GPS在糯扎渡电站大坝填筑施工进程控制中的应用

貟小刚，罗 辑

（中国水利水电第四工程局有限公司勘测设计研究院，青海 西宁 810007）

前 言

随着科技的进步和建设成本的节约，在电站建设和水利工程建设中，大型土坝、大型土石坝、心墙堆石坝、心墙面板坝等各式各样的大型或特大型土、石坝将越来越多，建筑这些大坝一条重要原则就是必须确保大坝安全，因此，填筑碾压工艺必须科学、严密，以保证填筑质量.

1 工程简介

云南华能澜沧江水电有限公司投资建设的糯扎渡水电站是澜沧江中下游河段八个梯级规划的第五级，水电站工程属大型一等工程，工程主要以发电为主，兼防洪、灌溉、养殖和旅游等功能，水库具有多年调节性能，库容为237.03×108m3，电站装机容量5850MW.

电站大坝为粘土心墙堆石坝，坝顶高程为821m，坝顶长630m，坝体基本剖面为中央直立心墙形式，心墙两侧为反滤层，反滤层以外为堆石体坝壳.坝顶宽度为18m，心墙基础最低建基面高程为560.0m，最大坝高为261.5m，上游坝坡坡度为1:1.9，下游坝坡坡度为1:1.8.

2 堆石坝的心墙填筑工艺

糯扎渡水电站堆石坝的心墙为掺砾石土质心墙，为了使土质心墙达到最佳防渗效果，在大坝填筑前要对选用的土料进行多次碾压实验，依据糯扎渡水电站选用的土料为坡积风化红土，这种土不能直接用于心墙，必须经过改良后才能使用.糯扎渡水电站的土料工艺如下：掺进直径在5mm～50mm的砾石混合料，再经碾压，通过多次试验取得很好的防渗效果.

心墙料选定后的碾压工艺和工法是否合理和正确是心墙防渗效果好坏的基本保障，掺砾土料碾压密实度是评定防渗效果的重要指标之一，也是现场质量控制的主要目标，经选用的铺填料碾压密实度取决于本身材质如颗粒含量、含水率等，铺料厚度和碾压遍数是保证掺砾土料碾压密实度的重要参数.选用20吨振动碾在铺料厚度为27cm～30cm情况下，在碾压机械行进时速不大于3km/h，经8遍振动碾压后，掺砾土料干密度可达98%，而规范设计要求为97%，这也是设计的最优指标.要达到这个最优设计值，首先是要解决填筑料的内在质量问题，其次还必须要有科学的施工工艺和工法.

施工中的铺料厚度控制是填筑质量好坏的重要环节，铺料厚度控制是由测量人员在现场用常规测量方法控制铺料边界和厚度（高程）.测量人员24小时现场值班，在铺料全过程中的工作流程为测量、摊铺、再测量、再摊铺直至铺料厚度、平整度符合设计要求为止.

在填筑料摊铺完成后，碾压质量的好坏是填筑质量好坏的关键因素之一，而碾压质量的好坏取决于在规定机械吨位的条件下振动碾行走速度和行走路径，在施工实践中，振动碾碾压遍数（行走路径）和振动碾行走速度又是现场施工质量较难控制的因素，由于漏碾和超碾而影响碾压质量的事情时有发生，为了确保工程质量，严格控制碾压机械行走速度和行走路径，用GPS卫星定位系统对参加作业的碾压机械进行实时跟踪，于是GPS监控平台在糯扎渡水电站碾压心墙堆石坝质量控制中得到初步应运.

3 GPS测量的基本原理与特点

3.1 系统组成

本系统的硬件设施主要包括GPS卫星信号接收系统、无线网络数据通讯系统和计算机系统三部分，系统网络示意图如图1所示.

图1 系统网络示意图

3.2 基本原理

GPS定位原理类似于传统的后方交会，如果在需要的位置架设GPS接收机，在某一时刻同时接收几颗GPS卫星所发射的信号，即测得卫星到测站点的几何距离，就可根据后方交会原理确定出测站点的三维坐标.

3.3 GPS系统的主要功能及特点

3.3.1 用途广泛.GPS定位系统已应用于大地测量，地壳板块运动监测，各种工程监测网和进行各种工程测量等.其应用有着广泛的前景，特别是自动变形监测系统、工程施工的自动控制系统是未来应用研究的重要方向.

3.3.2 碾压参数的实时监控性.碾压参数主要涉及到各移动远端碾压机械的运行轨迹、运行速度和碾压遍数，要求实时监视，控制施工质量.本系统通讯数据实现了真正意义上的双向实时传送，无论是在监控中心、现场分控站，还是在各移动远端，均可实时显示碾压机械的运行轨迹和运行速度.系统监控的观测数据是连续的，每间隔一定时间解算一次结果，将解算结果按设定比列尺展绘出来，就能代表移动远端的运行轨迹，同时也满足系统对监控数据的连续性要求.

3.3.3 精度满足要求.系统采用GPS技术，其平面位置精度足以满足碾压机械的运行轨迹、运行速度和碾压遍数的计算精度要求；而在高程方向上，系统试验及应用表明，只要移动远端至基准站之间距离控制在一定范围，通过选择高性能、抗干扰性强的双频GPS接收机，对碾压仓面摊铺后震动碾压过程中，差分导航的精度经现场测量对比均在10厘米以下，完全满足施工精度的要求.

3.3.4 全天候实时动态观测.应用GPS定位、导航，不受天气的影响，可以全天候地工作.这一特点保证了变形监测的连续性和自动化，工程适用性强.系统设备充分考虑了供电、抗振、散热、温控、启动与断电的自我保护、防雷击与防盗的安全保护和防范措施，系统的误操作具有可察性和可恢复性.

3.3.5 自动化程度高.系统基准站的差分数据发送至移动远端、移动远端的位置信息反馈到监控中心、碾压机械的运行轨迹和运行速度显示、监控中心和现场分控站显示各移动远端的运行轨迹和运行速度、数据存储和数据处理与反馈分析等整个过程是全自动的.若在一个测站点上需要作长时间的连续测量，还可实行无人值守的数据采集，通过数据传输，将所采集的定位数据传输到数据处理中心，实现自动化的GPS测量和计算.

3.3.6 操作简便.系统监控中心和网络中继站严格按照全自动化要求进行设计，需要人工操作的部分主要集中在移动远端.通过对移动远端的人性化设计，其操作过程非常简便，仅涉及到开关等几个必要步骤.同时，移动远端设备简洁，体积小，重量轻，安装和拆卸非常简便.

3.3.7 功能完备.系统支持同时使用多个（10个以上）移动远端，具有碾压机械的过速报警监视功能，可以进行碾压仓面的补碾与混合碾，数据自动入库管理与调用，指定仓面的移动远端平均速度统计和碾压遍数自动计算与成果输出等功能.

3.4 GPS在工程测量中的应用特点

工程控制网是工程建设、管理和维护的基础，其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关.一般地，工程控制网覆盖面积小、点位密度大、精度要求高，常规的方法多采用边角网.采用GPS定位的方法建立工程控制网，具有点位选择限制少、作业时间短、成果精度高、工程费用低等优点，可应用于建立工程首级控制网、变形监测控制网、工矿施工控制网、工程勘探、施工控制网、隧道、地下工程控制网等等.

4 GPS监控碾压设备行走速度和行走轨迹控制的基本原理

用于糯扎渡电站大坝和心墙碾压的振动碾为三一重工生产的20吨轮式凸凹碾，由于GPS卫星定位系统能实时提供三维坐标，在振动碾上安装GPS接收系统并将接收到的瞬间（每10秒接、发一次）坐标信息通过无线传输至设置在左岸EL821.5平台的监控室，控制平台将振动碾运行轨迹按设定间隔时间，按适当纵、横比列尺绘制成运行轨迹图并计算出振动碾的运行速度和碾轨错动偏距，如果振动碾超速运行、超范围、超碾或漏碾压，控制平台监控人员就可向振动碾操作手发出相应警示，提醒操作手按正确方式操作.控制平台也将运行轨迹图向局域网需求终端传送同步信息，实现大坝碾压质量控制数字化监控.其（监）控制流程图如图2所示：

图2 大坝碾压控制流程图

5 GPS定位系统在大坝填筑碾压中的应用

根据糯扎渡水电站大坝结构，将碾压范围分为坝前区、坝后区和心墙区，其中心墙区的碾压尤为重要.现以心墙区为例，说明GPS卫星定位系统如何在大坝填筑中实现碾压质量监控.为了使进料、铺料和碾压不发生冲突和干扰，将粘土防渗心墙又划分为左坝区和右坝区，在左坝区铺料、刮平、测量检测各工序完成后，为了有利振动碾驾驶员平稳、匀速、直线行进，在碾压范围内，平行于坝轴线每隔10m用白石灰划出各碾压小区，经过编号和安装了GPS接收系统和无线传输系统（接收、发送为一集成模块）的各台凸凹振动碾进入各个碾压小区，开启接收传输模块后开始碾压工作.图3是安装了GPS接收系统和无线信息传输系统的振动碾实物照片（振动碾驾驶室顶部安装有球状GPS接收天线和拉杆式信息传送天线，天线与模块连接，模块由机上蓄电池供电）.

图3 安装了GPS接收系统和无线信息传输系统的振动碾

由于各台振动碾发送的频率差别，控制平台依据收到的各信息进行处理后用不同颜色画出各台振动碾的运行轨迹，发现超速、超压、漏压情况时，则向相应机械手发出相关警示纠偏.当某一分区碾压完成后经实验人员检验合格和测量人员测量完毕后进行下一层铺料，依此循环.坝前区和坝后区的块石碾压与此相仿.图4为在左坝肩（821.5m高程）俯摄心墙第37层（570.00m～570.30m）左坝区的碾压施工过程和右坝区的土料摊铺过程的照片.

图4 大坝心墙铺料、碾压照片

图5为摄于控制室的计算机实时监控桌面（由于线条间距较小，图片中每台振动碾的运行轨迹几乎成了一种颜色，实际上它是多条线段组成），每种颜色表示一台振动碾的运行轨迹，每种颜色中的黑点代表一台振动碾，黑点每10秒跳动一次，在画出轨迹线的同时在黑点旁边标有速度、轨偏距提示，振动碾在设计时速和设计碾压错动范围下，在实地10m宽范围内，在监控器显示屏上应画出间隔相等且平行的40条直线，如果振动碾行走异常，显示屏上显示的轨迹线则是杂乱的扭曲折线；如某部位超压则相邻两条轨迹线间距明显缩小甚至重合；如某部位漏压则相邻两条轨迹线间距明显增宽或产生空白；如果振动碾行走超速，则小黑点跳跃的点距变长，甚至黑点变为红色.监控员依据显示的实际情况作出相应的判断并向驾驶员发出纠偏指令.

图5 控制平台绘制的各振动碾监控轨迹

在GPS监控平台实施后，驾驶员都能按要求正常作业，确保了碾压的质量，至2012年5月，糯扎渡水电站大坝心墙已填筑至EL800高程，在已填筑（EL560～EL800）的工程质量评定中，无论是施工单位的自检，还是监理中心的抽检，建设单位实验中心的审核检验，其单元工程质量评定合格率均为100%，其中优良率达80%以上.

5 结 论

GPS在糯扎渡水电站大坝碾压中的初步应用，充分体现了碾压质量监控的科学化、自动化、全天侯、效率高、消耗低等优点.它为大坝填筑科学化和程序化提供了强有力的控制平台，使大坝填筑过程实现了数字化质量监控，使大坝填筑过程实现了透明化、数字化、档案化，将碾压质量的过程控制由现场人员监督转变为电子监控，不仅极大地减轻了劳动强度，彻底杜绝了人为监督中的判断随意性，将碾压质量现场控制纪录变为图文兼备的碾压过程电子文档，为档案管理带来了及大的方便，最为重要的是为提高大坝填筑质量开辟了十分重要的监控途径，为大坝的安全提供了基础保障.随着科技的进步和不断地改进、完善，GPS在建设工程中的应用范围必将越来越广泛.

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[4]天津大学“糯扎渡水电站大坝填筑质量GPS监控系统大纲”[S].

[5]水利水电西北咨询公司糯扎渡水电站监理中心“糯扎渡水电站质量月报、年报”[S].

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