GPS实时监控系统在河口村水库坝体填筑中的应用

□杨金顺 □吕仲祥（河南省水利第一工程局 河南省水利水电工程建设质量监测监督站）

1 工程概况

河口村水库坝型为混凝土面板堆石坝，大坝全长530m，坝顶宽9m，最大坝高122.50m，坝顶高程288.50m，上下游坝坡均为1:1.50，坝后不设“之”字上坝路，坝后设混凝土预制块护坡。

坝体填筑从上游至下游依次由特殊垫层料（小区料2B）、垫层料（2A）、过渡料（3A）、主堆石（3B）、次堆石（3C）、反滤料、上游壤土铺盖（1A1）、粉煤灰（1A2）和石碴盖重（1B）、下游堆石护坡（3D）、石碴压坡（4A）等组成，填筑总量约为 743万 m3，坝基上下游面底宽约420m。

坝体填筑结构分区如图1所示。

图1 坝体填筑结构分区示意图

2 工程特点及采用GPS实时监控系统控制坝体填筑碾压质量的目的

河口村水库大坝设计坝高122.50m，河床坝基覆盖层厚达42m，设计坝轴线上游仅开挖上部约10m，下游开挖约5m，开挖后坝基为砂砾石基础。坝基从河床趾板轴线以下50m范围内采用高压旋喷桩加固处理，在国内高坝大库基础处理方法上尚属首例。

该工程大坝坝体填筑约540万m3，最高填筑强度约40万m3/月，坝址地处“V”字型峡谷中，河床狭窄，两岸高峻陡峭，局部地段几乎直立，施工道路布置困难。

堆石坝填筑碾压施工质量是大坝施工质量控制的主要环节，直接关系到大坝的运行安全。堆石坝的填筑施工质量管理，如果仍然采用常规的依靠人工现场控制碾压参数（碾压速度、振动状态、碾压遍数和压实厚度）和人工挖试坑取样的检测方法来控制施工质量，一方面由于人工控制碾压参数的主观性和精确度很难达到该工程所需的施工质量要求；另一方面，由于取样时间和等待结果的基本程序限制因素将会严重影响坝体填筑施工强度，最终导致工程不能如期完工，甚至带来不可估量的度汛风险。

鉴于上述工程特点，为确保坝体施工质量，同时有利于加快施工进度，通过借鉴其他类似项目的工程经验，决定研究开发一种具有实时性、连续性、自动化、高精度等特点的河口村水库工程大坝施工数字化管理系统——GPS实时监控系统，对坝体填筑进行全过程的实时监控，以实现对河口村水库工程大坝施工进行远程、移动、高效、及时、便捷的管理与控制，实时指导施工，有效控制工程建设过程，以提高管理水平与工作效率。

3 GPS实时监控系统基本构架及其主要功能

GPS实时监控系统最早在湖北清江水布垭水库大坝工程开始使用，其他水利枢纽工程施工中很少使用，其在全国大型水利工程的应用尚未成熟及完善。该工程借鉴电力系统大型项目的管理经验，通过邀请国内有类似经验的系统开发方进行洽谈比选，最终选定天津大学作为本系统的研发单位。

该GPS实时监控系统由总控中心、现场分控站、GPS基准站、网络系统和碾压机械监测终端等部分组成，主要实现的功能：一是动态监测仓面碾压机械运行轨迹、速度、激振力和碾压高程等，并在大坝仓面施工二维数字地图上可视化显示，同时可供在线查询。二是实时自动计算和统计仓面任意位置处的碾压遍数、压实厚度等，并在大坝仓面施工数字地图上可视化显示，同时可供在线查询。三是当碾压机械运行超速，激振力不达标时，系统自动给车辆司机、现场监理和施工人员发送报警信息；当碾压遍数和压实厚度不达标时，系统可提示不达标的详细内容以及所在空间位置等，并在现场监理分控站PC监控终端上醒目提示，以便及时指示返工或调整，同时把该报警信息写入施工异常数据库备查。四是在每仓施工结束后，输出碾压质量图形报表，包括碾压轨迹图、碾压遍数图、压实厚度图和压实高程图等，作为质量验收的辅助材料。五是可在总控中心和现场监理分控站对大坝混凝土碾压情况进行监控，实现远程、现场“双监控”。六是把整个建设期所有施工仓面的碾压质量信息保存至网络数据库。

4 面板堆石坝填筑碾压过程实时监控的方法

通过安装在碾压机械上的监测终端，实时采集碾压机械的动态坐标、激振力输出状态，经GPRS网络实时发送至远程数据库服务器中；然后，根据预先设定的控制标准，服务器端的应用程序实时分析判断碾压机的行车速度、激振力输出是否超标；接着，现场分控站和总控中心的监控终端计算机通过有线网络或无线WiFi网络，读取上述数据，进行进一步的实时计算和分析，包括坝面碾压质量参数（含行车轨迹、碾压遍数、压实高程和压实厚度）的实时计算和分析；再将这些实时计算和分析的结果与预先设定的标准作比较，根据偏差，指导相关人员做出现场反馈并采取控制措施。

面板堆石坝填筑碾压质量实时监控的方法具体包括12个阶段，如图2所示。

第一阶段，确定施工仓面，进行仓面划分。

根据要监控的仓面所在分区，以及仓面预计碾压后的高程，生成该高程下该分区的数字地图，然后在该层面上根据实际的施工区域（由控制点施工坐标确定）进行仓面划分。仓面控制点坐标来源于施工单位呈报的开仓计划表及准填证。

图2 填筑碾压质量实时监控的步骤图

根据大坝体形和分区设计，建立大坝分区三维模型，然后将三维模型和不同高程面做平面剖切，可得到各分区所有高程仓面的数字地图。

第二阶段，设定监控仓面的属性，开始接收监测信息。

对划分好的仓面进行属性设置，包括输入仓面名称，进行施工车辆绑定，确定该仓面施工的碾压机标识号和向该仓面供料的运输车辆标识号。

打开该仓面的数字地图，施工开始，准备接收碾压机械的监测信息。

第三阶段，碾压过程信息自动采集和实时发送。

通过安装在碾压机械上的高精度GPS接收机，按设定的时间间隔（如1s）定位碾压机械当前坐标（x,y,z），并通过无线电信号，接收GPS基准站发送的坐标差分信息，修正当前坐标；同时，通过激振力实时采集装置，实时识别当前碾压机械输出的激振力状态信号，将修正后的碾压机当前坐标、当前时间及激振力输出状态，通过GSM模块，经GPRS网络发送到远程数据库服务器。

第四阶段，根据相关设计资料，预先设定堆石坝填筑施工参数的控制标准；然后，分别进入第5、7阶段。

第五阶段，根据预先设定的控制标准，服务器端的应用程序实时分析判断施工过程参数是否达标，如达标，分别进入第11、12阶段，否则进入下一阶段。

第六阶段，过程报警：对超速、激振力不符合标准进行报警，然后进入第10阶段。

在现场分控站和总控中心的监控终端计算机上，会发出相同报警信息。

第七阶段，现场分控站或总控中心实时计算和监控施工质量参数，包括碾压遍数、碾压高程、压实厚度在内的坝面碾压质量参数。

第八阶段，将实时计算得到的结果与预先设定的质量控制标准作比较，分析判断碾压遍数、压实厚度是否符合标准，若符合标准，分别进入第11、12阶段，否则进入下一阶段。

第九阶段，对碾压遍数和压实厚度进行结果控制。

当碾压遍数、压实厚度不满足标准要求时，通过现场分控站和总控中心的监控终端计算机发出提示信息。

第十阶段，现场施工质量的反馈与控制。

当监控的施工质量参数不符合标准时，现场监理和施工人员采取相应的施工调整措施和补救措施。对于过程报警，现场监理指导施工人员和司机纠正速度及激振力。对于结果控制指标，当碾压遍数不足或压实厚度过大时，现场监理通过对讲机给施工人员发出指令，进行补碾。

第十一阶段，仓面单元施工结束时，输出监控结果，作为质量验收的材料。

输出监控结果，包括反映超速和激振力不符合标准轨迹的碾压轨迹线图、碾压遍数图、压实厚度图、压实高程图等。

第十二阶段，将施工仓面的监控数据存储在数据库服务器中，供后续查询和分析。

5 GPS实时监控系统应用效果

该GPS实时监控系统有效运行22个月，共完整监控了主堆料区的697个仓面，次堆料区的211个仓面，过渡料区的284个仓面，排水带区的2个仓面，反滤料区的6个仓面，共1200个仓面的填筑碾压过程进行了完整的监控。完整监控下的仓面振碾标准遍数及以上的碾压区域面积比率平均值为96.14%。碾压后经过试坑法取样验证，仅有2仓干密度略低于设计值，经补碾后达到设计要求，达到了对坝体的填筑碾压施工质量进行实时监控的目的。

6 结论

河南省河口村水库工程大坝填筑碾压质量GPS实时监控系统的成功应用，实现了4个目标：第一，对河口村水库工程大坝建设质量（坝面碾压填筑）进行在线实时数字化监控。第二，实现业主和监理对工程建设质量的深度参与和精细管理。通过系统的自动化监控，不仅使业主放心工程质量，有效掌控施工进度，而且可实现对大坝建设质量和进度控制的快速反应。第三，有效提升河口村水库工程建设的管理水平，实现工程建设的创新化管理，为打造优质精品工程提供强有力的技术保障。第四，对坝体填筑质量和进度信息进行集成管理，为大坝枢纽的竣工验收、安全鉴定及今后的运行管理提供信息集成平台。