碾压监控系统在面板堆石坝填筑中的运用

邓 苏

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550000)

1 黄家湾水利枢纽工程简介

黄家湾水利枢纽工程位于贵州省安顺市南部紫云县境内，坝址在红水河的一级支流格凸河中游河段。挡水大坝为面板堆石坝，最大坝高81.0m，坝顶高程为1059.0m，坝顶宽10.0m，坝轴线长360.54m。坝体采用钢筋混凝土面板防渗，面板后部设垫层区和过渡区，过渡区后为大坝堆石区，坝体填筑总方量约170万m3。

2 碾压监控系统建设及运行

2.1 碾压监控系统引入

工程大坝为面板堆石坝，通过碾压试验确定垫层区、过渡区及堆石区参数见表1。

表1 黄家湾大坝填筑料碾压参数控制标准

工程施工质量受控于“人、机、料、法、环”五个因素，工程大坝分区分块碾压填筑，过程中易造成分块搭接漏碾或碾压遍数不足等，需投入大量人员进行现场记录和管控，工作重复单一，且在午间、夜间等时段易形成管理真空时段，“人”的因素成为影响工程质量的主要因素。故工程大坝填筑引进碾压监控系统，以便及时发现存在问题并做出快速调整，进一步做好坝体填筑质量过程控制。

2.2 碾压监控系统功能需求

1)碾压机动态参数监控功能：

根据坝体填筑参数，监控系统能够动态采集和监测碾压机运行轨迹、速度、振动状态和压实度等，集成后实时自动计算和统计仓面碾压遍数、错距、压实厚度、压后高程及压实度，并在大坝施工数字地图上可视化显示[1-2]。

2)质量控制指标预报警功能：

当碾压机运行超速、以及激振力、碾压遍数等碾压参数或压实度不达标时，系统自动发送报警信息。报警信息同时发送给碾压机操作手，并在监控视频终端提示，以便及时指示返工或调整，同时把信息写入异常数据库备查。

3)监控报表输出：

在每个监控单元施工结束后，输出碾压质量图形报表，包括碾压轨迹图、行车速度和激振力情况图、碾压遍数图、压实厚度图和压实高程图等，为质量判定提供依据。

4)历史查询：

所有施工仓面碾压质量信息保存至数据库，后期可追溯监控仓面的施工过程，也可为其他信息化工程提供大坝碾压过程基础数据。

2.3 碾压监控系统建设

1)软件方面：

软件由天津大学自主研发，通过在现场碾压设备安装振动监测及设备位置定位等仪器进行数据采集，同时将采集到的数据传输到集中控制中心，经过软件对传输数据与设定碾压遍数、铺料厚度及设备行走速率等进行实时分析，异常信息可以在集控终端显示界面反馈，同时通过现场碾压设备装置报警方式将异常情况反馈给现场操作人员，指导现场快速做出调整，实现质量过程控制。

2)硬件方面：

本系统主要依托卫星定位系统、无线传输技术及有线传输技术，需建立GNSS差分基准站、碾压机流动站、监控中心和通信系统等。

2.4 差分基站

GNSS差分基准站是整个监控系统的“位置标准”。为了提高GNSS接收机的计算精度，使用RTK动态差分技术，利用已知的基准点坐标来修正实时获得的测量结果。通过数据链，将基准站的GNSS观测数据和已知位置信息实时发送给GNSS流动站，与流动站的GNSS观测数据一起进行载波相位差分数据处理，从而计算出流动站的空间位置信息，使水平定位精度可达±(8+1×10-6×D)mm，垂直定位精度可达±(15+1×10-6×D)mm)，完全满足大坝碾压质量控制精度的要求。本工程差分基站建立于场地开阔、卫星信号良好的右坝肩平台上。

2.5 碾压机流动站

碾压机械碾压过程自动监测装置包括有：卫星定位接收机、卫星天线、激振力模块、无线传输模块(DTU)等。

通过安装在碾压机械上的GNSS接收机、激振力感应器可获得大坝填筑碾压施工过程中碾压机位置、行进速度、碾压遍数、激振力状态等监测数据，然后将有效的观测结果，通过DTU数据传输装置连续、实时地上传至中心数据库，供后续系统软件进行应用分析。

2.6 通信系统设计

针对坝面碾压机监控信息通信方式，利用中国电信运营商网络进行传输。根据现场实际情况及系统设计，总控中心部署了固定公网IP地址，带宽为100Mbps，分控站接入带宽为100Mbps。

2.7 监控中心设置

监控中心由服务器系统、数据库系统、安全备份系统、现场监控应用系统等组成。本系统主要用于辅助现场施工质量管理，故将总控中心设置在施工单位现场项目部，同时在业主临时驻地、监理单位项目部设置分屏监控中心，实现了多屏同时监管查看功能。

2.8 碾压系统运行

本系统于大坝填筑初期投运，界面操作简单，对人员业务技术水平要求不高，简单培训即可上岗。监控系统投运以来监测情况如下：

1)碾压速度统计分析：

共监控到碾压机因司机操作失误连续10s超速行驶而引起报警2535次，平均每天每台班超速约3.71次，所有发现不规范问题均得到及时快速调整，有效确保了施工质量。

2)碾压振动状态统计分析：

大坝填筑碾压过程监控系统未监控到由于操作失误导致碾压机振动状态不达标现象。

3)碾压遍数统计分析：

全程监控堆石料区980.4m-1051.6m高程施工仓面共196个，高振碾压10遍及以上区域所占比例最低为90.00%，最高为99.35%，平均为94.13%。局部机械设备不能用大型设备碾压区域均采用小型振动设备辅助压实。

全程监控过渡料区980m-1051.2m高程施工仓面共161个，高振碾压8遍及以上区域所占比例最低为90.00%，最高为99.56%，平均为93.92%。局部大型设备不能碾压区域均采用小型振动设备辅助压实。

图1 堆石坝填筑大坝填筑碾压过程监控系统客户端程序初始界面图

全程监控垫层料区983.2m-1051.2m高程施工仓面共176个，高振碾压8遍及以上区域所占比例最低为90.12%，最高为99.87%，平均为95.04%。局部大型设备不能碾压区域均采用了小型振动设备辅助压实。

图2 大坝填筑碾压过程监控系统客户端监控界面

3 成 效

工程坝体于2018年11月开始填筑，至2019年7月1日全部填筑完成，平均填筑强度21.25万m3/月，最大达到25万m3/月。

3.1 试验检测情况

坝体填筑质量试验检测采用试坑法，其中垫层料挖坑检测292组、过渡料检测39组、堆石区检测120组，所有抽检的试坑各项指标均满足设计及规范要求，表明大坝碾压填筑质量良好。

3.2 大坝沉降观测情况

根据《混凝土面板堆石坝施工规范》(SL49-2015)，高坝预沉降期4-6个月，坝顶位移标点月沉降量<3-5mm作为变形稳定判别标准。本工程大坝自2020年8月1日取得坝顶沉降观测初值，至2020年10月1日，坝顶位移累计沉降在4.43mm-5.41mm以内，仅用时3个月就达到月沉降量在5mm以内的控制指标，表明坝体填筑质量总体良好。

4 结论及建议

1)采用该监控系统省去了人工现场记录碾压遍数的繁琐，减轻了施工人员的劳动强度，提高了工作效率，同时最大限度避免了“人”的因素对工程建设质量造成的影响。

6)本监控系统实现大坝填筑质量控制可视化，同时实现了远程集控及现场异常情况报警“双监控”，增加了质量管控辅助手段，进一步提高了工程质量管控水平。

3)针对堆石坝、碾压混凝土坝及公路路基处理等需要开展碾压施工且施工时段持续时间长的同类型项目，可以引入文章所述的碾压监控系统，有助于现场实体质量控制及提高工作效率。