肖 輝

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

目前水利水電工程碾壓混凝土施工控制參數(shù)較多，從混凝土拌合到初凝，全過(guò)程基本全憑人工操作、控制，尤其是碾壓混凝土密實(shí)度控制，目前均采用核子密度儀檢測(cè)，該儀器具有難保管、人為因素難以排除和以點(diǎn)代面的問(wèn)題，不能全面、真實(shí)地反映壩體整體密實(shí)度。且施工過(guò)程難回顧，質(zhì)量控制難度大，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題常常無(wú)數(shù)據(jù)可查，部分?jǐn)?shù)據(jù)也無(wú)法追本溯源[1～6]。

本文在湖南毛俊水庫(kù)樞紐工程大壩工程碾壓混凝土施工中引進(jìn)智能壓實(shí)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行碾壓混凝土施工，達(dá)到控制鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、行進(jìn)速度、密實(shí)度分析、高程模型、歷史軌跡回放、核子密度儀與試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等過(guò)程控制的目的，提高了施工過(guò)程中碾壓填筑施工質(zhì)量和效率，為施工單位提供可視化的質(zhì)量管理手段，也為建設(shè)單位提供質(zhì)量管理數(shù)據(jù)支撐。

1 智能壓實(shí)過(guò)程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成包括：定位定向設(shè)備、激振力傳感器、紅外溫度傳感器、激光測(cè)距儀、傾角傳感器、基準(zhǔn)站、移動(dòng)站。具體如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)部件組成及安裝位置示意圖

1）定位定向設(shè)備。實(shí)時(shí)定位壓輪位置以及車(chē)輛行駛方向，輔助計(jì)算碾壓遍數(shù)、行駛速度、填筑層厚變化粗略值。厘米級(jí)定位精度，能滿(mǎn)足壓輪定位、碾壓遍數(shù)、行駛速度計(jì)算需要。

2）激振力傳感器。實(shí)時(shí)測(cè)量壓輪的激振狀態(tài)。

3）紅外溫度傳感器。實(shí)時(shí)測(cè)量混凝土被碾壓過(guò)程中溫度的變化量。溫度傳感器分辨率在0.1 ℃，能滿(mǎn)足分辨混凝土的溫度變化過(guò)程，并且該種類(lèi)型的傳感器在瀝青碾壓路面經(jīng)過(guò)測(cè)試，在高強(qiáng)度的振動(dòng)環(huán)境中可以正常工作。

4）激光測(cè)距儀。實(shí)時(shí)測(cè)量壓輪相對(duì)于混凝土面的下沉量。激光測(cè)距儀的精度為2 mm，能夠準(zhǔn)確測(cè)量壓輪相對(duì)于混凝土面的下沉量，可在高強(qiáng)度的振動(dòng)環(huán)境下正常使用。

5）傾角傳感器。測(cè)量振動(dòng)碾的傾斜數(shù)值。

6）RTK 移動(dòng)站配合核子密度儀一起使用，標(biāo)記檢測(cè)位置點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)，在檢測(cè)結(jié)束后，能將檢測(cè)的數(shù)據(jù)與車(chē)載電腦上記錄的數(shù)據(jù)做匹配比對(duì)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括五部分，具體如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

第一部分是硬件平臺(tái)層，主要包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器與存儲(chǔ)設(shè)備。這是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它提供重要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算的資源與環(huán)境，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的虛擬化處理、安全以及運(yùn)維進(jìn)行控制。

第二部分主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算等資源硬件以及功能平臺(tái)之間的中間層，主要包括數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)相關(guān)操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)操作系統(tǒng)、虛擬應(yīng)用以及相關(guān)的數(shù)據(jù)接口，是整個(gè)系統(tǒng)上下的重要交換部分。

第三部分是整個(gè)系統(tǒng)的重要的用戶(hù)應(yīng)用層，即毛俊水庫(kù)工程施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用部分，主要包括施工過(guò)程監(jiān)控與主體工程建設(shè)信息系統(tǒng)，是面向用戶(hù)的功能需求方面。

第四部分是客戶(hù)端，主要包括編制開(kāi)發(fā)的在數(shù)據(jù)終端展示的計(jì)算機(jī)、平板等設(shè)備應(yīng)用。

第五部分是項(xiàng)目建設(shè)所需的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境需求。

1.3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

1）壓輪當(dāng)前位置、碾壓遍數(shù)、行駛速度數(shù)據(jù)。定位定向設(shè)備實(shí)時(shí)輸出的高精度位置數(shù)據(jù)以及方向數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊線(xiàn)纜傳輸?shù)杰?chē)載電腦上，在車(chē)載電腦上運(yùn)行軟件，結(jié)合機(jī)械尺寸可以推算出壓輪的實(shí)時(shí)位置，進(jìn)而可以統(tǒng)計(jì)碾壓遍數(shù)、碾壓速度，并與壓輪當(dāng)前位置數(shù)據(jù)進(jìn)行融合存儲(chǔ)。

2）溫度數(shù)據(jù)。紅外溫度傳感器是一種非接觸式的傳感器，安裝在離開(kāi)地面50 cm 左右車(chē)架上即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土的溫度，數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊線(xiàn)纜傳輸?shù)杰?chē)載電腦，車(chē)載電腦上運(yùn)行的軟件將溫度數(shù)據(jù)與壓輪當(dāng)前位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合存儲(chǔ)。

3）激振力數(shù)據(jù)。激振力傳感器安裝于振動(dòng)輪車(chē)架上，通過(guò)串口通訊線(xiàn)纜傳輸?shù)杰?chē)載電腦上，車(chē)載電腦上運(yùn)行的軟件將激振力數(shù)據(jù)與壓輪當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合存儲(chǔ)。

4）承載力數(shù)據(jù)。激光測(cè)距儀安裝在振動(dòng)碾機(jī)架與驅(qū)動(dòng)橋連接的位置，與振動(dòng)碾外切面呈45°～50°角安裝，對(duì)準(zhǔn)振動(dòng)碾底部測(cè)量，同時(shí)在振動(dòng)碾機(jī)架上安裝傾角傳感器；當(dāng)壓輪相對(duì)于混凝土面下沉的時(shí)候，激光測(cè)距儀可以測(cè)出傳感器到混凝土面之間的距離（見(jiàn)圖3），該數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊線(xiàn)纜傳輸?shù)杰?chē)載電腦上，車(chē)載電腦上運(yùn)行的軟件綜合傾角傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)三角幾何關(guān)系，計(jì)算出壓輪下沉量，再結(jié)合壓輪的半徑，計(jì)算出壓輪與地面的接觸弧線(xiàn)長(zhǎng)度L，壓輪重量M 與壓輪接觸地面的弧線(xiàn)長(zhǎng)度L 的比值K，作為混凝土當(dāng)前的承載力大小的表征，并與壓輪當(dāng)前位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合存儲(chǔ)。

圖3 振動(dòng)碾下沉測(cè)量原理

數(shù)值K 在連續(xù)記錄之前，需要與核子密度儀測(cè)量出來(lái)的多個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性的比較，從而得到數(shù)值K 與核子密度儀測(cè)量出來(lái)的混凝土密度之間的相關(guān)系數(shù)R，相關(guān)系數(shù)R 可以作為一項(xiàng)參考數(shù)據(jù)，可以用來(lái)符合對(duì)比修正最后由人工智能分析工具分析處理出來(lái)的數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律性數(shù)據(jù)。

5）核子密度儀采集數(shù)據(jù)。核子密度儀檢測(cè)完成，使用移動(dòng)站記錄當(dāng)前檢測(cè)位置的坐標(biāo)，并在對(duì)應(yīng)屬性欄里輸入核子密度儀檢測(cè)出來(lái)的密度值以及含水量。

6）材料級(jí)配比、含水率、混凝土初凝時(shí)間。每個(gè)倉(cāng)面開(kāi)始碾壓之前，在車(chē)載軟件上記錄該倉(cāng)面混凝土級(jí)配比、含水率、初凝時(shí)間、層厚等數(shù)據(jù)。

2 工程概述

2.1 項(xiàng)目概況

毛俊水庫(kù)樞紐工程是國(guó)家“十三五”期間加快推進(jìn)的重大水利工程之一，是一個(gè)以灌溉為主、結(jié)合供水、兼顧發(fā)電等綜合利用效益的大型水利工程，大壩為碾壓混凝土重力壩，壩軸線(xiàn)長(zhǎng)512 m，最大壩高76 m，混凝土約90 萬(wàn)m3，其中碾壓混凝土65 萬(wàn)m3。

2.2 模型參數(shù)

時(shí)間：2019 年6 月1 日至2021 年6 月30 日。

地點(diǎn)：毛俊水庫(kù)樞紐工程大壩碾壓混凝土施工。

試驗(yàn)機(jī)械：“三一”STR130C-8C 型雙鋼輪振動(dòng)碾；振動(dòng)頻率為50/61 Hz；激振力為169/119 kN；振動(dòng)輪寬度為1 300 mm。

施工方法：大壩全斷面碾壓。

鋪料厚30 cm，推耙機(jī)平倉(cāng)，人工配合整平；采取靜壓、強(qiáng)振、靜壓相結(jié)合，從兩邊到中間沿平行于壩體軸線(xiàn)進(jìn)行條帶搭接碾壓；碾壓遍數(shù)為2+8+2，振動(dòng)碾最大工作時(shí)速不超過(guò)2.5 km/h，沿線(xiàn)路縱向壓實(shí)輪跡重疊不小于40 cm，碾壓混凝土VC 值為（2～5）s。

混凝土：上游面設(shè)R90200W8F100、厚（2.8～4.3）m的二級(jí)配富膠凝材料混凝土，大壩主體為R90150W4F50 的二、三級(jí)配碾壓混凝土。

3 生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理

3.1 鋪料厚度高程數(shù)據(jù)處理

該數(shù)據(jù)形式上是帶屬性數(shù)據(jù)的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，加載到地理信息系統(tǒng)軟件中，利用地理信息系統(tǒng)軟件的單值專(zhuān)題圖分析功能，可分析出鋪料條帶的厚度及誤差范圍，通過(guò)車(chē)載終端顯示填筑厚度示意圖及示意圖上的倉(cāng)面、各部位混凝土高程及誤差范圍。

3.2 碾壓遍數(shù)數(shù)據(jù)處理

該數(shù)據(jù)形式上是帶屬性數(shù)據(jù)的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，加載到地理信息系統(tǒng)軟件中，利用地理信息系統(tǒng)軟件的單值專(zhuān)題圖分析功能，可分析出來(lái)整個(gè)倉(cāng)面的碾壓遍數(shù)分布二維地圖圖層，并且不同位置不同碾壓遍數(shù)渲染成不同顏色進(jìn)行區(qū)分；碾壓遍數(shù)示意圖（見(jiàn)圖4）是用不同顏色記錄某一位置設(shè)備滾輪通過(guò)的次數(shù)。通過(guò)顏色區(qū)分層數(shù)，并對(duì)碾壓遍數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析超壓、合格、欠壓數(shù)據(jù)分析，直觀明了。

圖4 碾壓遍數(shù)數(shù)據(jù)處理圖

3.3 碾壓速度數(shù)據(jù)處理

該數(shù)據(jù)形式上是帶屬性數(shù)據(jù)的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，加載到地理信息系統(tǒng)軟件中，利用地理信息系統(tǒng)軟件的單值專(zhuān)題圖分析功能，可分析出來(lái)整個(gè)倉(cāng)面的行駛速度分布二維地圖圖層，并且不同位置不同行駛速度渲染成不同顏色進(jìn)行區(qū)分，該處理過(guò)程結(jié)果數(shù)據(jù)圖效果與碾壓遍數(shù)圖類(lèi)似（見(jiàn)圖5）。

圖5 碾壓速度數(shù)據(jù)處理圖

3.4 溫度數(shù)據(jù)處理

該數(shù)據(jù)形式上是帶屬性數(shù)據(jù)的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，加載到地理信息系統(tǒng)軟件中，利用地理信息系統(tǒng)軟件的單值專(zhuān)題圖分析功能，可分析出整個(gè)倉(cāng)面的溫度分布二維地圖圖層，并且不同位置不同溫度渲染成不同顏色進(jìn)行區(qū)分（見(jiàn)圖6）。

圖6 溫度數(shù)據(jù)處理圖

4 檢測(cè)壓實(shí)度與系統(tǒng)給定值對(duì)比分析

通過(guò)隨機(jī)選取10 個(gè)點(diǎn)，分別對(duì)系統(tǒng)采集的壓實(shí)度值（CMV 值）與傳統(tǒng)原位測(cè)試檢測(cè)的干密度值進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)證明兩者之間具有良好的正相關(guān)性和統(tǒng)一性。系統(tǒng)采集的壓實(shí)度值（CMV 值）與傳統(tǒng)原位測(cè)試檢測(cè)的干密度值數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖7 所示。

圖7 CMV 值數(shù)據(jù)與原位測(cè)試干密度數(shù)據(jù)

系統(tǒng)采集的壓實(shí)度值（CMV 值）是連續(xù)測(cè)量并記錄碾壓區(qū)域壓實(shí)度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值，反映碾壓區(qū)域整體壓實(shí)度的均勻性，并實(shí)時(shí)顯示碾壓合格區(qū)域、碾壓薄弱區(qū)域和過(guò)壓區(qū)域，而不是以點(diǎn)代面。因此可以有的放矢地指導(dǎo)傳統(tǒng)的干密度檢測(cè)，從而減少傳統(tǒng)檢測(cè)的盲目性。

5 結(jié) 論

研究發(fā)現(xiàn)，毛俊水庫(kù)樞紐工程碾壓混凝土施工過(guò)程中智能壓實(shí)過(guò)程控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集振動(dòng)碾在振動(dòng)壓實(shí)施工過(guò)程中的振動(dòng)特性及被壓澆筑層面對(duì)于振動(dòng)特性的反饋參數(shù)，通過(guò)一系列數(shù)據(jù)分析得到材料在施工過(guò)程中的參數(shù)特性變化規(guī)律，從而達(dá)到對(duì)壓實(shí)施工質(zhì)量的分析與監(jiān)控目的。通過(guò)車(chē)載人機(jī)交互界面，可以在施工過(guò)程中將信息及時(shí)反饋給車(chē)輛操作人員，使施工人員根據(jù)反饋信息對(duì)壓實(shí)工藝及時(shí)做出調(diào)整，使之滿(mǎn)足澆筑層面施工質(zhì)量的要求。

本智能壓實(shí)過(guò)程控制系統(tǒng)通過(guò)控制施工主要參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量的全過(guò)程控制，對(duì)存在的質(zhì)量缺陷具有較好的可追溯性，為施工單位提供了可視化的質(zhì)量管理手段，也為建設(shè)單位提供質(zhì)量管理數(shù)據(jù)支撐，為大壩全過(guò)程質(zhì)量跟蹤提供了有效、可行的技術(shù)手段。在后續(xù)施工中將繼續(xù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索。