土石坝智能碾压系统研究及在黄南水库大坝质量控制中的应用

李 韬，陈 强，张志杰，王 强，景东红

（1.松阳县农村水利管理服务中心， 浙江 松阳 323400；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；3.松阳县水利局，浙江 松阳 323400）

1 问题的提出

黄南水库工程是浙江省“五水共治”保供水骨干项目，也是浙江省百项千亿防洪排涝工程项目，受前期施工准备工作及外部因素干扰，黄南水库大坝施工工期紧张，填筑高峰强度达28万m3/月，工程采取24 h三班倒连续作业。鉴于大坝填筑质量控制要求高，而传统的堆石坝填筑质量管控主要采用配置专职人员的方式进行全程旁站监督，把控大坝碾压的各类参数，质量管控过程中容易出现疏忽，存在管理粗放、效率低、精度差以及非实时性等方面的缺陷[1-2]。

因此，为克服坝体填筑传统质量控制方式的不足与漏洞，保障坝体工程的填筑质量与进度，在黄南水库大坝施工过程中引入智能碾压系统，对碾压轨迹、碾压遍数、碾压速度等施工参数进行全天候、全方位实时监控并预警反馈。经试坑取样质量检验，智能碾压系统控制下堆石坝孔隙率指标优于设计指标，达到良好的质量控制效果，值得类似工程在施工管理中借鉴。

2 智能碾压系统简介

2.1 系统组成

系统由硬件与软件2部分组成。系统硬件主要由GNSS北斗差分基准站、大坝振动碾监控设备（内含GNSS差分接收机、振动采集装置、司机指引监控平板等）、RTK测量一体设备、数据服务中心、监控端5部分组成。其中，GNSS北斗差分基准站为定位移动站提供卫星差分数据，保证移动站能精准定位，主要包括基准站主机、电台主机和天线[3-4]。系统软件部分主要由服务器端、车载数据采集端及监控中心端3部分组成。系统结构示意见图1。

图1 系统结构示意图

2.2 工作原理

本系统通过计算机、北斗定位技术、移动通讯网络等信息化手段辅助进行碾压施工质量监控与分析。系统以碾压车为监控对象，通过在碾压机械上安装北斗定位监测设备装置、工业显示装置、振动频率采集装置等，对仓面碾压施工机械进行实时自动监控。监控对大坝碾压质量有影响的相关数据，同时实时反馈数据、动态预警等，实现全过程质量控制。

3 施工应用方案

3.1 项目概况

黄南水库位于浙江省松阳县境内，是一座以供水、灌溉、防洪为主，结合改善水生态环境，兼顾发电等综合利用的水利工程。水库正常蓄水位329.00 m，正常库容7 580万m3。水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高97.00 m，坝顶宽10.00 m，坝顶长度267.00 m。上游、下游坝坡均为1:1.4，大坝剖面见图2。

图2 大坝剖面图 单位：cm

3.2 施工概况

水库大坝于2018年11月1日正式开始填筑，至2019年11月11日全面到顶。填筑前，通过碾压施工生产性工艺试验，取得碾压各指标参数。坝体填筑质量以工序控制为主要手段，在施工过程中，全面依靠大坝智能碾压系统进行质量过程控制。本次试验中，坝体堆石根据对坝料渗透性、压缩性的不同要求分区填筑，分层碾压，自上游至下游依次分为4个主要填筑区：垫层区（2A区）、过渡区（3A区）、主堆石区（3B区）和下游堆石区（3C区），另在面板周边缝附近设特殊垫层区（2B区）及在坝顶高程332.00 m以上设坝顶静碾区（3A1区）。

3.3 设计指标参数

黄南水库大坝各填筑分区的填筑设计指标参数见表1。

表1 大坝填筑设计指标参数表

4 数据分析

4.1 碾压轨迹

碾压机械工作时，现场监控实时同步显示图形化轨迹与碾压覆盖区域。对于超出设计施工部位的行走，系统自动进行标识，并支持分析统计。系统用不同颜色标识碾压轨迹性质以区分无振碾压轨迹、低频高振的振动碾压轨迹及高频低振的碾压轨迹。

4.2 碾压遍数

对碾压监控设备所传送的定位数据进行转换形成碾压后的曲面，根据车辆碾压所测量的数据在同一点不同时间位置的出现次数，判断每个点的碾压次数。碾压轨迹以压轮宽为轨迹宽度，每重复一次，就用不同的颜色进行标识，从而统计和判断整个范围内碾压遍数以及遍数范围。系统以不同颜色代表不同的碾压遍数，颜色由蓝至红，依次代表1~8遍，未碾压区域为灰白色。

4.3 碾压速度

跟踪某个碾压施工单元的碾压过程，动态显示其超速部位，统计其超速次数，超速距离。系统以绿色表示正常碾压速度轨迹，黄色表示低速碾压轨迹，红色表示超速碾压轨迹。

4.4 智能碾压系统的定位精度分析

近年来，由我国自主研发、独立运行的北斗卫星导航系统BeiDou Navigation Satellite System（简称BDS），通过长时间测试，相关技术成熟，已正式投入商用。通过BDS构建的实时动态控制系统（RTK）实现平面精度±1 cm、垂直精度±2 mm的高精度定位，具体见表2。

表2 大坝碾压质量实时监控与分析系统现场试验表

对比现场测量仪器与车载系统的测量成果，误差值在允许范围内，满足碾压质量监控系统的要求。

4.5 碾压结果分析

碾压结果显示，现场碾压各指标参数均满足设计要求。从试坑取样质量检验结果看，堆石坝孔隙率指标均优于设计指标，达到较好的质量控制效果见表3。

表3 坝体填筑料试坑取样成果汇总表

5 结 语

（1）大坝智能碾压系统采用北斗高精度定位技术，减少现场测量的工作量，解决施工过程依靠传统测量方式进行碾压高程和摊铺厚度的控制而导致的测量、摊铺作业相互影响的问题，提高料源入仓和设备摊铺效率。

（2）大坝智能碾压系统对碾压状态数据的实时采集与本地可视化监控，帮助操作人员实时动态掌握碾压施工状况，并依据平板显示，科学合理地规划碾压路径、处理搭接宽度，实现操作人员对施工质量的自我诊断与修复，从源头保证工程质量。

（3）黄南水库工程采用大坝智能碾压系统取得良好的施工效果，同时也加快施工进度，降低管理成本，提高工作效率，保证施工质量，为此系统在类似工程的应用提供借鉴。