北斗卫星高精度定位智能压实系统在碾压混凝土中的施工研究

肖 辉

（广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340）

目前水利水电工程碾压混凝土施工控制参数较多，从混凝土拌合到初凝，全过程基本全凭人工操作、控制，尤其是碾压混凝土密实度控制，目前均采用核子密度仪检测，该仪器具有难保管、人为因素难以排除和以点代面的问题，不能全面、真实地反映坝体整体密实度。且施工过程难回顾，质量控制难度大，一旦出现质量问题常常无数据可查，部分数据也无法追本溯源[1～6]。

本文在湖南毛俊水库枢纽工程大坝工程碾压混凝土施工中引进智能压实过程控制系统进行碾压混凝土施工，达到控制铺料厚度、碾压遍数、行进速度、密实度分析、高程模型、历史轨迹回放、核子密度仪与试验数据关联等过程控制的目的，提高了施工过程中碾压填筑施工质量和效率，为施工单位提供可视化的质量管理手段，也为建设单位提供质量管理数据支撑。

1 智能压实过程控制系统简介

1.1 系统组成

系统组成包括：定位定向设备、激振力传感器、红外温度传感器、激光测距仪、倾角传感器、基准站、移动站。具体如图1 所示。

图1 系统部件组成及安装位置示意图

1）定位定向设备。实时定位压轮位置以及车辆行驶方向，辅助计算碾压遍数、行驶速度、填筑层厚变化粗略值。厘米级定位精度，能满足压轮定位、碾压遍数、行驶速度计算需要。

2）激振力传感器。实时测量压轮的激振状态。

3）红外温度传感器。实时测量混凝土被碾压过程中温度的变化量。温度传感器分辨率在0.1 ℃，能满足分辨混凝土的温度变化过程，并且该种类型的传感器在沥青碾压路面经过测试，在高强度的振动环境中可以正常工作。

4）激光测距仪。实时测量压轮相对于混凝土面的下沉量。激光测距仪的精度为2 mm，能够准确测量压轮相对于混凝土面的下沉量，可在高强度的振动环境下正常使用。

5）倾角传感器。测量振动碾的倾斜数值。

6）RTK 移动站配合核子密度仪一起使用，标记检测位置点的准确坐标，在检测结束后，能将检测的数据与车载电脑上记录的数据做匹配比对。

1.2 系统架构

系统架构包括五部分，具体如图2 所示。

图2 系统架构图

第一部分是硬件平台层，主要包括网络设备、服务器与存储设备。这是整个系统的基础，它提供重要的数据存储、运算的资源与环境，并对整个系统的虚拟化处理、安全以及运维进行控制。

第二部分主要包括数据存储、运算等资源硬件以及功能平台之间的中间层，主要包括数据传输与存储相关操作系统、虚拟机操作系统、虚拟应用以及相关的数据接口，是整个系统上下的重要交换部分。

第三部分是整个系统的重要的用户应用层，即毛俊水库工程施工质量监控系统中的应用部分，主要包括施工过程监控与主体工程建设信息系统，是面向用户的功能需求方面。

第四部分是客户端，主要包括编制开发的在数据终端展示的计算机、平板等设备应用。

第五部分是项目建设所需的网络运行环境需求。

1.3 生产数据采集

1）压轮当前位置、碾压遍数、行驶速度数据。定位定向设备实时输出的高精度位置数据以及方向数据通过串口通讯线缆传输到车载电脑上，在车载电脑上运行软件，结合机械尺寸可以推算出压轮的实时位置，进而可以统计碾压遍数、碾压速度，并与压轮当前位置数据进行融合存储。

2）温度数据。红外温度传感器是一种非接触式的传感器，安装在离开地面50 cm 左右车架上即可实时监测混凝土的温度，数据通过串口通讯线缆传输到车载电脑，车载电脑上运行的软件将温度数据与压轮当前位置数据实时融合存储。

3）激振力数据。激振力传感器安装于振动轮车架上，通过串口通讯线缆传输到车载电脑上，车载电脑上运行的软件将激振力数据与压轮当前的位置数据实时融合存储。

4）承载力数据。激光测距仪安装在振动碾机架与驱动桥连接的位置，与振动碾外切面呈45°～50°角安装，对准振动碾底部测量，同时在振动碾机架上安装倾角传感器；当压轮相对于混凝土面下沉的时候，激光测距仪可以测出传感器到混凝土面之间的距离（见图3），该数据通过串口通讯线缆传输到车载电脑上，车载电脑上运行的软件综合倾角传感器数据，根据三角几何关系，计算出压轮下沉量，再结合压轮的半径，计算出压轮与地面的接触弧线长度L，压轮重量M 与压轮接触地面的弧线长度L 的比值K，作为混凝土当前的承载力大小的表征，并与压轮当前位置数据实时融合存储。

图3 振动碾下沉测量原理

数值K 在连续记录之前，需要与核子密度仪测量出来的多个点位的数据进行相关性的比较，从而得到数值K 与核子密度仪测量出来的混凝土密度之间的相关系数R，相关系数R 可以作为一项参考数据，可以用来符合对比修正最后由人工智能分析工具分析处理出来的数据的内在规律性数据。

5）核子密度仪采集数据。核子密度仪检测完成，使用移动站记录当前检测位置的坐标，并在对应属性栏里输入核子密度仪检测出来的密度值以及含水量。

6）材料级配比、含水率、混凝土初凝时间。每个仓面开始碾压之前，在车载软件上记录该仓面混凝土级配比、含水率、初凝时间、层厚等数据。

2 工程概述

2.1 项目概况

毛俊水库枢纽工程是国家“十三五”期间加快推进的重大水利工程之一，是一个以灌溉为主、结合供水、兼顾发电等综合利用效益的大型水利工程，大坝为碾压混凝土重力坝，坝轴线长512 m，最大坝高76 m，混凝土约90 万m3，其中碾压混凝土65 万m3。

2.2 模型参数

时间：2019 年6 月1 日至2021 年6 月30 日。

地点：毛俊水库枢纽工程大坝碾压混凝土施工。

试验机械：“三一”STR130C-8C 型双钢轮振动碾；振动频率为50/61 Hz；激振力为169/119 kN；振动轮宽度为1 300 mm。

施工方法：大坝全断面碾压。

铺料厚30 cm，推耙机平仓，人工配合整平；采取静压、强振、静压相结合，从两边到中间沿平行于坝体轴线进行条带搭接碾压；碾压遍数为2+8+2，振动碾最大工作时速不超过2.5 km/h，沿线路纵向压实轮迹重叠不小于40 cm，碾压混凝土VC 值为（2～5）s。

混凝土：上游面设R90200W8F100、厚（2.8～4.3）m的二级配富胶凝材料混凝土，大坝主体为R90150W4F50 的二、三级配碾压混凝土。

3 生产数据处理

3.1 铺料厚度高程数据处理

该数据形式上是带属性数据的格网数据，加载到地理信息系统软件中，利用地理信息系统软件的单值专题图分析功能，可分析出铺料条带的厚度及误差范围，通过车载终端显示填筑厚度示意图及示意图上的仓面、各部位混凝土高程及误差范围。

3.2 碾压遍数数据处理

该数据形式上是带属性数据的格网数据，加载到地理信息系统软件中，利用地理信息系统软件的单值专题图分析功能，可分析出来整个仓面的碾压遍数分布二维地图图层，并且不同位置不同碾压遍数渲染成不同颜色进行区分；碾压遍数示意图（见图4）是用不同颜色记录某一位置设备滚轮通过的次数。通过颜色区分层数，并对碾压遍数进行统计分析超压、合格、欠压数据分析，直观明了。

图4 碾压遍数数据处理图

3.3 碾压速度数据处理

该数据形式上是带属性数据的格网数据，加载到地理信息系统软件中，利用地理信息系统软件的单值专题图分析功能，可分析出来整个仓面的行驶速度分布二维地图图层，并且不同位置不同行驶速度渲染成不同颜色进行区分，该处理过程结果数据图效果与碾压遍数图类似（见图5）。

图5 碾压速度数据处理图

3.4 温度数据处理

该数据形式上是带属性数据的格网数据，加载到地理信息系统软件中，利用地理信息系统软件的单值专题图分析功能，可分析出整个仓面的温度分布二维地图图层，并且不同位置不同温度渲染成不同颜色进行区分（见图6）。

图6 温度数据处理图

4 检测压实度与系统给定值对比分析

通过随机选取10 个点，分别对系统采集的压实度值（CMV 值）与传统原位测试检测的干密度值进行对比，试验证明两者之间具有良好的正相关性和统一性。系统采集的压实度值（CMV 值）与传统原位测试检测的干密度值数据对比见图7 所示。

图7 CMV 值数据与原位测试干密度数据

系统采集的压实度值（CMV 值）是连续测量并记录碾压区域压实度的动态响应数值，反映碾压区域整体压实度的均匀性，并实时显示碾压合格区域、碾压薄弱区域和过压区域，而不是以点代面。因此可以有的放矢地指导传统的干密度检测，从而减少传统检测的盲目性。

5 结 论

研究发现，毛俊水库枢纽工程碾压混凝土施工过程中智能压实过程控制系统通过实时采集振动碾在振动压实施工过程中的振动特性及被压浇筑层面对于振动特性的反馈参数，通过一系列数据分析得到材料在施工过程中的参数特性变化规律，从而达到对压实施工质量的分析与监控目的。通过车载人机交互界面，可以在施工过程中将信息及时反馈给车辆操作人员，使施工人员根据反馈信息对压实工艺及时做出调整，使之满足浇筑层面施工质量的要求。

本智能压实过程控制系统通过控制施工主要参数从而实现对施工质量的全过程控制，对存在的质量缺陷具有较好的可追溯性，为施工单位提供了可视化的质量管理手段，也为建设单位提供质量管理数据支撑，为大坝全过程质量跟踪提供了有效、可行的技术手段。在后续施工中将继续对该系统进行研究和探索。