碾压混凝土坝精细数字化施工质量控制

郑祥 米元桃

摘 要：针对传统碾压混凝土坝施工常规工艺和质量控制技术存在的不足，依托乌弄龙水电站碾压混凝土筑坝施工工艺，基于数字化在线馈控技术方案，开发了仓面碾压热层密实性关联参数采集仪器及变态混凝土智能型加浆与振捣施工设备组合施工工艺，构建了碾压混凝土压实质量评价模型及变态混凝土振捣质量评价模型，基于云服务平台开发了相应工艺效果实时馈控系统，形成了碾压、注浆及振捣三位一体的集成化质量管控方法，实现了碾压混凝土施工质控精细化，工程实践应用效果显著。

关键词：碾压混凝土坝;精细化施工;质量控制;数字化;乌弄龙水电站

Abstract：Aiming at the shortcomings of conventional process and quality control technology in the construction of traditional roller compacted concrete （RCC） dam， relying on the construction of Wunonglong RCC Dam， based on the digital online feedback-control technology scheme， firstly， the acquisition instruments of the density parameters of compacted layers and the combined construction process of intelligent grout and vibration construction equipment for the metamorphic concrete were developed. Secondly， the evaluation models of compaction quality of RCC and vibration quality of the metamorphic concrete were established. Thirdly， the real-time feedback-control system of the corresponding process effect had been developed based on the cloud service platform， thus， the integrated quality control method of compaction， grout and vibration was formed. The fine quality control during RCC construction was realized， and the application effect of engineering practice was remarkable.

Key words： roller compacted concrete dam; lean construction; quality control; digitalization; Wunonglong Hydropower Station

碾压混凝土（RCC）重力坝具有施工简单、胶凝材料用量少、不设纵缝（也可少设或不设横缝）、施工导流容易、工程造价低等优点，在水利水电工程中应用极为广泛。以薄层通仓碾压为特点的碾压混凝土筑坝技术，碾压作业施工质量控制是筑坝成功的关键，对大坝成型质量有重要影响。目前，施工现场主要采用核子密度仪法实时检测碾压热层压实质量[1]，但这种通过少量随机取点测值代表全仓面压实质量的方法可靠性低、表征性差，且测量过程繁琐、测值结果不稳定;此外，对碾压混凝土坝变态区域注浆及振捣作业没有严格量化可行的质量评价方法[2]。因此，针对现有施工工艺难以满足碾压混凝土快速施工精细化控制要求的现状，深入研究碾压混凝土坝施工精细数字化馈控技术，对提高施工质量、加快施工进度、节约工程成本具有重要的工程应用价值。

目前，在碾压混凝土坝压实质量监控方面，国外因该类坝型建设较少而鲜有报道，关于碾压混凝土的研究主要集中于道路压实质量控制[3];国内有不少学者提出碾压混凝土施工压实质量控制的新方法[4-6]，主要通过对碾压混凝土施工压实质量影响因素（包括料性因素、机械因素及自然因素）进行分析，找出最具代表性的影响因素，利用数学方法建立关系模型。但是，这些方法存在检测参数表征性差、难以准确实时检测且模型精度不足的问题。另外，在变态混凝土注浆及振捣质量控制方面，变态混凝土振捣作业质量状况一般通过受振混凝土密实度评判，而混凝土振捣密实机理复杂，目前关于变态混凝土密实性的研究仅为定性试验分析，未见根据振动与拌和物特性预测混凝土密实性的研究，实时定量分析振捣质量的相关研究仍处于空白状态[2]。

为实现碾压混凝土施工效率及施工质量精细化管理的目标，针对现有碾压混凝土施工过程中存在的问题，水电七局联合研究团队，提出了碾压混凝土坝施工质量精细数字化馈控技术方案，研发了相关智能采集仪器及施工设备，并开发了碾压混凝土坝施工质量数字化馈控系统。研发系统内容较多、涉及面较广，本文只针对其中主要部分的功能、原理及应用情况进行扼要介绍。

1 碾压混凝土压实质量精细数字化馈控技术

1.1 碾压热层压实质量精细数字化馈控方法

为实现碾压混凝土仓面压实质量实时、快速、精确评价及反馈，提出一套基于BP人工神经网络（BP-ANN）智能预测的碾压混凝土压实质量数字化馈控方法（见图1）。首先，使用自主研发的智能参数采集设备在现场仓面实时获取碾压质量评价参数（包括RCC拌和物含湿率及碾压后表面应力波波速），同时基于GNSS系统及4G无线通信技术将所获参数信息实时传输至云服务器;其次，构建基于BP-ANN的碾壓混凝土压实度评价模型，输入实时碾压工艺参数及其三维坐标，计算、输出压实度，作为当前施工层碾压质量评价指标;最后，远程精细数字化馈控系统实时调取评价结果，在3D碾压热层模型上实现压实质量可视化监控，并形成Web在线压实质量云图反馈至施工人员，以指导现场施工人员针对缺陷部位补碾至合格。

基于BP-ANN的碾压混凝土压实度评价模型是实现碾压质量实时馈控的关键。由于混凝土受机械碾压压实过程机理复杂，压实度影响因素众多且呈非线性[7]，简单建模方法不适用，因此采用BP人工神经网络构建碾压层压实度评价模型。模型输入参数为RCC拌和物含湿率、碾压混凝土表面应力波波速及骨料级配参数，输出参数为当前碾压层压实度。模型实时评价流程如图2所示，现场实时获取RCC拌和物含湿率、表面波波速值等碾压工艺参数并自动上传至云端数据库，骨料级配作为模型选择参数用于确定使用二级配或三级配碾压混凝土压实度评价模型，模型选定后将对应碾压工艺参数输入评价模型进行实时计算，最后输出压实度值并储存至数据库。

通过采集大量现场数据，分别基于200组训练样本建立了二级配碾压混凝土与三级配碾压混凝土压实度评价模型。为分析压实度预测模型精度，将30组验证样本输入模型中验证模型精度，结果如图3所示。由图3可知，所建立的碾压混凝土施工压实质量实时监测模型预测精度较高。

1.2 智能碾压工艺参数采集及施工设备开发

为获取可靠的现场碾压工艺参数，开发了一套智能碾压工艺参数采集设备，主要包括智能含湿率测定仪、智能表面应力波波速测定仪及碾压车轨迹采集设备。

1.2.1 智能含湿率测定仪

维勃稠度（VC值）是表征碾压混凝土拌和物可碾性的重要参数。但由于其测试工作量大、环境因素影响较大，不能做到快速准确检测[8]，因此确定以新拌混凝土含湿率作为碾压混凝土料性参数，并研发智能含湿率测定仪。智能含湿率测定仪由水分传感器、手持仪表和GPS-RTK定位无线终端设备组成，可自动完成仓面RCC拌和物含湿率及VC值的测量、计算、显示、存储、无线通信，实现将仓号、样品序号、含湿率值、VC值和仓面测点坐标数据等上传到云端服务器，如图4所示。

1.2.2 智能表面应力波波速测定仪

前期研究发现，表面应力波波速对碾压混凝土压实质量较为敏感，随着碾压混凝土不断被压实，应力波波速将逐渐加快，且测值波动范围很小。智能表面应力波波速测定仪由表面波信号检测系统、GPS定位系统、信号采集处理系统及行走系统组成。实时碾压热层表面应力波波速测试仪实时采集、计算、上传过程见图5。

为分析设备系统误差，在乌弄龙水电站碾压混凝土仓面中心区域取不同碾压条带，对同一碾压条带不同碾压遍数条件下各测量两次碾压层表面应力波波速，同时采用核子密度仪测量对应位置的压实度。测量结果表明，使用研发的波速测试仪及制定的测试方法测量碾压混凝土中纵波传播速度方法可靠、结果稳定，满足测量精度要求。

1.2.3 碾压车轨迹采集设备

通过在碾压车上加装GPS定位装置，实现了碾压车轨迹采集，并通过无线通信技术将定位数据上传至云服务器。

2 变态混凝土振捣质量精细数字化馈控技术

2.1 变态混凝土振捣质量精细数字化馈控方法

大量施工实践表明，仓面变态混凝土施工作业方法较为简单、过程相对粗放难控，是制约升层施工速度、管控材料盈亏以及影响碾压层重点部位质量的关键环节。因此，结合碾压工艺智能数字化管控模式，提出变态混凝土注浆、振捣质量实时馈控新技术，实现仓内加浆层振捣工序全部机械化、评价参数化、效果可视化、控制智能化，可消除人工作业低效不可控、工序相互干扰的现实问题，极大改善全仓面施工质量与效率。

碾压混凝土施工热层压实质量实时评价反馈实现方法见图6，通过自主开发的智能型高效加浆和振捣机械与专门装备，实时获取工艺参数并自动上传，基于实时工艺参数进行质量评价，通过远程质量数字化系统反馈至施工现场，及时修复不合格区域，提高变态混凝土浇筑施工质量。其中：变态混凝土注浆质量由实时采集的注浆量参数进行注浆均匀性评价，振捣质量则是基于支持向量机的加浆层硬化孔隙率实时预测模型实现实时评价。根据前期研究可知，评价混凝土密实性的最适宜指标为成型混凝土孔隙率，但是孔隙率与材料特性参数之间并非简单的线性关系，内部机理尚不可知，导致目前难以构建孔隙率理论计算模型。针对这一问题，利用支持向量机算法进行混凝土孔隙率预测，继而评价变态混凝土振捣质量。

在乌弄龙水电站碾压混凝土试验仓内振捣棒插入变态混凝土处及距棒心7、11、16 cm处取芯样，28 d龄期后测定硬化孔隙率，共获得100组数据，其中：训练集85组，其余15组作为测试集。模型输入参数为含气量、屈服应力、塑性黏度、新拌物密度、振动能量密度等，输出参数为硬化孔隙率，预测結果见图7，可知相对残差不超过10%，其中训练集相对误差为5%左右，可见利用支持向量机算法能较为准确地预测硬化混凝土孔隙率，可用来评价变态混凝土振捣质量。

2.2 智能化注浆及振捣施工设备研发

2.2.1 机械注浆系统

研究团队研发并试验验证了一套智能型变态混凝土加浆搅拌设备，旨在运用旋转搅拌加浆方式提高变态混凝土浆液分布的均匀性，同时依靠智能计量反馈系统实现仓面加浆质量可靠控制。智能机械注浆机（见图8）上配置一套全自动数据采集系统，该系统主要由圆盘天线、流量计、数据采集盒等组成，数据采集盒放置于驾驶室内，主要用于接收机械注浆机注浆位置与注浆量信息，并发送至远程终端，驾驶员可以通过手机实时观察注浆情况，并对注浆欠量的地方进行补浆操作，实现机械注浆实时馈控功能。

通过实地应用测试，发现碾压混凝土现场注浆效果良好。在试验区域挖槽，取出注浆后的变态混凝土，观察水泥浆液渗透情况，发现水泥浆液在碾压混凝土内部渗透均匀，碾压混凝土骨料周围被水泥浆液均匀附着，变态混凝土上下层水泥浆液分布均匀且无大量水泥浆液集聚现象，能够满足变态混凝土性能要求。采用传统施工方式（在碾压混凝土表面铺洒水泥浆）制备变态混凝土，水泥浆液渗透极不均匀，极易造成水泥浆液上下层含量差异：上层水泥浆液较多，而下层水泥浆液不足，最终导致泌水现象。对比两种施工方式的变态混凝土表观质量可知，采用机械注浆系统施工的变态混凝土水泥浆液渗透质量比传统人工加浆方式有极大提高。

2.2.2 自动注浆振捣台车系统开发

研究小组研制了自动注浆振捣台车智能化系统，在数字化远程系统辅助下，实现了变态混凝土注浆振捣一体机智能采集通信功能（见图9）。该系统由仓面RTK定位装置、流量馈控装置以及数据采集仪（位于驾驶室内）组成。定位装置可精确定位注浆振捣头位置，流量馈控装置用于测量并读取机械注浆的实时流量，数据采集仪采集到的位置与流量数据打包后上传至远程终端，远程终端根据相应的位置、流量信息生成注浆质量云图，操作员可以通过手机实时查看质量云图，据此对注浆质量欠佳位置补浆，从而实现注浆质量实时馈控。

2.2.3 人工振捣设备定位系统

为解决仓面边角和机械振捣设备不能到达的变态混凝土部位的振捣信息化馈控问题，研究小组研发了一套人工随机振捣作业信息采集系统。该系统由人工振捣马甲、定位装置（圆盘天线）、连接线、数据采集仪组成，根据采集到的边角振捣部位的实时信息，通过振捣半径、时间与振捣影响范围、密实度相关模型，计算给出振捣密实质量评价报告及云图，实现远端振捣数字化效果。

3 碾压混凝土坝施工质量精细数字化馈控系统

远程可视化反馈控制系统是一套具备实时反馈功能的3D可视化系统，其将原有的AutoCAD二维图像资料转化为3D模型[9]。基于VS2010开发平台，结合VC++面向对象编程技术、OpenGL图形系统、数据库等技术开发可视化软件，实现碾压混凝土施工压实信息数据库管理、3D实体的拾取与反馈、3D虚拟环境下碾压混凝土施工压实质量单元评价效果分析、3D虚拟环境下压实质量不合格区域自动报警以及3D可视化等功能。

3.1 碾压质量可视化馈控平台

为检验成套智能化施工精细控制系统现场应用成效，于2018年5—6月在乌弄龙水电站项目进行了设备现场测试，试验仓位于大坝左岸十号仓第四段，整个施工仓共计20层，层厚0.3 m、高程1 876～1 882 m，共6 m升程。系统根据碾压车轨迹、含湿率、压实度、波速等参数，在远程客户端生成直观云图显示仓面碾压效果（见图10，红色区域对应不密实区域）。用户可以直接通过手机查看碾压实时质量云图，及时对不密实区域进行补碾，解决碾压混凝土质量问题。

3.2 注浆组合作业工艺参数信息化平台

运用手持便携式注浆系统、机械注浆系统、自动注浆振捣台车智能化系统等多种设备组合注浆，实现了仓面注浆全智能化。其中：机械注浆系统与自动注浆振捣台车智能化系统注浆量大、注浆速度快、注浆面广，主要用来完成变态混凝土加浆带大面积加浆工作;模板、止水带边角以及拉筋附近等不易加浆区域，由手持便携式注浆系统完成。这套系列化、多设备组合的变态混凝土工艺配套设备和工藝方法成功应用于乌弄龙水电站施工，全方位加快了变态混凝土注浆施工进度，减少了水泥净浆消耗。同时，远端可视化系统根据上传的数据信息自动生成该层的注浆质量报告并且在手机端显示注浆质量云图，现场操作员可根据注浆质量云图对相应设备注浆情况进行评价，并对注浆量较少的部位进行补浆操作。图11为远程客户端显示的注浆效果，其中：绿色为注浆正常，浅蓝色为注浆稍过，蓝色为过注，黄色为注浆稍欠，红色为欠注。从应用效果来看，注浆组合作业效果完全满足施工要求，云图显示的注浆分布与注浆总量均与实际注浆情况吻合。

3.3 振捣组合作业工艺参数信息化平台

研发小组根据工地实际振捣设备与仓面情况，开发了不同振捣设备工艺之间的效率匹配和组合方法。乌弄龙水电站振捣设备主要有人工振捣机、振捣台车（二爪）、八爪振捣机组成，振捣台车与八爪振捣机体型较大、振捣覆盖面广、振捣效率高，但对于止水带附近边角与模板附近不容易振捣，特别是模板前方有较为密集的拉筋，强行振捣会有较大的安全隐患，而人工振捣机可以很好地解决这一问题，但是人工振捣机有效率低、效果差、耗时耗力的缺点。因此，应采用分区组合振捣作业模式，大面积振捣由振捣台车与八爪振捣机完成，止水带边角和模板拉筋附近由人工振捣机完成。

现场振捣效果通过数字化远程系统显示在远程客户端上，远程监控人员可通过手机上安装的振捣可视化馈控系统指导现场工人及时对欠振区域进行补振，以保证混凝土施工质量。

4 结 语

通过对碾压混凝土压实、变态混凝土注浆、振捣3大施工技术环节进行设备及装备智能化改造和施工工艺组合升级，形成了碾压现场压实度、注浆质量、振捣质量三位一体的精细数字化馈控系统，并在乌弄龙水电站工程现场得到良好应用与验证。

（1）采用自主研发的智能含湿率测定仪及表面应力波波速测定仪，实现了碾压工艺参数的实时采集;以RCC拌和物含湿率、碾压层表面应力波波速及骨料级配参数为输入参数，以压实度为输出参数，构建了基于BP-ANN的碾压层压实度评价模型，实现了碾压层压实质量的实时精细化评价。

（2）建立了智能变态混凝土加浆搅拌设备（自主研发）、加浆振捣台车（升级改造）与人工振捣设备的组合施工工艺，均具备作业定位与特征参数实时远程上传功能;以含气量、屈服应力、塑性黏度、新拌物密度、振动能量密度为输入参数，以硬化孔隙率为输出参数，构建了基于支持向量机的变态混凝土振捣质量评价模型，可较为准确地量化评价变态混凝土的振捣质量。

（3）依托乌弄龙碾压混凝土坝施工，开发了施工质量数字化馈控系统，初步建立了碾压混凝土筑坝作业过程数字化馈控技术体系（包括碾压混凝土压实质量实时精细化馈控技术、变态混凝土精准加浆控制技术以及振捣效果实时量化馈控技术），并取得良好运用效果。

参考文献：

[1] 中国水利水电工程总公司.水工碾压混凝土施工规范： SL 53—94 [S]. 北京：水利电力出版社，1994：1-11.

[2] 钟登华，时梦楠，崔博，等.大坝智能建设研究进展[J].水利学报，2019，50（1）：38-52，61.

[3] WHITE D J， VENNAPUSA P， DUNN M. A Road Map for Implementation of Intelligent Compaction Technology[C]//ABU-FARSAKH M，YU X，HOYOS L R. Geo-Congress 2014 Technical Papers： Geo-Characterization and Modeling for Sustainability. Atlanta：American Society of Civil Engineers （ASCE），2014：2010-2018.

[4] 钟桂良. 碾压混凝土坝仓面施工质量实时监控理论与应用[D].天津：天津大学， 2012：29-61.

[5] 林达. 碾压混凝土坝施工压实质量预测评价模型研究[D].天津：天津大学，2012：17-56.

[6] 刘玉玺. 碾压混凝土坝施工信息模型原理与应用研究[D].天津：天津大学，2015：101-112.