王 成，時(shí)夢(mèng)楠，馮玉峰，由廣昊，劉建坤

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司重慶分公司，重慶401147；3.四川大唐國(guó)際甘孜水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川康定 626001；4.中國(guó)電建集團(tuán)中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081）

0 引言

土石壩由于其可以就地取材，而且其散粒體結(jié)構(gòu)的壩體可以良好的適應(yīng)變形，同時(shí)能夠適應(yīng)各種氣候條件。因此，土石壩已經(jīng)成為應(yīng)用非常廣泛的一種壩型。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已經(jīng)建成的9萬(wàn)多座水庫(kù)大壩中，90%以上的都是土石壩[1]。在水利水電工程建設(shè)中，高度超過(guò)200 m的高壩建設(shè)一直是一個(gè)世界級(jí)難題[2]。而且在強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層地基上建造200 m以上的高土石壩，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例。長(zhǎng)河壩水電站大壩最大壩高240 m，高礫石土心墻堆石壩在建設(shè)過(guò)程中工程量大，工序之間相互干擾、壩料種類繁多的問(wèn)題在強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層地質(zhì)施工條件下表現(xiàn)得尤為突出，對(duì)施工質(zhì)量提出了更高的要求。高壩建設(shè)過(guò)程中的施工質(zhì)量控制、信息采集、安全及綜合管理成為高壩施工面臨的主要問(wèn)題[2]。

目前，關(guān)于施工質(zhì)量控制領(lǐng)域的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有相關(guān)成果和應(yīng)用實(shí)踐。在國(guó)外，Robert D.Horan等通過(guò)智能壓實(shí)技術(shù)（Intelligent Compaction Technology）來(lái)提高瀝青混凝土路面施工的質(zhì)量控制，相比于傳統(tǒng)的碾壓施工過(guò)程，智能碾壓技術(shù)的引進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)碾壓信息的實(shí)時(shí)反饋，并且防止超碾導(dǎo)致的剪切破壞和材料膨脹，同時(shí)通過(guò)得到整個(gè)碾壓區(qū)域的彩色編碼圖可以直觀反映全部碾壓區(qū)域的壓實(shí)度情況[3]。Balunaini Umashankar等針對(duì)道路施工質(zhì)量控制過(guò)程中傳統(tǒng)沙錐實(shí)驗(yàn)的缺陷，提出了采用便攜式彎沉儀測(cè)量的路面彈性模量來(lái)進(jìn)行質(zhì)量控制的方法。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，彈性模量和沙錐實(shí)驗(yàn)測(cè)量的路面原位密度具有很高的相關(guān)性。因此，采用便攜式彎沉儀進(jìn)行施工質(zhì)量控制，提高了檢測(cè)的效率[4]。國(guó)外關(guān)于施工質(zhì)量監(jiān)控的研究中，主要集中于公路基面的碾壓方面，在國(guó)內(nèi)，信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)等在水電工程中已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。金沙江梨園水電站大壩建設(shè)過(guò)程中[5]，開(kāi)發(fā)的混凝土面板堆石壩填筑施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在碾壓機(jī)行駛速度、激振力、壓實(shí)厚度、上壩運(yùn)輸以及碾壓遍數(shù)達(dá)標(biāo)率等施工質(zhì)量控制方面起到了較好的監(jiān)控作用，達(dá)到了輔助控制大壩填筑施工質(zhì)量的目標(biāo)。針對(duì)心墻堆石壩的建設(shè)施工過(guò)程質(zhì)量管理控制的空白，在糯扎渡水電站心墻堆石壩建設(shè)中，以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了“數(shù)字大壩”施工質(zhì)量管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了信息化、精確化和高效化管理[6]。但是在強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層地基上建造200 m以上的高土石壩，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例，大渡河長(zhǎng)河壩處于強(qiáng)地震帶和深厚覆蓋層地基上，其施工質(zhì)量管理系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)監(jiān)控與管理提出了更高的要求。

1 工程概況

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第10級(jí)電站，是一等大型水電工程，主要由礫石土心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪系統(tǒng)等組成。電站的總裝機(jī)容量2 600 MW，正常蓄水位下庫(kù)容為10.75億m3，壩頂高程1 697 m，最大壩高240 m。作為一座在強(qiáng)震區(qū)、深厚覆蓋層地基上建造的200 m以上的高土石壩，碾壓施工質(zhì)量的控制至關(guān)重要。施工質(zhì)量控制指標(biāo)主要包括3種：結(jié)果控制指標(biāo)、料源控制指標(biāo)和過(guò)程控制指標(biāo)[7]。在大壩碾壓施工現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)果控制指標(biāo)主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)刀試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果控制，由于取樣的隨機(jī)性和不全面性，不能完全反應(yīng)倉(cāng)面碾壓的質(zhì)量。同時(shí)采取監(jiān)理旁站和現(xiàn)場(chǎng)人員巡檢的方式進(jìn)行過(guò)程指標(biāo)控制，受人為主觀影響因素較大。因此長(zhǎng)河壩水電工程迫切需要實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩碾壓施工過(guò)程的信息實(shí)時(shí)、在線、全天候的管理以及分析，從而為實(shí)現(xiàn)大壩碾壓全過(guò)程質(zhì)量實(shí)時(shí)、在線、自動(dòng)、高精度的監(jiān)控與管理提供科學(xué)支撐。長(zhǎng)河壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)施工質(zhì)量控制手段無(wú)法實(shí)時(shí)、在線、全天候的控制施工質(zhì)量的問(wèn)題，對(duì)滿足長(zhǎng)河壩水電工程填筑施工要求、保證大壩填筑質(zhì)量處于受控狀態(tài)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)河壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由6個(gè)部分組成，分別是總控中心、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)分控站、定位基準(zhǔn)站、碾壓監(jiān)控流動(dòng)站以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等?？偪刂行闹饕ㄍㄐ畔到y(tǒng)、安全備份系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)，是監(jiān)控系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)場(chǎng)分控站由通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、圖形工作站監(jiān)控終端和雙向通信設(shè)備等組成，監(jiān)理人員負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)分控站值守，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控碾壓質(zhì)量，并指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的碾壓質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行糾偏。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和備份中心。定位基準(zhǔn)站主要由UPS設(shè)備、GPS接收機(jī)、差分電臺(tái)、衛(wèi)星天線以及差分天線組成。碾壓監(jiān)控流動(dòng)站可以獲取壩面填筑施工過(guò)程中碾壓機(jī)三維時(shí)空坐標(biāo)和碾壓機(jī)激振力狀態(tài)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)將數(shù)據(jù)上傳至總控中心進(jìn)行解算可以得到碾壓機(jī)械的碾壓速度、碾壓遍數(shù)以及鋪筑層厚度等碾壓參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

長(zhǎng)河壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合礫石土心墻堆石壩施工質(zhì)量操作需求，對(duì)大壩碾壓施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)控，在確保規(guī)范規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目和有利于發(fā)揮依托技術(shù)潛力的條件下，使大壩施工質(zhì)量始終處于系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋控制，改變了傳統(tǒng)粗放的管理模式。長(zhǎng)河壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如下：

1）實(shí)現(xiàn)大壩施工過(guò)程信息實(shí)時(shí)自動(dòng)化采集與精細(xì)化監(jiān)控

傳統(tǒng)的大壩施工信息以不同的方式儲(chǔ)存在非電子媒介上，對(duì)信息的后續(xù)利用和開(kāi)發(fā)造成極大不便。長(zhǎng)河壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)大壩施工過(guò)程信息中的碾壓機(jī)械運(yùn)行軌跡、行駛速度、激振力狀態(tài)以及碾壓高程等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、遠(yuǎn)程的監(jiān)控與采集。采用高精度的設(shè)備結(jié)合動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，進(jìn)一步解決過(guò)程信息的正確性、精確性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化監(jiān)控。

2）實(shí)現(xiàn)大壩施工質(zhì)量等信息的數(shù)字化

綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)GIS和全球定位系統(tǒng)GPS等技術(shù)，在碾壓施工結(jié)束以后輸出碾壓軌跡圖、碾壓遍數(shù)圖、壓實(shí)厚度圖以及碾壓層高程圖等，作為監(jiān)理單位驗(yàn)收的材料實(shí)現(xiàn)了施工質(zhì)量等信息的直觀化和數(shù)字化。這些信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)后，可以方便后續(xù)的使用和查閱。

3）大壩質(zhì)量精細(xì)化控制和管理

長(zhǎng)河壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量控制的快速反應(yīng)，建立了完善的施工異常情況報(bào)警與反饋機(jī)制，為保證大壩施工質(zhì)量始終處于受控狀態(tài)提供技術(shù)支持；實(shí)現(xiàn)業(yè)主和監(jiān)理等參建單位對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量管理活動(dòng)的深度參與，有效地提升工程建設(shè)的管理水平，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)管理模式的創(chuàng)新，為打造優(yōu)質(zhì)工程提供強(qiáng)有力的科學(xué)途徑[8]。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用與分析

3.1 系統(tǒng)硬件建設(shè)

現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)硬件建設(shè)主要分為：

1）營(yíng)地總控中心建設(shè)?？偪刂行挠?jì)劃安置在業(yè)主營(yíng)地新建的監(jiān)理辦公樓內(nèi)，安裝有投影系統(tǒng)，總控中心現(xiàn)監(jiān)理辦公樓二層。機(jī)房?jī)?nèi)共有3臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)及UPS。

2）GPS差分基準(zhǔn)站建設(shè)。GPS差分基準(zhǔn)站建設(shè)在左壩肩1 765 m高程處。

3）碾壓機(jī)械監(jiān)控終端。碾壓機(jī)械高精度設(shè)備安裝于自行碾，并已針對(duì)全部碾壓機(jī)完成激振力監(jiān)測(cè)裝置的安裝和駕駛室報(bào)警裝置的安裝。

4）現(xiàn)場(chǎng)分控站建設(shè)?，F(xiàn)場(chǎng)分控站位于左岸3～2號(hào)洞處觀禮臺(tái)位置。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用流程

1）在大壩填筑碾壓倉(cāng)面施工開(kāi)始前，由施工單位人員提交分控站該倉(cāng)面要求的質(zhì)量參數(shù)、監(jiān)控區(qū)域、碾壓機(jī)械配置等，現(xiàn)場(chǎng)分控站人員據(jù)此進(jìn)行監(jiān)控參數(shù)的設(shè)定。

2）監(jiān)控參數(shù)設(shè)定以后，現(xiàn)場(chǎng)按照派遣的車輛要求等進(jìn)行施工，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)整個(gè)倉(cāng)面進(jìn)行監(jiān)控。分控站監(jiān)理通過(guò)碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的碾壓施工質(zhì)量。

3）在碾壓施工現(xiàn)場(chǎng)存在碾壓機(jī)械超速、激振力不達(dá)標(biāo)或者漏碾的情況時(shí)候，客戶端會(huì)提醒分控站人員進(jìn)行及時(shí)糾偏，同時(shí)由監(jiān)理指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)存在漏碾的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)碾直到達(dá)到監(jiān)控參數(shù)設(shè)定的要求。

4）開(kāi)倉(cāng)的倉(cāng)面達(dá)到關(guān)倉(cāng)要求后，由質(zhì)檢人員對(duì)碾壓倉(cāng)面進(jìn)行隨機(jī)取樣試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)提示的質(zhì)量可能不達(dá)標(biāo)的危險(xiǎn)區(qū)域追加取樣，進(jìn)一步提高碾壓倉(cāng)面的填筑質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)原有質(zhì)量控制方法的優(yōu)化。

5）監(jiān)理人員在各項(xiàng)指標(biāo)合格后關(guān)閉倉(cāng)面監(jiān)控界面，通過(guò)系統(tǒng)軟件生成碾壓圖形報(bào)告。碾壓圖形報(bào)告包括碾壓軌跡圖、碾壓厚度圖、碾壓遍數(shù)圖等，作為質(zhì)量驗(yàn)收的材料。

3.3 系統(tǒng)使用效果分析

根據(jù)長(zhǎng)河壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行成果，以系統(tǒng)運(yùn)行4年時(shí)間內(nèi)（2012年9月12日至2016年8月31日）的壩體填筑碾壓過(guò)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

3.3.1 倉(cāng)面碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)與分析

以心墻區(qū)施工倉(cāng)面為例，取2015年1月1日至2015年12月28日監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。該階段共監(jiān)控心墻區(qū)礫石土施工倉(cāng)面1 218個(gè)，其中全程監(jiān)控施工倉(cāng)面1 172個(gè)。所有全程監(jiān)控的施工倉(cāng)面中，碾壓14遍及以上區(qū)域所占比例最低為95.00%，最高為99.93%，平均為97.34%。根據(jù)“長(zhǎng)河壩水電站施工質(zhì)量監(jiān)控與數(shù)字大壩系統(tǒng)實(shí)施管理辦法”中的相關(guān)規(guī)定，滿足碾壓遍數(shù)要求的區(qū)域其中心墻料碾壓遍數(shù)合格比率不低于95%，因此心墻區(qū)施工倉(cāng)面碾壓遍數(shù)合格。

3.3.2 倉(cāng)面碾壓厚度統(tǒng)計(jì)與分析

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行成果，取2012年9月12日至2016年8月31日監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)字大壩系統(tǒng)監(jiān)控的各倉(cāng)面壓實(shí)厚度均值統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表1。從表1中可以看出監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行期間，倉(cāng)面壓實(shí)厚度處于受控狀態(tài)，滿足控制目標(biāo)。

表1 各倉(cāng)面壓實(shí)厚度均值統(tǒng)計(jì)

3.3.3 系統(tǒng)的有效性分析

長(zhǎng)河壩數(shù)字大壩系統(tǒng)自2012年5月24日投入試運(yùn)行到2016年8月31日停止運(yùn)行，一共完整監(jiān)控了7 429個(gè)倉(cāng)面的碾壓施工情況，從監(jiān)控結(jié)果看，系統(tǒng)很好地控制了碾壓參數(shù)。倉(cāng)面碾壓遍數(shù)合格率均達(dá)到控制要求，碾壓機(jī)行駛超速現(xiàn)象得到有效控制，倉(cāng)面壓實(shí)厚度處于受控狀態(tài)，各分區(qū)倉(cāng)面平均壓實(shí)厚度基本接近標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)對(duì)大壩375個(gè)測(cè)點(diǎn)抽樣進(jìn)行試坑干密度檢測(cè)，干密度檢測(cè)合格率達(dá)到99.73%，滿足控制目標(biāo)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)，首次蓄水至2016年11月22日，大壩上游壩坡表面最大沉降變化量為53.6 mm，下游壩坡表面沉降變化量為11.9 mm，壩頂表面沉降變化量為82.7 mm；大壩沉降變化為上游壩坡表面沉降變形大于下游壩坡表面沉降變形，壩頂表面沉降最大。

大壩心墻區(qū)內(nèi)部最大沉降為2 164 mm，發(fā)生在（縱）0+256.00 m斷面心墻1 590.50 m高程處，首次蓄水以來(lái)，累計(jì)沉降變化量為33.0 mm（下沉）。心墻測(cè)斜管顯示1 645 m高程以上順河向水平位移向上游，左岸堆石體1 615 m高程以上靠近心墻部位向上游位移，右岸堆石體1 585 m高程以上靠近心墻部位向上游位移。未見(jiàn)明顯異常。

從試驗(yàn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)和安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，大壩填筑碾壓質(zhì)量得到了很好的保證。說(shuō)明長(zhǎng)河壩礫石土心墻堆石壩碾壓施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了大壩施工質(zhì)量全過(guò)程、全天候、實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)與控制，確保了大壩工程質(zhì)量始終處于真實(shí)受控狀態(tài)，為長(zhǎng)河壩大壩填筑工程建設(shè)的高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。