劉媛媛

（中國水電建設集團十五工程局有限公司,陜西 西安 710065）

1 工程概況

雷家溝水庫壩址位于銅川市漆水河左岸支流武家河中游,宜君縣許家峁村移民搬遷安置點上游約1km 的河谷內。雷家溝水庫的建設任務是銅川市北市區(qū)應急備用水源,同時置換漆水河枯水期水量,修復水生態(tài)環(huán)境,提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量,改善城市的生態(tài)景觀環(huán)境。水庫樞紐建筑物由大壩、溢洪道、排沙放空洞、引水管道等組成。

攔河壩采用均質土壩,壩頂高程為1019.0 m,最大壩高39 m,壩頂總長234.4 m 壩頂寬度為7 m,最大壩底寬219.4 m；上游壩坡為1∶3.0、下游壩坡1∶2.5。壩體土方填筑量54.33 萬m3。

2 選用北斗智能壓實監(jiān)控系統的原因

2.1 大壩填筑壓實質量控制要求高

作為土石壩,特別是均質土壩,工程主體質量控制的要點就是碾壓質量。國內外已建的類似工程,有些大壩由于主體填筑質量存在問題,后期運行中未能經受住洪水的考驗,導致潰壩事故發(fā)生,造成重大損失。為此,如何控制好大壩填筑壓實質量,是我們工程建設中必須要認真考慮的問題。

雷家溝水庫樞紐工程,是銅川市重點水利工程,也是陜西省重點工程。為此,從工程開工之初,高標準、嚴要求就是工程建設的出發(fā)點。采取科學先進的技術措施,強化工程質量管控,成為本工程的關鍵所在。

2.2 常規(guī)質量管控方法及局限性

在土壩施工中,加強填筑碾壓過程中的質量控制是保證大壩施工質量的關鍵環(huán)節(jié),其中碾壓參數控制對于碾壓質量的保證是非常重要的,需要嚴格控制鋪料厚度,碾壓遍數及行走速度,并檢測振動碾的各項振動參數。但實際施工過程中,目前只能依靠人工方式控制碾壓參數,如人工查看碾壓遍數和機械行走速度、人工查看碾壓搭接情況等,存在一定的隨意性,易造成碾壓完成后現場壓實度檢測不合格點數多,需要進行補碾壓實。這樣往往造成質量管控難度大、工程進度受影響。 隨著大方量土壩工程的建設,如果采取常規(guī)手段來控制大壩碾壓填筑施工質量,將會無法得到新形式下發(fā)展的步伐。所以為了能確保以后大方量土壩或堆石壩施工質量得到有效控制,要及時研究一種具有實時性、連續(xù)性、自動化、高精度等特點的大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統 。

在銅川市雷家溝水庫大壩施工中成功應用了北斗智能壓實監(jiān)控系統,為大方量土壩施工質量管理提供了有力實踐支撐。該項監(jiān)控系統的運用,它從本質上解決了人工為主、大規(guī)模機械化施工為輔助的監(jiān)測方式之間的矛盾,對土壩或堆石壩施工中的碾壓的各項指標能夠全過程、全方位和實時地得到有效監(jiān)測以及進行反饋控制,確保在土石壩填筑施工中能夠確保質量控制能夠提高。所在借鑒北斗壓實監(jiān)控系統中,將土壩填筑施工質量控制中的所得到的成功經驗,全面分析和設計出一套先進的高精度監(jiān)控系統對堆石壩施工質量實時動態(tài)監(jiān)控,用于其他土石壩工程質量管控,是非常必要的。

3 北斗智能壓實監(jiān)控系統設計

北斗智能壓實監(jiān)控系統是為了滿足工程建設中導航定位、數據通訊、人機交互、數據分析的特殊需求,經科研人員努力而研發(fā)的一種智能數據信息系統,該系統可以讓操作機手的工作更加直觀化、透明化、簡便化,更可以讓管理人員的工作實時化、數據化、高效化。

北斗智能壓實監(jiān)控系統主要由兩大部分組成,分別是車載端和平臺端,車載端主要是負責坐標數據的采集和上傳并且接收平臺處理后的數據。平臺端主要是對車載端上傳的坐標信息進行處理、轉換、分析、統計。

圖1 壓實系統組成

圖2 數據傳輸分層

數據傳輸分3 層,感知層主要是車載采集設備采集的坐標信息、壓實信息、溫度信息等；網絡層主要是車載端和服務器數據通訊的方式,主要有4 G、Wifi、gprs 等；物聯管理和應用服務層主要是服務器對車載端的數據進行處理、分析、統計等。

4 北斗智能壓實監(jiān)控系統原理

4.1 車載端RTK 定位原理

車載端定位是基于RTK 載波相位差分的原理進行定位,平面定位精度±2.5 cm。定位原理是移動端在接收衛(wèi)星數據同時還接收基站發(fā)出的差分數據從而實現RTK 定位解。作業(yè)前需提前架設好基準站保證其覆蓋范圍包括作業(yè)區(qū)域（根據不同基站類型覆蓋半徑1 km~50 km 不等）,作業(yè)車輛在作業(yè)區(qū)域只要接收到基站數據即可實現高精度RTK 解。高精度的RTK 坐標用作壓路機的軌跡顯示,以及作業(yè)遍數顯示。

4.2 振動壓實原理

依據振動壓路機在理想狀態(tài)下振動的推理,曲線圖呈規(guī)則的正弦波形,頻率中出現基頻成分。如果材料被壓路機壓倒時,那么壓路機同樣也會受到來自被壓材料的反作用力,隨著碾壓施工一直持續(xù)著,碾壓遍數會逐漸增加,材料也會被碾壓的越來越密實,那么反作用力也會越來越強從而使振動形態(tài)不斷會發(fā)生改變,那么被壓材料會變形越來越小形成的波譜曲線就會越來越復雜,結果表明波譜中出現了其他頻率的波形,發(fā)現這種波形造成的畸變和材料之間同樣存在不同的壓實程度關系,它能夠通過在復雜的波譜中,完全發(fā)現代表振動壓路機的激勵基頻信號幅值和代表被壓材料的抗力信號幅值,從而明確被壓材料實時壓實度。服務器接收到震動傳感器采集的地面反饋回來的震動波后以此原理可分析出作業(yè)區(qū)域的實時壓實度。

5 北斗智能壓實監(jiān)控系統應用

5.1 項目北斗智能壓實監(jiān)控系統布置及功能

結合雷家溝水庫項目大壩填筑施工實際情況,本工程北斗智能壓實監(jiān)控系統設置車載端2 套、基站端1 套、平臺端1 套及配套軟件系統等。各系統功能如下：

（1）車載端是將安裝在碾壓機械上的北斗流動站作為移動監(jiān)測點進行北斗移動觀測,主要是觀測碾壓機械的運行軌跡、運行速度和碾壓遍數,實時觀測結果及時發(fā)送至平臺端。能夠同時在小型顯示屏上查看到碾壓機械的運行參數,從而能夠指導現場碾壓機械操作人員的作業(yè),從而確保了工程的質量。

（2）為了提高北斗系統的監(jiān)測精度,采用差分北斗技術設置北斗基準站,這項技術是在已知點上架設了一臺北斗接收機將它作為基準點實時進行北斗觀測,采用數據鏈的方式將基準站觀測的數據和已知位置的信息實時發(fā)送至北斗流動站,將其觀測數據同時和載波相位差分數據處理信息進行分析匯總,從而計算出流動站的空間具體方位確保定位精度準確。

（3）系統通過無線數據通訊方式,將基準站的差分數據

實時連續(xù)的發(fā)送給各終端流動站,對反饋的位置信息通過接收各流動站及時收集匯總。為了滿足施工需要,在平臺端室內的電子顯示屏能夠實時顯示大壩各施工面上碾壓機械的精確位置和狀態(tài),工作室內也同時對系統的數據處理、分析、儲存等一起進行,為了保證管理人員及時查看,對計算分析結果及時打印備存。

5.2 系統的運行管理

（1）對終端設備進行實時查看,檢查機械操作室內顯示屏是否正常、顯示數據及圖像是否與現場實際情況相符。

（2）檢查基準站是否受到人為或其他因素破壞,及時修復。

（3）通過終端實時監(jiān)控管理及時發(fā)現碾壓過程中存在的問題,并通知現場操作人員進行改進錯誤或不足,并對質量不達標的部位進行補碾。

后臺管理主要是對平臺端的輸出數據進行分析、總結,以便更好的改進現場管理措施,進一步提高工程質量。同時,將該系統運行成果輸出,進行整編匯存,作為工程質量評定的原始基礎資料,以備查驗。后臺管理可以安排專人負責,確保更好的監(jiān)控效果。

5.3 系統的功能

（1）碾壓參數控制在碾壓過程中,能夠實時對碾壓的攤鋪厚度、碾壓機械運行速度和碾壓遍數等參數進行全過程進行質量監(jiān)控,確保工程質量合格。

（2）動態(tài)監(jiān)控碾壓施工整個過程可采用可追溯性控制,它對多臺碾壓機械整個碾壓過程記錄并能夠隨時進行調看。一是作為觀測資料可確保壩體后期施工和工程運行過程中出現的質量問題,將它作為處理問題的依據；二是可以隨時對作業(yè)現場的操作人員現場施工實施畫面情況隨時監(jiān)控,發(fā)現現場違章操作人員也可以隨時督促檢查并要求要按照施工現場操作規(guī)程安全施工,確保碾壓過程中質量。

（3）可擴展控制通過現場的科研提升,在北斗監(jiān)控系統中加上相應功能模塊就能夠對碾壓過程中壩體沉陷、壩頂水平位移、壩踵和壩趾處的應變等外形變化隨時做到監(jiān)測,確保壩體施工和運行期間安全,運用它來指導大壩施工及運行正常。

5.4 本工程系統運行成果

管理人員通過顯示屏的圖表成果能夠清晰明了的研判現場每個碾壓機械壓實效果,以便發(fā)出正確的指令指導現場精準施工,達到事半功倍的效果。

6 取得成效

銅川市雷家溝水庫大壩工程通過應用北斗智能壓實監(jiān)控系統,工程質量得到有力保障。施工過程中每層土料壓實度檢測一次合格率由初期的85%提高至98%以上,大量減少了因局部壓實度不達標而進行的補碾,大壩封頂比計劃工期提前了25 天,節(jié)約資金近70 萬元。

7 結語

通過實踐證明,北斗智能壓實監(jiān)控系統在大壩填筑碾壓質量控制中能夠有效控制。通過現場實時、智能、自動和連續(xù)的方式對現場碾壓施工工序做到全過程的質量、安全監(jiān)控,確?，F場施工質量能夠全面達到良好的控制,從而能夠滿足工程建設中高質量、高強度和快速施工的要求,為同類施工借鑒并值得推廣。