物联网数字化控制技术在江巷水库大坝碾压中的应用

张 健 王 旭

一、工程概况

江巷水库枢纽位于安徽省定远县池河上，工程等别为Ⅱ等，枢纽由大坝、溢洪道、东/西灌溉涵、生态放水涵、鱼道等组成，水库总库容1.30亿m3。其中大坝为均质土坝，2级建筑物，大坝全长约4900m，最大坝高为17.33m，土方填筑总量约130万m3。

二、采用数字化碾压控制技术的缘由

大坝全长4900m，坝段多，填筑工作面长，碾压层数多，总填筑单元1000多个，单纯靠人力去控制碾压遍数，施工管理漏洞多、难度大，如控制不到位，可能出现压实度达不到要求而返工等质量问题。为避免出现人为因素影响大坝填筑质量，在该工程初设阶段，就提出利用物联网数字化控制技术控制大坝碾压质量的措施，在工程实施阶段，江巷水库建管处通过招标选择中国水科院作为大坝碾压技术控制单位。

三、物联网数字化碾压控制技术系统功能和组成

以施工过程信息数字化、标准化、可视化为目标，利用高精度北斗定位系统，对大坝施工过程中坝料的铺料厚度、碾压遍数、振动情况、碾压轨迹、碾压设备行进速度等方面进行施工过程控制，并结合大数据、物联网以及云计算技术，实现大坝碾压施工数字化展示，并进行施工优化、反馈分析等。

1.基础工作

（1）碾压试验，在一定压实功和铺土厚度、碾压遍数、行车速度、含水率等条件下，碾压遍数是大坝土料压实质量控制的关键，而确定碾压遍数，需进行现场碾压试验。该工程碾压试验采用淘汰法确定各最优参数，根据碾压试验结果，确定碾压遍数为8遍，铺土厚度为35cm，车辆行进速度不大于3km/h，并将控制数据输入系统，超过时系统将自动报警。

（2）对大坝填筑进行分区，根据溢洪道等过坝建筑物和2个河槽位置、填筑顺序以及施工导流要求等，将大坝分为9个坝段，长度从100～1050m不等，并将坝体分段和坝高等数据信息输入系统。

（3）对碾压车辆进行编号，该工程用于碾压的机械共6辆，编号依次变为1#～6#，并将碾压设备编号输入系统。

（4）建立电台和北斗基站，主要用来对大坝填筑碾压施工设备上安装的M30型接收机进行数据交互，通过差分数据精确定位碾压设备位置，并通过电台将相关数据实时发送到后台系统中。

（5）安装碾压机械车载设备，主要有车载碾压控制平板电脑、正反转传感器、振动传感器、M30型车载GNSS接收机。

2.系统功能

系统目前具有的主要功能有6个方面：①精确的碾压遍数、行进速度控制，改善碾压作业的精细度；②作业面均匀一致的压实度，防止漏压、欠压、过压，保证碾压质量；③智能施工，提高工作效率；④数据实时采集和处理；⑤依靠北斗定位系统，兼容国际三星定位系统，定位精度达到厘米级；⑥专注碾压控制，兼顾摊铺厚度，保证大坝施工全过程有效监控。

3.系统组成

（1）系统信息传输途径及构架组成

大坝填筑碾压施工实时智能化监控系统综合了微电子技术、无线通讯技术、GNSS厘米级高精度定位等现代化技术于一体，可实现实时全程连续可视化跟踪碾压过程，向建设单位、施工单位、监理单位和操作司机提供及时精确定位的压实信息。系统信息传递主要途径及架构如图1所示。

（2）系统模块组成

大坝碾压控制系统主要有10个模块组成：基础信息、数据管理、实时监控、质量审核、历史回放、平面分析、剖面分析、单元报表、碾压统计、系统管理等。

图1 信息传递主要途径及架构示意图

系统能够将安装在碾压、运料设备上的相关监控仪器中得到的数据进行整理、分析并展示，为工程施工过程质量控制提供参考与支撑。

在系统模块中实时监控和历史回放应用对大坝碾压意义重大。

实时监控：能在司机终端显示器实时显示碾压轨迹和遍数，实时提醒司机防止漏压、欠压和过压，也可远程监控，便于施工单位管理人员、监理、业主实时监督。

历史回放：如某个点检测不合格，可以回放该点的碾压轨迹录像，可以看出是否漏压和欠压。

四、系统运行控制效果

根据平面分析和剖面分析截图展示，从断面碾压剖面图可以看出整个剖面不同高程的碾压情况，也可以点击某个高程点，单独显示不同高程的碾压遍数，可以直观判断哪些高程碾压遍数合格，哪些高程欠压、漏压、过压；从高程碾压平面图可以清晰直观看出碾压设备的行驶轨迹，碾压遍数，平面碾压范围，在碾压过程中能及时控制，防止漏压、欠压、过压。

大坝从2017年6月28日开始填筑以来，截至2018年9月底，1003个碾压单元已完成885个单元，合格率100%，其中优良单元工程839个，优良率94.8%，没有出现因为压实度和干容重达不到设计要求出现返工的情况，说明控制效果显著，节省了大量的人力、物力和财力。

五、目前存在的不足及改进方向

该系统已经较为成熟，可以在土石坝、碾压混凝土坝和堤防填筑中推广使用。但目前系统只能控制碾压遍数、摊铺厚度及碾压轨迹，对土料的含水率和碾压后的容重（堆石坝的密实度）这两项重要指标不能进行实时监测，还要靠人工检测，土石坝一般都体量庞大，检测工作量大，要耗费大量的人力、物力、财力。下一步改进的方向要增加土料含水率和容重（密实度）的实时检测能力，真正做到全过程、全项目智能化控制，既保证工程质量，同时节省人力、物力和财力