位置標(biāo)準(zhǔn)”，通過無線電數(shù)據(jù)鏈，與流動站GPS接收機的觀測數(shù)據(jù)一起進行數(shù)據(jù)差分處理，將碾壓機械GPS設(shè)備的測量精度提高到厘米級，從而滿足大壩填筑碾壓質(zhì)量控制的要求。

3)運輸車流動站。運輸車流動站包括安裝于自卸車上的GPS接收機、卸載操作設(shè)備、無線射頻卡及DTU。GPS接收機每分鐘對運輸車進行空間三維定位，卸載操作設(shè)備監(jiān)測卸料動作，卸料時額外進行車輛定位;監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總至DTU，通過無線通信數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至位于總控中心的系統(tǒng)服務(wù)器。

4)加水點控制站。加水點控制站包括安裝于加水點的閥門控制器、射頻讀卡器、DTU設(shè)備。射頻讀卡器對進入加水區(qū)域的運輸車上安裝的無線射頻卡進行識別，根據(jù)車型換算出設(shè)計加水量，據(jù)此操作加水閥門。加水記錄由DTU通過無線通信鏈路發(fā)送至位于總控中心的系統(tǒng)服務(wù)器。

5)總控中心。總控中心是整個系統(tǒng)的核心組成部分，由多臺服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)管理?？偪刂行脑O(shè)置于建設(shè)營地，可配置投影系統(tǒng)對施工過程進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．2 Structure of real-time monitoring system of high core rock-fill dam filling construction process

6)現(xiàn)場分控站?，F(xiàn)場分控站設(shè)置于大壩施工作業(yè)面附近，配置監(jiān)控終端與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，由監(jiān)理值守，應(yīng)用系統(tǒng)進行過程監(jiān)控與問題處理。一旦監(jiān)控指標(biāo)出現(xiàn)偏差，監(jiān)理人員可及時進行糾偏工作。

7)PDA調(diào)度模塊。運輸車現(xiàn)場調(diào)度人員應(yīng)用已安裝車輛調(diào)度模塊的PDA及時更新運輸計劃，包括運輸車的始發(fā)料場、運載的土石料的種類、目的卸料分區(qū)等，防止系統(tǒng)產(chǎn)生卸料地點判定錯誤。

5 系統(tǒng)開發(fā)

心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)采用N層計算結(jié)構(gòu)。從邏輯角度看，系統(tǒng)分成客戶端、服務(wù)端、數(shù)據(jù)庫;從物理角度看，客戶端可以視用戶數(shù)從1到N進行擴充，以滿足多點監(jiān)控的要求。

系統(tǒng)工作模式采用C/S(client/server，客戶機/服務(wù)器)模式，從邏輯上劃分為三層:表現(xiàn)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層。

第一層:表現(xiàn)層，即監(jiān)控客戶端，為用戶提供施工過程監(jiān)控界面，負(fù)責(zé)各項監(jiān)控成果的展示。

第二層:應(yīng)用層，包括通信與計算服務(wù)端，是實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)功能的邏輯實體，是系統(tǒng)的核心部分。它一方面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信，一方面負(fù)責(zé)接收來自表現(xiàn)層的功能請求、完成相應(yīng)計算分析之后進行反饋。

第三層:數(shù)據(jù)層，存放并管理各種信息，實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)源的訪問，也是系統(tǒng)訪問其他數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一接口。

系統(tǒng)工作模式見圖3。

圖3 心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)工作模式Fig．3 Operation mode of real-time monitoring system of high core rock-fill dam filling construction process

6 工程應(yīng)用

糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃“二庫八級”電站的第五級，其攔河大壩為直粘土心墻堆石壩，最大壩高為261．5 m，是亞洲第一高堆石壩，世界第三高心墻堆石壩。

工程建設(shè)管理局牽頭并協(xié)調(diào)，大壩標(biāo)監(jiān)理單位具體操作，大壩標(biāo)施工單位緊密配合，天津大學(xué)負(fù)責(zé)系統(tǒng)研發(fā)與維護，參建各方共同推動糯扎渡高心墻堆石壩填筑施工過程監(jiān)控系統(tǒng)的實地應(yīng)用。以施工單元為監(jiān)控單元、以現(xiàn)場分控站為主要監(jiān)控操作地點、以現(xiàn)場施工管控人員為系統(tǒng)反饋信息接收方，構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)參與方執(zhí)行流程，見圖4。系統(tǒng)研發(fā)單位與大壩標(biāo)監(jiān)理單位聯(lián)合出具監(jiān)控系統(tǒng)運行周報，匯報系統(tǒng)運行情況、施工過程監(jiān)控成果、監(jiān)控報警匯總及處理結(jié)果，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)運行的資料閉合。此外，管理局制定監(jiān)控系統(tǒng)配合費考核支付管理辦法、監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備管理辦法、監(jiān)控系統(tǒng)反映問題的整改閉合辦法等規(guī)章制度，并將監(jiān)控報告納入單元驗收環(huán)節(jié)，為監(jiān)控系統(tǒng)切實、充分、順利、有效地運行提供了保障。

圖4 糯扎渡心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行流程Fig．4 Work flow of real-time monitoring system of Nuozhadu core rock-fill dam filling construction process

糯扎渡高心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過多年的設(shè)計、研發(fā)、建設(shè)、運行及完善，實現(xiàn)了對于填筑碾壓參數(shù)、加水量、卸料正確性等施工參數(shù)的實時監(jiān)控以及道路行車密度、上壩運輸強度等重要參數(shù)的統(tǒng)計，減少了施工過程控制中的人為因素，提高了施工過程的質(zhì)量控制水平與效率。系統(tǒng)軟件操作界面見圖5。該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中體現(xiàn)出以下特點。

圖5 糯扎渡心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件操作界面Fig．5 Operation interface of real-time monitoring software system of Nuozhadu core rock-fill dam filling construction process

1)精細(xì)監(jiān)控。碾壓機械定位精度達到厘米級水平;自卸車平面定位精度達到米級水平;碾壓遍數(shù)、碾壓高程、壓實厚度計算像素化，計算單位為數(shù)厘米邊長的方形網(wǎng)格。

2)實時、遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)測設(shè)備實時地將數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至總控中心，各監(jiān)控點可通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過裝有監(jiān)控客戶端的電腦對施工過程進行遠(yuǎn)程、實時監(jiān)控。

3)全天候監(jiān)控。系統(tǒng)各類監(jiān)測設(shè)備、硬件設(shè)施均為全天候不間斷工作，保證系統(tǒng)連續(xù)正常運行。

4)高度自動化運行。碾壓機流動站設(shè)備為全自動運行，不需任何人工操作;定位基準(zhǔn)站無人值守運行;運輸車流動站設(shè)備自動定位，空滿載開關(guān)操作簡便。

7 結(jié)語

高心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)及其在實際工程中的應(yīng)用，為工程質(zhì)量實時監(jiān)控提供了先進的技術(shù)手段，在保證工程質(zhì)量方面發(fā)揮了重大作用。施工過程監(jiān)控系統(tǒng)以其科學(xué)性及對高新技術(shù)的高度適應(yīng)性，成為工程管理者實時監(jiān)控工程建設(shè)過程、控制工程質(zhì)量、提高管理水平與效率的重要途徑。研究開發(fā)心墻堆石壩填筑施工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的實用價值，并在我國流域梯級開發(fā)中具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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