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GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)在河口村水庫壩體填筑中的應(yīng)用

2014-03-05 03:39楊金順呂仲祥河南省水利第一工程局河南省水利水電工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站
河南水利與南水北調(diào) 2014年10期
關(guān)鍵詞:倉面遍數(shù)激振力

□楊金順 □呂仲祥(河南省水利第一工程局 河南省水利水電工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)測監(jiān)督站)

1 工程概況

河口村水庫壩型為混凝土面板堆石壩,大壩全長530m,壩頂寬9m,最大壩高122.50m,壩頂高程288.50m,上下游壩坡均為1:1.50,壩后不設(shè)“之”字上壩路,壩后設(shè)混凝土預(yù)制塊護(hù)坡。

壩體填筑從上游至下游依次由特殊墊層料(小區(qū)料2B)、墊層料(2A)、過渡料(3A)、主堆石(3B)、次堆石(3C)、反濾料、上游壤土鋪蓋(1A1)、粉煤灰(1A2)和石碴蓋重(1B)、下游堆石護(hù)坡(3D)、石碴壓坡(4A)等組成,填筑總量約為 743萬 m3,壩基上下游面底寬約420m。

壩體填筑結(jié)構(gòu)分區(qū)如圖1所示。

圖1 壩體填筑結(jié)構(gòu)分區(qū)示意圖

2 工程特點(diǎn)及采用GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)控制壩體填筑碾壓質(zhì)量的目的

河口村水庫大壩設(shè)計(jì)壩高122.50m,河床壩基覆蓋層厚達(dá)42m,設(shè)計(jì)壩軸線上游僅開挖上部約10m,下游開挖約5m,開挖后壩基為砂礫石基礎(chǔ)。壩基從河床趾板軸線以下50m范圍內(nèi)采用高壓旋噴樁加固處理,在國內(nèi)高壩大庫基礎(chǔ)處理方法上尚屬首例。

該工程大壩壩體填筑約540萬m3,最高填筑強(qiáng)度約40萬m3/月,壩址地處“V”字型峽谷中,河床狹窄,兩岸高峻陡峭,局部地段幾乎直立,施工道路布置困難。

堆石壩填筑碾壓施工質(zhì)量是大壩施工質(zhì)量控制的主要環(huán)節(jié),直接關(guān)系到大壩的運(yùn)行安全。堆石壩的填筑施工質(zhì)量管理,如果仍然采用常規(guī)的依靠人工現(xiàn)場控制碾壓參數(shù)(碾壓速度、振動(dòng)狀態(tài)、碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度)和人工挖試坑取樣的檢測方法來控制施工質(zhì)量,一方面由于人工控制碾壓參數(shù)的主觀性和精確度很難達(dá)到該工程所需的施工質(zhì)量要求;另一方面,由于取樣時(shí)間和等待結(jié)果的基本程序限制因素將會(huì)嚴(yán)重影響壩體填筑施工強(qiáng)度,最終導(dǎo)致工程不能如期完工,甚至帶來不可估量的度汛風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于上述工程特點(diǎn),為確保壩體施工質(zhì)量,同時(shí)有利于加快施工進(jìn)度,通過借鑒其他類似項(xiàng)目的工程經(jīng)驗(yàn),決定研究開發(fā)一種具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、自動(dòng)化、高精度等特點(diǎn)的河口村水庫工程大壩施工數(shù)字化管理系統(tǒng)——GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)壩體填筑進(jìn)行全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控,以實(shí)現(xiàn)對(duì)河口村水庫工程大壩施工進(jìn)行遠(yuǎn)程、移動(dòng)、高效、及時(shí)、便捷的管理與控制,實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工,有效控制工程建設(shè)過程,以提高管理水平與工作效率。

3 GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)基本構(gòu)架及其主要功能

GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)最早在湖北清江水布埡水庫大壩工程開始使用,其他水利樞紐工程施工中很少使用,其在全國大型水利工程的應(yīng)用尚未成熟及完善。該工程借鑒電力系統(tǒng)大型項(xiàng)目的管理經(jīng)驗(yàn),通過邀請(qǐng)國內(nèi)有類似經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)開發(fā)方進(jìn)行洽談比選,最終選定天津大學(xué)作為本系統(tǒng)的研發(fā)單位。

該GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由總控中心、現(xiàn)場分控站、GPS基準(zhǔn)站、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和碾壓機(jī)械監(jiān)測終端等部分組成,主要實(shí)現(xiàn)的功能:一是動(dòng)態(tài)監(jiān)測倉面碾壓機(jī)械運(yùn)行軌跡、速度、激振力和碾壓高程等,并在大壩倉面施工二維數(shù)字地圖上可視化顯示,同時(shí)可供在線查詢。二是實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)倉面任意位置處的碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度等,并在大壩倉面施工數(shù)字地圖上可視化顯示,同時(shí)可供在線查詢。三是當(dāng)碾壓機(jī)械運(yùn)行超速,激振力不達(dá)標(biāo)時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)給車輛司機(jī)、現(xiàn)場監(jiān)理和施工人員發(fā)送報(bào)警信息;當(dāng)碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度不達(dá)標(biāo)時(shí),系統(tǒng)可提示不達(dá)標(biāo)的詳細(xì)內(nèi)容以及所在空間位置等,并在現(xiàn)場監(jiān)理分控站PC監(jiān)控終端上醒目提示,以便及時(shí)指示返工或調(diào)整,同時(shí)把該報(bào)警信息寫入施工異常數(shù)據(jù)庫備查。四是在每倉施工結(jié)束后,輸出碾壓質(zhì)量圖形報(bào)表,包括碾壓軌跡圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實(shí)厚度圖和壓實(shí)高程圖等,作為質(zhì)量驗(yàn)收的輔助材料。五是可在總控中心和現(xiàn)場監(jiān)理分控站對(duì)大壩混凝土碾壓情況進(jìn)行監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、現(xiàn)場“雙監(jiān)控”。六是把整個(gè)建設(shè)期所有施工倉面的碾壓質(zhì)量信息保存至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

4 面板堆石壩填筑碾壓過程實(shí)時(shí)監(jiān)控的方法

通過安裝在碾壓機(jī)械上的監(jiān)測終端,實(shí)時(shí)采集碾壓機(jī)械的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)、激振力輸出狀態(tài),經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中;然后,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn),服務(wù)器端的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)分析判斷碾壓機(jī)的行車速度、激振力輸出是否超標(biāo);接著,現(xiàn)場分控站和總控中心的監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線WiFi網(wǎng)絡(luò),讀取上述數(shù)據(jù),進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)時(shí)計(jì)算和分析,包括壩面碾壓質(zhì)量參數(shù)(含行車軌跡、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)高程和壓實(shí)厚度)的實(shí)時(shí)計(jì)算和分析;再將這些實(shí)時(shí)計(jì)算和分析的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)作比較,根據(jù)偏差,指導(dǎo)相關(guān)人員做出現(xiàn)場反饋并采取控制措施。

面板堆石壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控的方法具體包括12個(gè)階段,如圖2所示。

第一階段,確定施工倉面,進(jìn)行倉面劃分。

根據(jù)要監(jiān)控的倉面所在分區(qū),以及倉面預(yù)計(jì)碾壓后的高程,生成該高程下該分區(qū)的數(shù)字地圖,然后在該層面上根據(jù)實(shí)際的施工區(qū)域(由控制點(diǎn)施工坐標(biāo)確定)進(jìn)行倉面劃分。倉面控制點(diǎn)坐標(biāo)來源于施工單位呈報(bào)的開倉計(jì)劃表及準(zhǔn)填證。

圖2 填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控的步驟圖

根據(jù)大壩體形和分區(qū)設(shè)計(jì),建立大壩分區(qū)三維模型,然后將三維模型和不同高程面做平面剖切,可得到各分區(qū)所有高程倉面的數(shù)字地圖。

第二階段,設(shè)定監(jiān)控倉面的屬性,開始接收監(jiān)測信息。

對(duì)劃分好的倉面進(jìn)行屬性設(shè)置,包括輸入倉面名稱,進(jìn)行施工車輛綁定,確定該倉面施工的碾壓機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)和向該倉面供料的運(yùn)輸車輛標(biāo)識(shí)號(hào)。

打開該倉面的數(shù)字地圖,施工開始,準(zhǔn)備接收碾壓機(jī)械的監(jiān)測信息。

第三階段,碾壓過程信息自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)發(fā)送。

通過安裝在碾壓機(jī)械上的高精度GPS接收機(jī),按設(shè)定的時(shí)間間隔(如1s)定位碾壓機(jī)械當(dāng)前坐標(biāo)(x,y,z),并通過無線電信號(hào),接收GPS基準(zhǔn)站發(fā)送的坐標(biāo)差分信息,修正當(dāng)前坐標(biāo);同時(shí),通過激振力實(shí)時(shí)采集裝置,實(shí)時(shí)識(shí)別當(dāng)前碾壓機(jī)械輸出的激振力狀態(tài)信號(hào),將修正后的碾壓機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)、當(dāng)前時(shí)間及激振力輸出狀態(tài),通過GSM模塊,經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

第四階段,根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料,預(yù)先設(shè)定堆石壩填筑施工參數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn);然后,分別進(jìn)入第5、7階段。

第五階段,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn),服務(wù)器端的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)分析判斷施工過程參數(shù)是否達(dá)標(biāo),如達(dá)標(biāo),分別進(jìn)入第11、12階段,否則進(jìn)入下一階段。

第六階段,過程報(bào)警:對(duì)超速、激振力不符合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行報(bào)警,然后進(jìn)入第10階段。

在現(xiàn)場分控站和總控中心的監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)上,會(huì)發(fā)出相同報(bào)警信息。

第七階段,現(xiàn)場分控站或總控中心實(shí)時(shí)計(jì)算和監(jiān)控施工質(zhì)量參數(shù),包括碾壓遍數(shù)、碾壓高程、壓實(shí)厚度在內(nèi)的壩面碾壓質(zhì)量參數(shù)。

第八階段,將實(shí)時(shí)計(jì)算得到的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)作比較,分析判斷碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度是否符合標(biāo)準(zhǔn),若符合標(biāo)準(zhǔn),分別進(jìn)入第11、12階段,否則進(jìn)入下一階段。

第九階段,對(duì)碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度進(jìn)行結(jié)果控制。

當(dāng)碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí),通過現(xiàn)場分控站和總控中心的監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)發(fā)出提示信息。

第十階段,現(xiàn)場施工質(zhì)量的反饋與控制。

當(dāng)監(jiān)控的施工質(zhì)量參數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí),現(xiàn)場監(jiān)理和施工人員采取相應(yīng)的施工調(diào)整措施和補(bǔ)救措施。對(duì)于過程報(bào)警,現(xiàn)場監(jiān)理指導(dǎo)施工人員和司機(jī)糾正速度及激振力。對(duì)于結(jié)果控制指標(biāo),當(dāng)碾壓遍數(shù)不足或壓實(shí)厚度過大時(shí),現(xiàn)場監(jiān)理通過對(duì)講機(jī)給施工人員發(fā)出指令,進(jìn)行補(bǔ)碾。

第十一階段,倉面單元施工結(jié)束時(shí),輸出監(jiān)控結(jié)果,作為質(zhì)量驗(yàn)收的材料。

輸出監(jiān)控結(jié)果,包括反映超速和激振力不符合標(biāo)準(zhǔn)軌跡的碾壓軌跡線圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實(shí)厚度圖、壓實(shí)高程圖等。

第十二階段,將施工倉面的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中,供后續(xù)查詢和分析。

5 GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果

該GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)有效運(yùn)行22個(gè)月,共完整監(jiān)控了主堆料區(qū)的697個(gè)倉面,次堆料區(qū)的211個(gè)倉面,過渡料區(qū)的284個(gè)倉面,排水帶區(qū)的2個(gè)倉面,反濾料區(qū)的6個(gè)倉面,共1200個(gè)倉面的填筑碾壓過程進(jìn)行了完整的監(jiān)控。完整監(jiān)控下的倉面振碾標(biāo)準(zhǔn)遍數(shù)及以上的碾壓區(qū)域面積比率平均值為96.14%。碾壓后經(jīng)過試坑法取樣驗(yàn)證,僅有2倉干密度略低于設(shè)計(jì)值,經(jīng)補(bǔ)碾后達(dá)到設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了對(duì)壩體的填筑碾壓施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

6 結(jié)論

河南省河口村水庫工程大壩填筑碾壓質(zhì)量GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的成功應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了4個(gè)目標(biāo):第一,對(duì)河口村水庫工程大壩建設(shè)質(zhì)量(壩面碾壓填筑)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)數(shù)字化監(jiān)控。第二,實(shí)現(xiàn)業(yè)主和監(jiān)理對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量的深度參與和精細(xì)管理。通過系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控,不僅使業(yè)主放心工程質(zhì)量,有效掌控施工進(jìn)度,而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度控制的快速反應(yīng)。第三,有效提升河口村水庫工程建設(shè)的管理水平,實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的創(chuàng)新化管理,為打造優(yōu)質(zhì)精品工程提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。第四,對(duì)壩體填筑質(zhì)量和進(jìn)度信息進(jìn)行集成管理,為大壩樞紐的竣工驗(yàn)收、安全鑒定及今后的運(yùn)行管理提供信息集成平臺(tái)。

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