張 文，黃聲享，李洋洋，張嘉明

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201702；3.重慶市勘測(cè)院，重慶 400000)

0 引 言

在面板堆石壩的施工中，填筑材料的壓實(shí)質(zhì)量對(duì)壩體的穩(wěn)定性和耐久性至關(guān)重要，因此，填筑碾壓施工過程中的質(zhì)量控制是保證大壩施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。壓實(shí)度和質(zhì)量控制不充分會(huì)導(dǎo)致壩體強(qiáng)度和承載力降低，沉降、體積變化和滲透性等風(fēng)險(xiǎn)增加，直接影響到大壩的運(yùn)行安全。目前，堆石壩填筑碾壓施工質(zhì)量管理主要采取控制碾壓參數(shù)和試坑法檢測(cè)的“雙控”制，即主要依靠人工控制施工碾壓工藝參數(shù)(包括碾壓機(jī)械的運(yùn)行速度與碾壓遍數(shù)、倉(cāng)面平整度等)和人工現(xiàn)場(chǎng)挖坑取樣檢測(cè)等手段[1- 4]。然而，常規(guī)的依靠監(jiān)理和施工人員控制這些碾壓參數(shù)的方式，受人為因素干擾大，且管理模式粗放，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)壓實(shí)參數(shù)的精準(zhǔn)控制，難以確保碾壓施工質(zhì)量。而且，隨著混凝土面板堆石壩規(guī)模的提高，對(duì)填筑施工質(zhì)量控制提出了更高要求，因此，采取常規(guī)手段對(duì)大壩填筑碾壓施工質(zhì)量進(jìn)行控制將不能適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)的發(fā)展。

江坪河水電站大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂設(shè)計(jì)高程476 m，壩高219 m，壩頂長(zhǎng)414 m，寬10 m，是目前世界已建、在建第三高混凝土面板堆石壩，壩體總填筑方量為704萬m3。工程具有填筑工程量大、施工工期緊、施工強(qiáng)度和難度大等特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)填筑施工質(zhì)量的過程控制顯得尤為重要。為此，在江坪河水電站混凝土面板堆石壩工程建設(shè)中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境提出了集合測(cè)量機(jī)器人定位技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，與水電工程施工管理、質(zhì)量控制實(shí)踐相結(jié)合、適合現(xiàn)場(chǎng)條件的大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)堆石壩的填筑碾壓施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋控制，使大壩施工質(zhì)量始終處于真實(shí)受控狀態(tài)。通過系統(tǒng)研制、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、試運(yùn)行等一系列環(huán)節(jié)，最終應(yīng)用于工程實(shí)際，取得了較好的效果。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)原理

碾壓施工質(zhì)量過程控制，主要就是碾壓工藝參數(shù)的控制。根據(jù)DLT 5129—2013《碾壓式土石壩施工規(guī)范》，碾壓控制參數(shù)主要包括碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、填筑厚度和倉(cāng)面平整度。這些參數(shù)都存在一個(gè)共同的物理量——空間位置，即填筑厚度是兩個(gè)空間曲面間的高程差，倉(cāng)面平整度是空間曲面的凹凸情況，碾壓速度是單位時(shí)間內(nèi)通過兩個(gè)空間位置的距離，碾壓遍數(shù)是碾壓機(jī)械通過同一空間位置的次數(shù)。因此，可采用一種具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、自動(dòng)化、高精度等特點(diǎn)的空間定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)碾壓施工質(zhì)量控制。

1.2 空間定位技術(shù)的選擇

GNSS[5- 8]和測(cè)量機(jī)器人技術(shù)[9-13]都是20世紀(jì)90年代以來得到廣泛應(yīng)用的測(cè)量定位新技術(shù)，它們?cè)谙嚓P(guān)填筑工程的碾壓施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用，是先進(jìn)測(cè)量技術(shù)與實(shí)際工程相結(jié)合的典型案例。工程實(shí)踐應(yīng)用已驗(yàn)證這兩種技術(shù)都能很好地實(shí)現(xiàn)填筑工程碾壓施工過程的質(zhì)量監(jiān)控，但這兩種技術(shù)因其自身的特點(diǎn)在應(yīng)用中存在差異性。

GNSS定位技術(shù)要求天線上空視野開闊，在一定的高度角(一般為10°～15°)以上無遮擋，這樣才能保證可見衛(wèi)星構(gòu)成良好的幾何圖形，接收到較好的衛(wèi)星信號(hào)。測(cè)量機(jī)器人定位不需要對(duì)空通視，但需要架設(shè)儀器的基站與測(cè)量目標(biāo)之間保持通視，同時(shí)由于測(cè)程的限制，所以一般選擇距離施工區(qū)域較近、能夠與施工區(qū)域完全通視的地方布設(shè)基站。因此，GNSS技術(shù)適用于環(huán)境開闊的場(chǎng)景，例如開闊山谷中的大壩、機(jī)場(chǎng)、公路等工程；而測(cè)量機(jī)器人在對(duì)天空通視較差的狹長(zhǎng)山谷中的大壩工程中則更為適用。

江坪河水電站的壩址位于峽谷河段內(nèi)，峽谷河道長(zhǎng)約600 m，河谷呈V形，河谷狹窄，高寬比約為1∶1.8，壩址區(qū)為巖溶峽谷，兩岸山體雄厚，岸坡多為懸崖和陡坡，350 m高程以下兩岸峭壁聳立，以上地形陡峻，坡角30°～60°。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，該工程選用測(cè)量機(jī)器人作為大壩填筑碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的空間定位技術(shù)[14-16]。

1.3 系統(tǒng)的組成

江坪河水電站大壩填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是基于多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤測(cè)量的監(jiān)控系統(tǒng)，精準(zhǔn)獲取目標(biāo)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度、軌跡等信息，其結(jié)構(gòu)與組成方式如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成

(1)基站集。基站集即為多個(gè)用來架設(shè)測(cè)量機(jī)器人的基站的集合，要求在施工現(xiàn)場(chǎng)附近穩(wěn)定的制高點(diǎn)處，且對(duì)碾壓施工區(qū)域具有良好的通視條件。在本工程中該部分實(shí)際形式為左右兩岸建立的觀測(cè)房。

(2)參考點(diǎn)。參考點(diǎn)主要用于測(cè)站坐標(biāo)的測(cè)定和測(cè)量定向，為監(jiān)控工作提供坐標(biāo)系統(tǒng)，可直接選取與測(cè)站通視的施工控制網(wǎng)點(diǎn)作為參考點(diǎn)。

(3)移動(dòng)遠(yuǎn)端。移動(dòng)遠(yuǎn)端是指施工現(xiàn)場(chǎng)安裝有信號(hào)反射器的各碾壓機(jī)械，為測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)跟蹤測(cè)量的目標(biāo)。該工程中采用全向反射棱鏡，將其固定在碾壓機(jī)械頂部。

(4)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)運(yùn)行監(jiān)控軟件，通過串口通訊控制測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行跟蹤測(cè)量。

1.4 系統(tǒng)的精度

基于測(cè)量機(jī)器人的填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)采用極坐標(biāo)法進(jìn)行目標(biāo)定位。該方法的測(cè)量定位精度估計(jì)可表達(dá)為

(1)

式中，β為豎直角測(cè)量值；S為斜距；mS為測(cè)距誤差；mβ為測(cè)角誤差；mi、mv分別為儀器高和目標(biāo)高的測(cè)量誤差。

江坪河水電站所采用的測(cè)量機(jī)器人質(zhì)量監(jiān)控中，在自動(dòng)跟蹤模式下測(cè)量機(jī)器人的距離測(cè)量精度為3 mm+1.5×10-6ppm，ATR測(cè)角精度為1″。因填筑施工區(qū)域不大，可忽略球氣差影響，同時(shí)可忽略儀器高與目標(biāo)高的測(cè)量誤差。由式(1)可見，當(dāng)儀器的測(cè)距、測(cè)角精度一定時(shí)，測(cè)量點(diǎn)的點(diǎn)位精度和高程精度只與距離、垂直角大小有關(guān)。當(dāng)S=500 m時(shí)，用不同的β值分別代入式(1)，可得表1所示的點(diǎn)位坐標(biāo)測(cè)量精度。從表1可知，基于測(cè)量機(jī)器人獲取的碾壓機(jī)械空間位置坐標(biāo)平面和高程精度均在mm級(jí)。

表1 距離為500 m時(shí)不同垂直角對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)精度

1.5 系統(tǒng)的工作流程

江坪河水電站大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要工作流程如圖2所示，系統(tǒng)的信息反饋技術(shù)路線如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

圖3 信息反饋的技術(shù)路線

1.6 系統(tǒng)的主要功能及特點(diǎn)

江坪河水電站大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)具有如下主要功能和特點(diǎn)：

(1)碾壓參數(shù)的全程實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)監(jiān)控的碾壓參數(shù)主要為填筑碾壓施工中碾壓機(jī)械的行駛軌跡、行駛速度和實(shí)時(shí)碾壓遍數(shù)。系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)碾壓?jiǎn)卧┕と^程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)碾壓參數(shù)實(shí)時(shí)分析與成果輸出，保證施工質(zhì)量。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)照準(zhǔn)移動(dòng)遠(yuǎn)端全向反射棱鏡并鎖定，每間隔1 s測(cè)量一個(gè)空間三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控的連續(xù)性。

(2)及時(shí)的信息反饋和提醒?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心通過系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中速度過快、碾壓路線不夠規(guī)范等問題，發(fā)現(xiàn)問題立馬通知施工方進(jìn)行糾正。同時(shí)，碾壓機(jī)械司機(jī)可以通過信息平臺(tái)查看行駛速度、行走路線、待碾和欠碾?yún)^(qū)等指導(dǎo)性的信息，為司機(jī)的操作控制提供動(dòng)態(tài)指引，提高工作效率，保證施工質(zhì)量。

(3)施工過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)和管理。系統(tǒng)在監(jiān)控中心采集監(jiān)控信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理得到碾壓參數(shù)后供現(xiàn)場(chǎng)過程監(jiān)督的同時(shí)，將監(jiān)控信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，為建設(shè)后期和運(yùn)營(yíng)期提供詳細(xì)全面的施工質(zhì)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為工程的安全分析和評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。利用這些存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行施工歷史回溯、施工質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)等。

(4)自動(dòng)化程度高。系統(tǒng)運(yùn)行中，數(shù)據(jù)的采集和傳輸、數(shù)據(jù)的計(jì)算分析、碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡和運(yùn)行速度顯示、當(dāng)前倉(cāng)面碾壓遍數(shù)分布情況、超速報(bào)警等整個(gè)過程都是全自動(dòng)的。

(5)系統(tǒng)可擴(kuò)展性好。系統(tǒng)監(jiān)控中心位于工程通視條件很好的區(qū)域，固定的觀測(cè)站和測(cè)量機(jī)器人的靈活性，使得系統(tǒng)有很好的擴(kuò)展性。例如，在碾壓施工的間歇期，監(jiān)控中心可用于工程施工中的測(cè)量工作；在施工完成后，變形監(jiān)測(cè)也可利用。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)投入使用后，系統(tǒng)軟件自動(dòng)對(duì)碾壓機(jī)械進(jìn)行跟蹤測(cè)量，采集實(shí)時(shí)位置三維坐標(biāo)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)快速處理和分析，為監(jiān)理、施工方提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的碾壓質(zhì)量參數(shù)信息，為碾壓施工過程提供實(shí)時(shí)的指導(dǎo)，以監(jiān)控施工區(qū)域的碾壓質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而為工程的高效率、高質(zhì)量施工建設(shè)提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理示意見圖4。在整個(gè)碾壓倉(cāng)面施工結(jié)束后，系統(tǒng)還會(huì)整理分析相關(guān)數(shù)據(jù)，形成整個(gè)碾壓倉(cāng)面的碾壓遍數(shù)信息。

圖4 大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理示意

3 結(jié) 語

江坪河水電站大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是一種新的填筑施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，是對(duì)測(cè)量機(jī)器人技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的融合。實(shí)踐應(yīng)用表明，該系統(tǒng)為填筑工程施工質(zhì)量提供了一種有效的過程控制手段，真正意義上實(shí)現(xiàn)了碾壓參數(shù)技術(shù)參數(shù)量測(cè)與施工管理的自動(dòng)化、規(guī)范化和信息化。

目前，中國(guó)正處于大型基礎(chǔ)工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展時(shí)期，公路、鐵路、水利、電站、機(jī)場(chǎng)等工程建設(shè)均需要壓實(shí)施工質(zhì)量控制技術(shù)，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)方法的缺陷，實(shí)現(xiàn)了(業(yè)主、監(jiān)理、施工)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量的全方位事中控制與過程控制，通過數(shù)據(jù)記錄和儲(chǔ)存，在施工質(zhì)量監(jiān)控方面，做到了有理有據(jù)。施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)前景，對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代施工建設(shè)信息化管理進(jìn)程將起到積極作用。