貟小剛，羅 輯

（中國水利水電第四工程局有限公司勘測設(shè)計(jì)研究院，青海 西寧 810007）

前 言

隨著科技的進(jìn)步和建設(shè)成本的節(jié)約，在電站建設(shè)和水利工程建設(shè)中，大型土壩、大型土石壩、心墻堆石壩、心墻面板壩等各式各樣的大型或特大型土、石壩將越來越多，建筑這些大壩一條重要原則就是必須確保大壩安全，因此，填筑碾壓工藝必須科學(xué)、嚴(yán)密，以保證填筑質(zhì)量.

1 工程簡介

云南華能瀾滄江水電有限公司投資建設(shè)的糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段八個(gè)梯級(jí)規(guī)劃的第五級(jí)，水電站工程屬大型一等工程，工程主要以發(fā)電為主，兼防洪、灌溉、養(yǎng)殖和旅游等功能，水庫具有多年調(diào)節(jié)性能，庫容為237.03×108m3，電站裝機(jī)容量5850MW.

電站大壩為粘土心墻堆石壩，壩頂高程為821m，壩頂長630m，壩體基本剖面為中央直立心墻形式，心墻兩側(cè)為反濾層，反濾層以外為堆石體壩殼.壩頂寬度為18m，心墻基礎(chǔ)最低建基面高程為560.0m，最大壩高為261.5m，上游壩坡坡度為1:1.9，下游壩坡坡度為1:1.8.

2 堆石壩的心墻填筑工藝

糯扎渡水電站堆石壩的心墻為摻礫石土質(zhì)心墻，為了使土質(zhì)心墻達(dá)到最佳防滲效果，在大壩填筑前要對選用的土料進(jìn)行多次碾壓實(shí)驗(yàn)，依據(jù)糯扎渡水電站選用的土料為坡積風(fēng)化紅土，這種土不能直接用于心墻，必須經(jīng)過改良后才能使用.糯扎渡水電站的土料工藝如下：摻進(jìn)直徑在5mm～50mm的礫石混合料，再經(jīng)碾壓，通過多次試驗(yàn)取得很好的防滲效果.

心墻料選定后的碾壓工藝和工法是否合理和正確是心墻防滲效果好壞的基本保障，摻礫土料碾壓密實(shí)度是評定防滲效果的重要指標(biāo)之一，也是現(xiàn)場質(zhì)量控制的主要目標(biāo)，經(jīng)選用的鋪填料碾壓密實(shí)度取決于本身材質(zhì)如顆粒含量、含水率等，鋪料厚度和碾壓遍數(shù)是保證摻礫土料碾壓密實(shí)度的重要參數(shù).選用20噸振動(dòng)碾在鋪料厚度為27cm～30cm情況下，在碾壓機(jī)械行進(jìn)時(shí)速不大于3km/h，經(jīng)8遍振動(dòng)碾壓后，摻礫土料干密度可達(dá)98%，而規(guī)范設(shè)計(jì)要求為97%，這也是設(shè)計(jì)的最優(yōu)指標(biāo).要達(dá)到這個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)值，首先是要解決填筑料的內(nèi)在質(zhì)量問題，其次還必須要有科學(xué)的施工工藝和工法.

施工中的鋪料厚度控制是填筑質(zhì)量好壞的重要環(huán)節(jié)，鋪料厚度控制是由測量人員在現(xiàn)場用常規(guī)測量方法控制鋪料邊界和厚度（高程）.測量人員24小時(shí)現(xiàn)場值班，在鋪料全過程中的工作流程為測量、攤鋪、再測量、再攤鋪直至鋪料厚度、平整度符合設(shè)計(jì)要求為止.

在填筑料攤鋪完成后，碾壓質(zhì)量的好壞是填筑質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素之一，而碾壓質(zhì)量的好壞取決于在規(guī)定機(jī)械噸位的條件下振動(dòng)碾行走速度和行走路徑，在施工實(shí)踐中，振動(dòng)碾碾壓遍數(shù)（行走路徑）和振動(dòng)碾行走速度又是現(xiàn)場施工質(zhì)量較難控制的因素，由于漏碾和超碾而影響碾壓質(zhì)量的事情時(shí)有發(fā)生，為了確保工程質(zhì)量，嚴(yán)格控制碾壓機(jī)械行走速度和行走路徑，用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)對參加作業(yè)的碾壓機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，于是GPS監(jiān)控平臺(tái)在糯扎渡水電站碾壓心墻堆石壩質(zhì)量控制中得到初步應(yīng)運(yùn).

3 GPS測量的基本原理與特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的硬件設(shè)施主要包括GPS衛(wèi)星信號(hào)接收系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.2 基本原理

GPS定位原理類似于傳統(tǒng)的后方交會(huì)，如果在需要的位置架設(shè)GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻同時(shí)接收幾顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)，即測得衛(wèi)星到測站點(diǎn)的幾何距離，就可根據(jù)后方交會(huì)原理確定出測站點(diǎn)的三維坐標(biāo).

3.3 GPS系統(tǒng)的主要功能及特點(diǎn)

3.3.1 用途廣泛.GPS定位系統(tǒng)已應(yīng)用于大地測量，地殼板塊運(yùn)動(dòng)監(jiān)測，各種工程監(jiān)測網(wǎng)和進(jìn)行各種工程測量等.其應(yīng)用有著廣泛的前景，特別是自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng)、工程施工的自動(dòng)控制系統(tǒng)是未來應(yīng)用研究的重要方向.

3.3.2 碾壓參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控性.碾壓參數(shù)主要涉及到各移動(dòng)遠(yuǎn)端碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行速度和碾壓遍數(shù)，要求實(shí)時(shí)監(jiān)視，控制施工質(zhì)量.本系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的雙向?qū)崟r(shí)傳送，無論是在監(jiān)控中心、現(xiàn)場分控站，還是在各移動(dòng)遠(yuǎn)端，均可實(shí)時(shí)顯示碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡和運(yùn)行速度.系統(tǒng)監(jiān)控的觀測數(shù)據(jù)是連續(xù)的，每間隔一定時(shí)間解算一次結(jié)果，將解算結(jié)果按設(shè)定比列尺展繪出來，就能代表移動(dòng)遠(yuǎn)端的運(yùn)行軌跡，同時(shí)也滿足系統(tǒng)對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的連續(xù)性要求.

3.3.3 精度滿足要求.系統(tǒng)采用GPS技術(shù)，其平面位置精度足以滿足碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行速度和碾壓遍數(shù)的計(jì)算精度要求；而在高程方向上，系統(tǒng)試驗(yàn)及應(yīng)用表明，只要移動(dòng)遠(yuǎn)端至基準(zhǔn)站之間距離控制在一定范圍，通過選擇高性能、抗干擾性強(qiáng)的雙頻GPS接收機(jī)，對碾壓倉面攤鋪后震動(dòng)碾壓過程中，差分導(dǎo)航的精度經(jīng)現(xiàn)場測量對比均在10厘米以下，完全滿足施工精度的要求.

3.3.4 全天候?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)觀測.應(yīng)用GPS定位、導(dǎo)航，不受天氣的影響，可以全天候地工作.這一特點(diǎn)保證了變形監(jiān)測的連續(xù)性和自動(dòng)化，工程適用性強(qiáng).系統(tǒng)設(shè)備充分考慮了供電、抗振、散熱、溫控、啟動(dòng)與斷電的自我保護(hù)、防雷擊與防盜的安全保護(hù)和防范措施，系統(tǒng)的誤操作具有可察性和可恢復(fù)性.

3.3.5 自動(dòng)化程度高.系統(tǒng)基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至移動(dòng)遠(yuǎn)端、移動(dòng)遠(yuǎn)端的位置信息反饋到監(jiān)控中心、碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡和運(yùn)行速度顯示、監(jiān)控中心和現(xiàn)場分控站顯示各移動(dòng)遠(yuǎn)端的運(yùn)行軌跡和運(yùn)行速度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理與反饋分析等整個(gè)過程是全自動(dòng)的.若在一個(gè)測站點(diǎn)上需要作長時(shí)間的連續(xù)測量，還可實(shí)行無人值守的數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)據(jù)傳輸，將所采集的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的GPS測量和計(jì)算.

3.3.6 操作簡便.系統(tǒng)監(jiān)控中心和網(wǎng)絡(luò)中繼站嚴(yán)格按照全自動(dòng)化要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要人工操作的部分主要集中在移動(dòng)遠(yuǎn)端.通過對移動(dòng)遠(yuǎn)端的人性化設(shè)計(jì)，其操作過程非常簡便，僅涉及到開關(guān)等幾個(gè)必要步驟.同時(shí)，移動(dòng)遠(yuǎn)端設(shè)備簡潔，體積小，重量輕，安裝和拆卸非常簡便.

3.3.7 功能完備.系統(tǒng)支持同時(shí)使用多個(gè)（10個(gè)以上）移動(dòng)遠(yuǎn)端，具有碾壓機(jī)械的過速報(bào)警監(jiān)視功能，可以進(jìn)行碾壓倉面的補(bǔ)碾與混合碾，數(shù)據(jù)自動(dòng)入庫管理與調(diào)用，指定倉面的移動(dòng)遠(yuǎn)端平均速度統(tǒng)計(jì)和碾壓遍數(shù)自動(dòng)計(jì)算與成果輸出等功能.

3.4 GPS在工程測量中的應(yīng)用特點(diǎn)

工程控制網(wǎng)是工程建設(shè)、管理和維護(hù)的基礎(chǔ)，其網(wǎng)型和精度要求與工程項(xiàng)目的性質(zhì)、規(guī)模密切相關(guān).一般地，工程控制網(wǎng)覆蓋面積小、點(diǎn)位密度大、精度要求高，常規(guī)的方法多采用邊角網(wǎng).采用GPS定位的方法建立工程控制網(wǎng)，具有點(diǎn)位選擇限制少、作業(yè)時(shí)間短、成果精度高、工程費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于建立工程首級(jí)控制網(wǎng)、變形監(jiān)測控制網(wǎng)、工礦施工控制網(wǎng)、工程勘探、施工控制網(wǎng)、隧道、地下工程控制網(wǎng)等等.

4 GPS監(jiān)控碾壓設(shè)備行走速度和行走軌跡控制的基本原理

用于糯扎渡電站大壩和心墻碾壓的振動(dòng)碾為三一重工生產(chǎn)的20噸輪式凸凹碾，由于GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)能實(shí)時(shí)提供三維坐標(biāo)，在振動(dòng)碾上安裝GPS接收系統(tǒng)并將接收到的瞬間（每10秒接、發(fā)一次）坐標(biāo)信息通過無線傳輸至設(shè)置在左岸EL821.5平臺(tái)的監(jiān)控室，控制平臺(tái)將振動(dòng)碾運(yùn)行軌跡按設(shè)定間隔時(shí)間，按適當(dāng)縱、橫比列尺繪制成運(yùn)行軌跡圖并計(jì)算出振動(dòng)碾的運(yùn)行速度和碾軌錯(cuò)動(dòng)偏距，如果振動(dòng)碾超速運(yùn)行、超范圍、超碾或漏碾壓，控制平臺(tái)監(jiān)控人員就可向振動(dòng)碾操作手發(fā)出相應(yīng)警示，提醒操作手按正確方式操作.控制平臺(tái)也將運(yùn)行軌跡圖向局域網(wǎng)需求終端傳送同步信息，實(shí)現(xiàn)大壩碾壓質(zhì)量控制數(shù)字化監(jiān)控.其（監(jiān)）控制流程圖如圖2所示：

圖2 大壩碾壓控制流程圖

5 GPS定位系統(tǒng)在大壩填筑碾壓中的應(yīng)用

根據(jù)糯扎渡水電站大壩結(jié)構(gòu)，將碾壓范圍分為壩前區(qū)、壩后區(qū)和心墻區(qū)，其中心墻區(qū)的碾壓尤為重要.現(xiàn)以心墻區(qū)為例，說明GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)如何在大壩填筑中實(shí)現(xiàn)碾壓質(zhì)量監(jiān)控.為了使進(jìn)料、鋪料和碾壓不發(fā)生沖突和干擾，將粘土防滲心墻又劃分為左壩區(qū)和右壩區(qū)，在左壩區(qū)鋪料、刮平、測量檢測各工序完成后，為了有利振動(dòng)碾駕駛員平穩(wěn)、勻速、直線行進(jìn)，在碾壓范圍內(nèi)，平行于壩軸線每隔10m用白石灰劃出各碾壓小區(qū)，經(jīng)過編號(hào)和安裝了GPS接收系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)（接收、發(fā)送為一集成模塊）的各臺(tái)凸凹振動(dòng)碾進(jìn)入各個(gè)碾壓小區(qū)，開啟接收傳輸模塊后開始碾壓工作.圖3是安裝了GPS接收系統(tǒng)和無線信息傳輸系統(tǒng)的振動(dòng)碾實(shí)物照片（振動(dòng)碾駕駛室頂部安裝有球狀GPS接收天線和拉桿式信息傳送天線，天線與模塊連接，模塊由機(jī)上蓄電池供電）.

圖3 安裝了GPS接收系統(tǒng)和無線信息傳輸系統(tǒng)的振動(dòng)碾

由于各臺(tái)振動(dòng)碾發(fā)送的頻率差別，控制平臺(tái)依據(jù)收到的各信息進(jìn)行處理后用不同顏色畫出各臺(tái)振動(dòng)碾的運(yùn)行軌跡，發(fā)現(xiàn)超速、超壓、漏壓情況時(shí)，則向相應(yīng)機(jī)械手發(fā)出相關(guān)警示糾偏.當(dāng)某一分區(qū)碾壓完成后經(jīng)實(shí)驗(yàn)人員檢驗(yàn)合格和測量人員測量完畢后進(jìn)行下一層鋪料，依此循環(huán).壩前區(qū)和壩后區(qū)的塊石碾壓與此相仿.圖4為在左壩肩（821.5m高程）俯攝心墻第37層（570.00m～570.30m）左壩區(qū)的碾壓施工過程和右壩區(qū)的土料攤鋪過程的照片.

圖4 大壩心墻鋪料、碾壓照片

圖5為攝于控制室的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控桌面（由于線條間距較小，圖片中每臺(tái)振動(dòng)碾的運(yùn)行軌跡幾乎成了一種顏色，實(shí)際上它是多條線段組成），每種顏色表示一臺(tái)振動(dòng)碾的運(yùn)行軌跡，每種顏色中的黑點(diǎn)代表一臺(tái)振動(dòng)碾，黑點(diǎn)每10秒跳動(dòng)一次，在畫出軌跡線的同時(shí)在黑點(diǎn)旁邊標(biāo)有速度、軌偏距提示，振動(dòng)碾在設(shè)計(jì)時(shí)速和設(shè)計(jì)碾壓錯(cuò)動(dòng)范圍下，在實(shí)地10m寬范圍內(nèi)，在監(jiān)控器顯示屏上應(yīng)畫出間隔相等且平行的40條直線，如果振動(dòng)碾行走異常，顯示屏上顯示的軌跡線則是雜亂的扭曲折線；如某部位超壓則相鄰兩條軌跡線間距明顯縮小甚至重合；如某部位漏壓則相鄰兩條軌跡線間距明顯增寬或產(chǎn)生空白；如果振動(dòng)碾行走超速，則小黑點(diǎn)跳躍的點(diǎn)距變長，甚至黑點(diǎn)變?yōu)榧t色.監(jiān)控員依據(jù)顯示的實(shí)際情況作出相應(yīng)的判斷并向駕駛員發(fā)出糾偏指令.

圖5 控制平臺(tái)繪制的各振動(dòng)碾監(jiān)控軌跡

在GPS監(jiān)控平臺(tái)實(shí)施后，駕駛員都能按要求正常作業(yè)，確保了碾壓的質(zhì)量，至2012年5月，糯扎渡水電站大壩心墻已填筑至EL800高程，在已填筑（EL560～EL800）的工程質(zhì)量評定中，無論是施工單位的自檢，還是監(jiān)理中心的抽檢，建設(shè)單位實(shí)驗(yàn)中心的審核檢驗(yàn)，其單元工程質(zhì)量評定合格率均為100%，其中優(yōu)良率達(dá)80%以上.

5 結(jié) 論

GPS在糯扎渡水電站大壩碾壓中的初步應(yīng)用，充分體現(xiàn)了碾壓質(zhì)量監(jiān)控的科學(xué)化、自動(dòng)化、全天侯、效率高、消耗低等優(yōu)點(diǎn).它為大壩填筑科學(xué)化和程序化提供了強(qiáng)有力的控制平臺(tái)，使大壩填筑過程實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化質(zhì)量監(jiān)控，使大壩填筑過程實(shí)現(xiàn)了透明化、數(shù)字化、檔案化，將碾壓質(zhì)量的過程控制由現(xiàn)場人員監(jiān)督轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮颖O(jiān)控，不僅極大地減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，徹底杜絕了人為監(jiān)督中的判斷隨意性，將碾壓質(zhì)量現(xiàn)場控制紀(jì)錄變?yōu)閳D文兼?zhèn)涞哪雺哼^程電子文檔，為檔案管理帶來了及大的方便，最為重要的是為提高大壩填筑質(zhì)量開辟了十分重要的監(jiān)控途徑，為大壩的安全提供了基礎(chǔ)保障.隨著科技的進(jìn)步和不斷地改進(jìn)、完善，GPS在建設(shè)工程中的應(yīng)用范圍必將越來越廣泛.

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