栗強(qiáng)軍

(浙江廣川工程項(xiàng)目管理有限公司，浙江 寧波 315000)

土石方是影響水庫(kù)大壩等基礎(chǔ)工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素，填筑壓實(shí)質(zhì)量為土石方施工過程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。因此，對(duì)土石方填筑質(zhì)量智能化檢測(cè)方法進(jìn)行研究，具有重要意義。國(guó)外土石方填筑檢測(cè)研究較為成熟，通過獲取響應(yīng)信號(hào)，通過基波比值、二次諧波分量和三維可視化技術(shù)，得到振動(dòng)信號(hào)的基波和諧波分量，當(dāng)諧波和比值越大，表明土壤壓實(shí)程度越好，同時(shí)計(jì)算壓實(shí)度標(biāo)定值，采用計(jì)算機(jī)仿真學(xué)，劃分施工壓實(shí)的適用范圍，檢測(cè)振動(dòng)輪軸承垂直方向的激振加速度，以此反映土壤壓實(shí)程度。國(guó)內(nèi)土石方填筑檢測(cè)研究，同樣取得較大發(fā)展，使用密實(shí)度測(cè)量?jī)x，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行線性變換和壓頻轉(zhuǎn)換，通過加速度確定振動(dòng)輪反力，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的土石混合料，與標(biāo)準(zhǔn)干密度的土石混合料混合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)，同時(shí)建立人機(jī)交互的體系結(jié)構(gòu)，可視化顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷-時(shí)間控制閥，確定振動(dòng)輪反力、彈性模量和土壤強(qiáng)度之間的關(guān)系，得到土壤密實(shí)度和壓實(shí)程度，判斷土方石填壩的壓實(shí)質(zhì)量[1]。

在以上理論的基礎(chǔ)上，提出基于可視化技術(shù)的水庫(kù)大壩土石方填筑質(zhì)量智能化檢測(cè)方法。

1 檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 基于可視化技術(shù)的水庫(kù)大壩填筑作業(yè)面監(jiān)控

結(jié)合可視化技術(shù)，智能化監(jiān)控水庫(kù)大壩填筑作業(yè)面。在每輛碾壓機(jī)械和大壩填筑作業(yè)面的基準(zhǔn)點(diǎn)處，安裝通信電臺(tái)和傳感器，并在監(jiān)控中心設(shè)置大屏幕顯示器、數(shù)據(jù)庫(kù)和主控計(jì)算機(jī)，其中傳感器包括GPS接收機(jī)、測(cè)速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器[2]。首先按照高程和坐標(biāo)，將土方石填筑、大壩分區(qū)輸入計(jì)算機(jī)，然后通過通信電臺(tái)，把傳感器采集的狀態(tài)信息，發(fā)送給監(jiān)控中心，包括碾壓機(jī)速度、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角度、位置坐標(biāo)、作業(yè)環(huán)境視頻圖像和障礙物距離，計(jì)算機(jī)處理后，統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)站的GPS定位信號(hào)、以及碾壓機(jī)位置信息，對(duì)其進(jìn)行差分處理，計(jì)算出差分改正數(shù)，以此得到碾壓機(jī)的高程和精確坐標(biāo)，進(jìn)而改正碾壓機(jī)位置[3]。按照全自動(dòng)化要求，建設(shè)監(jiān)控中心和中繼站，選取重量輕、體積小的移動(dòng)遠(yuǎn)端設(shè)備，搭建需要開關(guān)機(jī)操作的移動(dòng)遠(yuǎn)端，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過GPS基建站，為監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供固定、準(zhǔn)確的位置基準(zhǔn)，設(shè)置采集周期為1s，及時(shí)了解大壩的填筑施工情況，將中繼站作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，并通過碾壓機(jī)械的移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，把GPS觀測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋到監(jiān)控中心，得到碾壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。采用GPS RTK技術(shù)，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，通過可視化技術(shù)，在顯示屏上實(shí)時(shí)反映碾壓參數(shù)信息，包括運(yùn)行速度、碾壓遍數(shù)、運(yùn)行軌跡，然后采用高程擬合模型，再通過顯示屏，顯示出三維位置信息，使攤鋪層的厚度和平整度，能夠滿足高程精度的控制需求[4]。其中可視化工具選取Autodesk Civil 3D，選擇基準(zhǔn)點(diǎn)位置，結(jié)合地形曲面，導(dǎo)入面板堆大壩部件，放置壩頂原點(diǎn)、壩頂、上游面、壩內(nèi)和下游面，在參數(shù)序列中定義所需參數(shù)，包括上游蓋重高程、壩頂寬度、排水堆石體頂部高程、下游坡度、上游面板坡度、壩頂高度等參數(shù)[5]。確定點(diǎn)的幾何性質(zhì)和類型，使點(diǎn)與新加入的點(diǎn)自動(dòng)連接，根據(jù)不同地形創(chuàng)建相應(yīng)的截面，繪制模型軸線，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，得到大壩縱斷面圖，在縱斷面添加各高程控制線，包括排水堆石區(qū)頂高程線、壩頂高程線、次堆石區(qū)頂高程線、上游蓋高程線，加載部件調(diào)整壩形，建立一個(gè)整體的大壩模型[6-7]。至此完成基于可視化技術(shù)，水庫(kù)大壩填筑作業(yè)面的監(jiān)控。

1.2 碾壓水庫(kù)大壩填筑作業(yè)面

對(duì)大壩填筑作業(yè)面的碾壓參數(shù)進(jìn)行連續(xù)有效監(jiān)控后，及時(shí)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸給碾壓機(jī)械，進(jìn)而調(diào)整施工參數(shù)，以此避免碾壓質(zhì)量缺陷。填筑作業(yè)面具體碾壓流程如圖2所示。

圖2 填筑作業(yè)面碾壓流程

監(jiān)控中心制定碾壓機(jī)的導(dǎo)航路線，應(yīng)用自適應(yīng)控制算法，輸出碾壓機(jī)的控制信號(hào)，在碾壓機(jī)械上，安裝自動(dòng)導(dǎo)航器，接收監(jiān)控中心發(fā)送的導(dǎo)航線路和控制指令，其控制指令包括上電、剎車、點(diǎn)火、油門、啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向等。導(dǎo)航控制器啟動(dòng)后，對(duì)控制算法參數(shù)、導(dǎo)航控制周期進(jìn)行初始化，檢測(cè)各執(zhí)行元件和傳感元件的工作狀態(tài)，同時(shí)建立無線通訊的連接，完成碾壓機(jī)械的遙控碾壓和自動(dòng)導(dǎo)航，并將自動(dòng)導(dǎo)航分類為自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)剎車、自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制3個(gè)子過程，自動(dòng)修改導(dǎo)航目標(biāo)，以此避免短時(shí)跳躍現(xiàn)象，碾壓作業(yè)過程中，則將人工碾壓作為最高優(yōu)先級(jí)，遠(yuǎn)程遙控作為次高優(yōu)先級(jí)，自動(dòng)導(dǎo)航作為最低優(yōu)先級(jí)，輔助并調(diào)節(jié)碾壓機(jī)械[8-11]。記錄振幅、碾重、振動(dòng)頻率等碾壓機(jī)工作特性參數(shù)，壓實(shí)處理大壩填筑基面，按照控制指令鋪筑填料，并用壓路機(jī)靜壓一遍，使填料達(dá)到相應(yīng)的松鋪厚度，然后在填筑作業(yè)面外設(shè)置控制基栓，布置網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行顏色標(biāo)記和編號(hào)，并在測(cè)點(diǎn)上鋪墊一塊49cm×49cm×1cm的木板，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量高程和初始厚度，使相鄰碾壓帶處存在振動(dòng)滾筒寬度5%～10%的壓痕，碾壓一定遍數(shù)后，記錄網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)碾壓前后的高程變化，計(jì)算平均沉降率[12-13]。平均沉降量Q，m。計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中，L—網(wǎng)格點(diǎn)的平均松鋪厚度，m。當(dāng)ξ波動(dòng)變化為0時(shí)，停止碾壓[16]。至此完成水庫(kù)大壩填筑作業(yè)面的碾壓。

1.3 檢測(cè)土石方填筑壓實(shí)度和相對(duì)密度

碾壓完畢后，在大壩填筑面上挖一個(gè)試坑，分別采用環(huán)刀法和灌砂法，檢測(cè)土石方填筑壓實(shí)度和相對(duì)密度。首先使用高度為5cm、容積為200cm的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀，切取網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)的土樣，控制測(cè)定密度層厚度為140～190mm，土樣粒徑小于14mm，對(duì)土樣進(jìn)行稱重，剔除環(huán)刀質(zhì)量和容積，得到土石質(zhì)量和容積，計(jì)算土石密度，并將其作為環(huán)刀深度范圍內(nèi)土石的平均密度，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，得到整個(gè)碾壓層的土石方填筑壓實(shí)度[17-19]。其計(jì)算公式為：

(3)

式中，j—土石方填筑的壓實(shí)度，cm；U—環(huán)刀質(zhì)量，g/cm3；Gi—第i個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的土樣質(zhì)量，mm/cm3；P—環(huán)刀容積，cm3；Ai—第i個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的土樣容量[20]，cm3。

測(cè)定土石含水率和質(zhì)量，選取一注滿砂的容砂瓶，使用清潔干凈的0.30～0.50mm均勻砂，將其倒置于挖好的試坑空口上，打開容砂瓶閥門，采用灌砂的方式，使砂在一定高度自由下落到試坑，過程中避免震動(dòng)。當(dāng)注滿試坑后，關(guān)閉容砂瓶閥門，根據(jù)單位重量不變?cè)?，測(cè)量試坑容積和質(zhì)量，結(jié)合砂料含水量，計(jì)算土石方填筑相對(duì)密度。土石濕密度R，g/cm3。計(jì)算公式為[21-23]：

(4)

式中，S—試坑土壤的濕密度，g/cm3；B—土壤質(zhì)量，mm/cm3；C—試坑體積，cm3。則土石方填筑相對(duì)密度φ計(jì)算公式為：

(5)

式中，E—土壤含水率，%；j—壓實(shí)度，cm；和相對(duì)密度φ，g/cm3。壓實(shí)度和相對(duì)密度越大，可判斷土石方填筑質(zhì)量越好，至此完成土石方填筑壓實(shí)度和相對(duì)密度的檢測(cè)。完成基于可視化技術(shù)的水庫(kù)大壩土石方填筑質(zhì)量智能化檢測(cè)方法設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將此次設(shè)計(jì)方法記為實(shí)驗(yàn)A組，兩組傳統(tǒng)水庫(kù)大壩土石方填筑質(zhì)量智能化檢測(cè)方法，分別記為實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組，比較3組檢測(cè)方法對(duì)大壩填筑作業(yè)面的碾壓質(zhì)量。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選取某水庫(kù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該水庫(kù)位于河流流域上游，主壩壩型為粘土心墻土石壩，平均天然徑流量為3.102億m3，總庫(kù)容為6.1億m3，工程面積為1.2km2，控制流域面積為1293km2，最大壩高為89.8m，大壩材料為天然級(jí)配砂礫石料，日均填筑方量為2.8m3，回填量為480萬m3，高峰期日均填筑方量為4.7萬m3。填筑施工的具體工程用量見表1。

表1 土方石填筑工程用量

3組方法分別對(duì)該水庫(kù)大壩的土石方填筑質(zhì)量進(jìn)行智能化檢測(cè)，選取多條試驗(yàn)帶寬為3.5m、長(zhǎng)為30.5m，將條帶劃分為停止區(qū)域、有效壓實(shí)區(qū)域、開始區(qū)域，將碾壓區(qū)域劃分為8塊，使用RSS729Y-5振動(dòng)平滑輥碾壓機(jī)，外形尺寸長(zhǎng)寬高為6729mm×2567mm×3251mm，壓實(shí)試驗(yàn)條帶，填料為天然砂礫石料，碾壓機(jī)振動(dòng)狀態(tài)為高頻高幅模式，實(shí)驗(yàn)A組具體檢測(cè)參數(shù)見表2。

試驗(yàn)帶的土石料壓實(shí)狀態(tài)與碾壓遍數(shù)，具有一定的相關(guān)關(guān)系，隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，先采用20t靜碾3遍，測(cè)取相對(duì)高程，然后振動(dòng)碾壓13遍，其三維可視化界面如圖3所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)參數(shù)

圖3 水庫(kù)大壩可視化界面

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)帶布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)A組檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 土石方填筑質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

大壩的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)為0.92，檢測(cè)結(jié)果滿足指定要求。首先比較3組檢測(cè)方法作用下，試驗(yàn)帶各測(cè)點(diǎn)的碾壓達(dá)標(biāo)率，實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如4圖所示。

圖4 碾壓達(dá)標(biāo)率對(duì)比結(jié)果

由上圖可知，實(shí)驗(yàn)A組各測(cè)點(diǎn)的平均碾壓達(dá)標(biāo)率為98.8%，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組的碾壓達(dá)標(biāo)率分別為95.1%和94.1%，相比實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組，A組測(cè)點(diǎn)碾壓達(dá)標(biāo)率分別提高了3.1%和4.4%，保證了碾壓機(jī)作業(yè)的壓實(shí)密度。

2.2.2第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)三組檢測(cè)方法的碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)進(jìn)行可視化處理，測(cè)量各個(gè)碾壓遍數(shù)中，碾壓軌跡與試驗(yàn)帶預(yù)設(shè)軌跡的偏移量，實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 碾壓軌跡偏移量對(duì)比結(jié)果

實(shí)驗(yàn)A組對(duì)碾壓機(jī)進(jìn)行智能化監(jiān)控，碾壓軌跡齊整且均勻，平均軌跡偏移量為0.92m，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組相鄰碾壓作業(yè)面間，軌跡都存在重復(fù)、漏碾、交叉等碾壓現(xiàn)象，最大軌跡偏移量分別為2.79m、3.19m，相比實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組，A組軌跡偏移量分別減少了1.87m、2.27m，提高了對(duì)碾壓機(jī)械的控制精度。

2.2.3第三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在前兩組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將大壩填筑作業(yè)面的攤鋪層壓實(shí)厚度設(shè)置為30cm，測(cè)量各測(cè)點(diǎn)中，3組檢測(cè)方法壓實(shí)厚度與設(shè)置厚度的最大偏差值，實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 壓實(shí)厚度偏差量對(duì)比結(jié)果

由圖6可知，實(shí)驗(yàn)A組提高了測(cè)點(diǎn)的壓實(shí)系數(shù)，大壩攤鋪層的平均壓實(shí)厚度偏差值為0.79cm，實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組的壓實(shí)厚度偏差值，分別為2.28cm和2.68cm，相比實(shí)驗(yàn)B組和實(shí)驗(yàn)C組，實(shí)驗(yàn)A組壓實(shí)厚度偏差值分別降低了1.49cm、1.89cm，提高了大壩填筑作業(yè)面的攤鋪精度。

綜上所述，此次設(shè)計(jì)方法對(duì)大壩的碾壓作業(yè)，進(jìn)行高精度智能化監(jiān)控，提高了碾壓達(dá)標(biāo)率，同時(shí)降低了碾壓軌跡偏移量和壓實(shí)厚度偏差量，其大壩填筑作業(yè)面的碾壓質(zhì)量，要優(yōu)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法，檢測(cè)的大壩填筑壓實(shí)度更為準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

研究方法通過結(jié)合可視化技術(shù)，智能化監(jiān)控水庫(kù)大壩填筑作業(yè)面，采用GPS基站及時(shí)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸給碾壓機(jī)械，進(jìn)而調(diào)整施工參數(shù)，以此來避免碾壓質(zhì)量存在缺陷問題。利用環(huán)刀法和灌砂法，檢測(cè)土石方填筑壓實(shí)度和相對(duì)密度，以此完成基于可視化技術(shù)的水庫(kù)大壩土石方填筑質(zhì)量智能化檢測(cè)方法設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)方法充分提高了對(duì)大壩碾壓作業(yè)的碾壓達(dá)標(biāo)率，同時(shí)降低了碾壓軌跡偏移量和壓實(shí)厚度偏差量，但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)采用連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)方法，進(jìn)一步改善填筑作業(yè)面的壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)，保障大壩土石方填筑的穩(wěn)定性，加快質(zhì)量檢測(cè)效率。