王中良，唐婉秋，楊 麗

(1.四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600；2.四川水利職業(yè)技術學院,四川 成都 611231)

水利工程是進行水資源配置，提升下游防洪能力，改善城市環(huán)境的重要手段。南江縣紅魚洞水庫工程作為172項水利工程之一，是一座集灌溉、防洪、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水等為一體綜合利用的水利工程。水庫壩址位于南江縣橋亭鄉(xiāng)境內的南江河紅魚洞河段，灌區(qū)分布在巴中市南江縣及巴州區(qū)境內。紅魚洞水庫樞紐工程由攔河大壩、左岸泄洪隧洞(兼導流洞)、右岸溢洪道、右岸灌溉取水口及引水隧洞等水工建筑物組成。水庫正常蓄水位650m，死水位600m，汛期限制水位645.5m，水庫總庫容1.68億m3。設計灌溉面積2.73萬hm2?？偢汕自O計引用流量為18.17m3/s，大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，壩頂高程652.80m，最大壩高104.80m。

水利水電工程施工質量管控是工程管理的核心，也是工程穩(wěn)定運行的基礎。當前施工質量控制主要包括:王禹迪等[1]針對碾壓混凝土壩運行過程中出現(xiàn)的缺陷和問題，對大壩混凝土強度、碳化深度、鋼筋保護層厚度、裂縫性態(tài)等進行了檢測評估；王平[2]提出了基于安全督管體系的新型水利工程質量管理體系，為水利工程質量管控提供了新的視角。紅魚洞瀝青混凝土心墻壩工程規(guī)模大、施工技術要求高，大壩填筑質量是施工質量控制的核心。傳統(tǒng)的大壩填筑質量控制主要采用監(jiān)理現(xiàn)場旁站與有限點試坑試驗相結合的方式進行檢測。然而以上方法在操作過程中容易產生誤差[3]，同時難以實現(xiàn)大壩施工質量全方位、全流程實時監(jiān)控，難以滿足大型機械化施工場景下的施工進度、質量管控要求。采用具有實時性、連續(xù)性、自動化、高精度的大壩施工質量實時監(jiān)控系統(tǒng)，以有效監(jiān)測大壩施工全過程，可以使大壩施工質量得到保證。因此有很多研究者持續(xù)關注著壩體壓實質量監(jiān)控這一問題，崔博系統(tǒng)地研究了堆石壩施工質量監(jiān)控的集成理論和應用方法[4]；劉東海等人研究了各個碾壓參數(shù)和壓實度之間的關系，提出了一種碾壓遍數(shù)合格率的確定方法[5]；王佳俊等人受到流數(shù)據(jù)處理中基于概念漂移方法的啟發(fā)，提出了一種土石壩壓實質量的評價方法[6]。除了基于水利工程開展的施工質量實時控制研究外，在瀝青路面施工[7]、土石方壓實[8]、機場高填方施工[9]、隧道仰拱路基施工[10]等領域也有很多學者就施工質量實時監(jiān)控這一問題展開研究，鐘登華等人[11- 14]針對大壩碾壓施工質量監(jiān)控開展研究，取得了一系列的成果。這些研究都不斷為工程的安全穩(wěn)定運行奠定基礎。

1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時控制方法

1.1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時監(jiān)控方法架構

紅魚洞水庫大壩碾壓施工質量實時監(jiān)控系統(tǒng)綜合運用地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)、網絡通信技術、海量數(shù)據(jù)庫管理技術等，對紅魚洞水庫大壩建設過程中涉及的碾壓質量信息進行動態(tài)采集與數(shù)字化處理，實現(xiàn)工程信息管理的網絡化、可視化、數(shù)字化和智能化，系統(tǒng)架構如圖1所示。

紅魚洞水庫大壩碾壓施工質量實時監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能。

(1)碾壓機施工狀態(tài)實時感知?；诟呔菺NSS定位技術、傳感器技術，實時感知碾壓機械空間位置、行駛方向、行駛速度及振動狀態(tài)等指標，作為碾壓作業(yè)過程監(jiān)控的基礎。構建現(xiàn)場無線傳輸網絡系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)狀態(tài)信息的實時傳輸。

(2)碾壓作業(yè)狀態(tài)實時分析。以現(xiàn)場感知的碾壓機施工狀態(tài)信息為基礎，在分控站配置監(jiān)控終端，分別通過有線或無線通訊網絡，讀取作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，進行進一步的實時計算和分析，包括壩面碾壓質量參數(shù)(碾壓軌跡、碾壓速度、碾壓遍數(shù)、錯距、碾壓高程等)的實時計算和分析。并可以在以大壩施工高程截面為底圖的可視化界面上進行展示，如圖2所示。

(3)碾壓作業(yè)過程反饋。根據(jù)預先設定的控制標準，服務器端的應用程序實時分析判斷碾壓機械作業(yè)狀態(tài)是否達標，并可以通過圖像可視化顯示現(xiàn)場實時碾壓狀況(如碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡等)；若出現(xiàn)偏差，則向現(xiàn)場施工管理人員發(fā)出相應提醒。同時，構建了圖形報告體系，實現(xiàn)現(xiàn)場施工質量智能分析，如圖3所示。

1.2 基于混合組網的施工信息傳輸網絡構建

數(shù)據(jù)傳輸網絡是施工過程實時監(jiān)控的基礎。現(xiàn)有研究主要采用4G通訊網絡或自主通訊網絡實現(xiàn)碾壓施工信息的實時傳輸。其中4G傳輸網絡具有覆蓋面廣、經濟性高的特點，但對當?shù)赝ㄓ崡l件要求較高；自主通訊網絡則完全擺脫了當?shù)赝ㄓ嵕W絡條件限制，可以實現(xiàn)小區(qū)域范圍內的高質量傳輸，但其硬件設備價格較高。

圖1 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時監(jiān)控方法架構

圖2 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時監(jiān)控程序界面

圖3 碾壓監(jiān)控結果圖形報告體系

紅魚洞水庫周圍通訊條件復雜，大壩不同分區(qū)的網絡傳輸條件存在明顯差異。其中堆石料區(qū)4G傳輸條件較好，而大壩防滲體的瀝青混凝土心墻區(qū)則存在小區(qū)域通訊盲區(qū)，通訊條件難以滿足現(xiàn)場全方位監(jiān)控要求。綜合考慮現(xiàn)場網絡條件，在兼顧通訊的穩(wěn)定性與經濟性條件下，構建了基于混合組網的施工信息實時傳輸網絡，如圖4所示。

圖4 混合組網示意圖

以4G傳輸網絡為骨干，以自主通訊網絡為補充構建了施工信息傳輸網絡。針對堆石料區(qū)，采用4G通訊傳輸網絡進行信息傳輸；針對瀝青混凝土心墻區(qū)施工機械，進行了自主通訊網絡組網建設，并設置自主通訊網絡中心節(jié)點，實現(xiàn)瀝青混凝土心墻區(qū)施工信息的實時采集；自主通訊網絡中心節(jié)點設置于4G網絡覆蓋區(qū)域，并接入4G傳輸網絡，實現(xiàn)施工信息的實時傳輸?；谝陨戏椒?，實現(xiàn)了兼顧穩(wěn)定性與經濟性條件下的傳輸網絡構建。

2 紅魚洞瀝青混凝土心墻壩填筑施工質量實時監(jiān)控系統(tǒng)工程應用

2.1 系統(tǒng)建設

基于以上方法，以紅魚洞水庫大壩工程為對象，進行了系統(tǒng)建設。系統(tǒng)建設包括定位基準站建設、碾壓機流動站建設、總控中心建設及現(xiàn)場分控站建設。

從壩區(qū)內管理因素、施工條件、建設環(huán)境、觀測環(huán)境、地質環(huán)境、維持環(huán)境等工程實際條件，定位基準站設置于左岸壩頂壩軸線附近654平臺，實現(xiàn)差分信號對現(xiàn)場的全覆蓋。碾壓機流動站安裝于現(xiàn)場各碾壓機上，根據(jù)現(xiàn)場需求，共安裝碾壓機流動站設備9套，其中心墻區(qū)施工區(qū)域的3套碾壓機系統(tǒng)采用混合組網實現(xiàn)施工信號的全覆蓋，其余碾壓機采用4G通訊進行數(shù)據(jù)傳輸?？偪刂行脑O置于紅魚洞建設管理局現(xiàn)場營地，作為施工過程建設與控制基礎。同時，現(xiàn)場分控站在大壩左岸壩頂654平臺建設，以方便現(xiàn)場施工過程管控。

2.2 監(jiān)控成果

本系統(tǒng)于2018年4月27日建設完成，并于2020年1月19日完成大壩填筑監(jiān)控，期間共監(jiān)控倉面1199個，其中，心墻區(qū)倉面249個，上游心墻過渡區(qū)倉面244個，下游心墻過渡區(qū)倉面249個，上游堆石1區(qū)倉面81個，下游堆石1區(qū)倉面206個，上游堆石2區(qū)倉面114個，下游堆石2區(qū)倉面56個。各倉碾壓遍數(shù)均滿足設計要求，下游堆石1區(qū)施工倉面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計結果與心墻區(qū)施工倉面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計結果如圖5—6所示。其中，作為壩體防滲體核心的瀝青混凝土心墻區(qū)所有監(jiān)控施工倉面中，碾壓遍數(shù)合格區(qū)域所占比例最低為95.00%，最高為99.99%，平均為97.63%。另外，由于工區(qū)斷電以及夜間施工未提前通知分控站導致碾壓監(jiān)控系統(tǒng)無法監(jiān)控的施工倉面均在現(xiàn)場監(jiān)理旁站監(jiān)督下碾壓合格。

3 結語

在現(xiàn)有的填筑質量實時監(jiān)控的基礎上，本研究以紅魚洞工程情況，構建了基于混合組網的施工信息傳輸網絡，實現(xiàn)了建設全過程的監(jiān)控，實現(xiàn)了碾壓施工動態(tài)監(jiān)控，質量數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計與分析，碾壓施工指引與報警，實時成果分析與報表輸出和可視化分析等功能。本系統(tǒng)針對傳統(tǒng)的人工旁站與有限點檢測方式無法實現(xiàn)大壩填筑質量有效控制的問題，借鑒了當前已有的工程開展大壩填筑質量實時監(jiān)控研究與應用工作，實現(xiàn)了大壩施工過程的有效控制，確保了紅魚洞大壩填筑碾壓質量處于受控狀態(tài)，提高了大壩建設管理水平。

圖5 下游堆石1區(qū)施工倉面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計結果

圖6 心墻區(qū)施工倉面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計結果