唐 文, 柳 啟 超

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 611130)

0 引 言

目前,土石壩是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。由于土石壩具有良好的適用性和經(jīng)濟性,近幾十年來土石壩工程建設(shè)在我國得到迅速發(fā)展,特別是近十幾年來糯扎渡、長河壩、猴子巖、兩河口、雙江口等200/300 m級的大型土石壩相繼建設(shè),翻開了我國土石壩建設(shè)的新篇章。

通常來說,土石壩一般具有如下典型特點:

(1)就地取材,造價經(jīng)濟,節(jié)省鋼材﹑水泥和木材等重要建筑材料,同時減少了筑壩材料的遠途運輸;

(2)結(jié)構(gòu)簡單,便于維修、加高和擴建;

(3)壩身是土石散粒體結(jié)構(gòu),有適應(yīng)變形的良好性能,因此,對地基的要求低;

(4)施工技術(shù)簡單,工序少,便于組合機械快速施工。

由于土石壩壩體是土石散粒體結(jié)構(gòu),主要由砂、土、石料等原材料經(jīng)過分層鋪填和碾壓形成,所以如何確保壩體(特別是200/300 m級高壩)的填筑質(zhì)量對大壩(甚至是整個工程)的安全運行起著至關(guān)重要的作用。

1 引入數(shù)字化碾壓監(jiān)控的必要性

眾所周知,土石壩填筑施工影響施工質(zhì)量最關(guān)鍵的兩個因素就是料源質(zhì)量(料源的顆粒級配、抗壓強度、土料含水率等方面)與碾壓作業(yè),所以,在做好料源質(zhì)量管控之外,控制好土石壩填筑過程中的碾壓環(huán)節(jié),對于土石壩的填筑質(zhì)量起著決定性的作用。

土石壩填筑碾壓后進行質(zhì)量檢測(取樣檢測)的部位和方量相對于填筑區(qū)域和填筑方量來說,是極其微小的比例,所以,要保證壩體的填筑質(zhì)量,最重要的關(guān)鍵因素之一就是要嚴(yán)格保證設(shè)計要求的碾壓參數(shù)在相應(yīng)的填筑區(qū)域能夠落實到位。以往的土石壩填筑碾壓環(huán)節(jié)主要由人工守著振動碾來記錄碾子對相關(guān)區(qū)域的碾壓過程,但其中存在著幾個比較突出的弊端:

(1)不同填料區(qū)域的碾壓參數(shù)要求不盡相同,進行人工記錄的人員不可能同時觀察記錄多臺碾子的碾壓行進情況,如果要保證相關(guān)區(qū)域的碾壓滿足設(shè)計要求,勢必要投入大量的人力來單獨對碾子的碾壓行進情況進行不間斷的連續(xù)記錄。同時,記錄的人員可能因為長時間從事這單一、枯燥的活動而產(chǎn)生心理疲勞或視覺疲勞,對碾壓過程記錄的敏銳性和準(zhǔn)確性大打折扣,導(dǎo)致對某一區(qū)域碾壓過程的記錄不準(zhǔn)確;容易造成對某些部位的碾壓遍數(shù)不夠。

(2)人工記錄無法準(zhǔn)確判斷出碾子的振動狀態(tài)(可以判斷出碾子碾壓行進時是否開啟振動,但在碾子振動時無法及時準(zhǔn)確判斷出碾子到底是低頻高振還是高頻低振),容易因為振動狀態(tài)不正確而影響壩料的碾壓效果。

(3)人工記錄難以判斷碾子行進時是否超速。根據(jù)大多數(shù)土石壩工程來看,一般土石壩填筑碾壓時碾子的行進速度要求在3 km/h(0.83 m/s)左右,但是當(dāng)碾子已經(jīng)超速至4 km/h或5 km/ h時,相對一個龐然大物每秒零點幾米的超速,人眼很難及時作出準(zhǔn)確判斷,可能任其超速行駛較長一段時間而影響壩料碾壓效果。

總而言之,土石壩的建設(shè)需要引入新的技術(shù)手段,對填料碾壓環(huán)節(jié)進行客觀、高效的監(jiān)控,以確保壩體填筑實體質(zhì)量。

2 數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)

目前,國內(nèi)普遍使用的大壩數(shù)字化碾壓實時監(jiān)控系統(tǒng)由天津大學(xué)開發(fā),并負責(zé)系統(tǒng)的運行與維護。

2.1 大壩數(shù)字化碾壓實時監(jiān)控系統(tǒng)的原理

(1)基于GPS定位技術(shù)和無線通信技術(shù),建立大壩區(qū)域的電子地圖,按照壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)將壩體不同高程和不同區(qū)域的施工部位按照填筑層納入電子地圖中。

(2)通過在碾壓機上安裝高精度GPS及振動狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備(振動傳感器),并對碾壓機進行編號后納入管理軟件進行管理,從而對土石壩體碾壓過程中碾壓機的行進軌跡、行進速度、錯距距離、碾壓厚度、碾壓遍數(shù)和振動狀態(tài)等碾壓參數(shù)進行監(jiān)控,同時發(fā)送相關(guān)監(jiān)控數(shù)據(jù)信號至系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫,管理軟件通過對數(shù)據(jù)信號的判斷,顯示相應(yīng)的反饋信息,進而實現(xiàn)對壩體填筑碾壓過程全天候?qū)崟r監(jiān)控,確保土石壩填筑過程中相應(yīng)填筑區(qū)域能夠嚴(yán)格按照設(shè)計要求的碾壓參數(shù)完成碾壓作業(yè),保證和提升土石壩填筑的施工質(zhì)量。

2.2 該系統(tǒng)的主要功能

(1)實時動態(tài)監(jiān)測碾壓機械運行軌跡,自動監(jiān)測記錄碾壓機械在壩面上的碾壓遍數(shù)、行駛速度及振動狀態(tài),并在壩面施工數(shù)字地圖上可視化顯示。

(2)動態(tài)監(jiān)測大壩各區(qū)各層填筑料的壓實厚度。

(3)將上述動態(tài)數(shù)據(jù)自動寫入數(shù)據(jù)庫,以備后續(xù)應(yīng)用分析。

(4)根據(jù)自動測量的施工數(shù)據(jù),對大壩填筑過程進行實時監(jiān)控。當(dāng)填筑過程中的鋪層厚度超過規(guī)定或有漏碾、超速和振動狀態(tài)不正確時,能夠自動醒目地提示施工管理人員和質(zhì)量監(jiān)理人員,以便他們及時指示返工或調(diào)整,使施工質(zhì)量在整個施工過程中始終處于受控狀態(tài)。

(5)監(jiān)控站可對大壩填筑現(xiàn)場運行的碾壓機械進行實時監(jiān)控。

3 大壩數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

引進和使用大壩數(shù)字化碾壓實時監(jiān)控系統(tǒng)的目的在于保證按照設(shè)計要求的碾壓參數(shù)完成一填筑層和每一碾壓單元(碾壓區(qū)域)的碾壓作業(yè)。具體應(yīng)用過程如下:

(1)制定碾壓單元的碾壓合格(關(guān)倉)標(biāo)準(zhǔn):碾壓遍數(shù)具體到每一碾壓單元,碾壓后滿足“標(biāo)準(zhǔn)碾壓遍數(shù)”要求的區(qū)域面積在本碾壓單元中的比率:堆石料不低于90%,反濾料不低于90%,過渡料不低于90%,心墻防滲土料不低于95%;且不存在明顯和集中漏壓的部位(注:“標(biāo)準(zhǔn)碾壓遍數(shù)”指的是:在限定行進速速、設(shè)定振動狀態(tài)下,振動碾對某一碾壓條帶完成設(shè)定碾壓遍數(shù)后,才能稱為這一條帶的“標(biāo)準(zhǔn)碾壓遍數(shù)”) 。

(2)施工方和管理方都應(yīng)培訓(xùn)和配備足夠的監(jiān)控系統(tǒng)管理操作人員,到監(jiān)控站作為該系統(tǒng)管理操作的終端監(jiān)控員,并能熟練操作監(jiān)控系統(tǒng)。

(3)對該碾壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置管理權(quán)限(密碼由管理方監(jiān)控員保管),只有管理方監(jiān)控員才有權(quán)進行碾壓參數(shù)的設(shè)定、碾壓設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)配和開啟監(jiān)控啟動鍵;而施工方監(jiān)控員只能在監(jiān)控程序啟動后對碾壓監(jiān)控過程進行實時監(jiān)測和讀取存在問題的提示,避免施工方私自打開系統(tǒng)進行碾壓監(jiān)控。系統(tǒng)配置兩臺以上的電腦用于碾壓監(jiān)控,一臺作為管理方監(jiān)控員進行系統(tǒng)管理使用,其他電腦作為施工方監(jiān)測使用。

(4)經(jīng)施工現(xiàn)場工序驗收確認可以進入碾壓工序后,由管理方監(jiān)控員完成擬碾壓單元(區(qū)域)的范圍劃定、碾壓設(shè)備調(diào)配和碾壓參數(shù)設(shè)定,才能啟動碾壓監(jiān)控,進入碾壓監(jiān)控狀態(tài)。

(5)在碾壓監(jiān)控過程中,如發(fā)現(xiàn)碾子行進速度超速和振動狀態(tài)不正確,監(jiān)控窗口會彈出相應(yīng)的報警提示,監(jiān)控員應(yīng)立即使用對講機通知碾壓現(xiàn)場給予糾正,同時,查清發(fā)生報警的原因,由管理方監(jiān)控員填寫報警閉合意見。例如:是碾子轉(zhuǎn)場或出場加油等原因引起超速,還是碾壓過程中確實存在超速行駛?

(6)每一碾壓區(qū)域(或碾壓單元)在結(jié)束碾壓作業(yè)和關(guān)閉該單元(或碾壓區(qū)域)監(jiān)控之前,在系統(tǒng)內(nèi)打開監(jiān)控效果圖,由管理方監(jiān)控員和施工方監(jiān)控員共同檢查確認:該單元(區(qū)域)的碾壓效果是否達到碾壓合格標(biāo)準(zhǔn)?是否存在局部漏碾和碾壓遍數(shù)不夠的情況?如果不存在,則可以結(jié)束碾壓,關(guān)閉對該單元(區(qū)域)的監(jiān)控。如果存在則繼續(xù)對相關(guān)部位進行補壓,直至該單元(或區(qū)域)碾壓效果達到合格標(biāo)準(zhǔn)。

4 效果檢測

(1)由于大壩數(shù)字化實施碾壓監(jiān)控系統(tǒng)具有動態(tài)實時顯示碾壓狀態(tài)和直觀反映相關(guān)碾壓區(qū)實際碾壓效果等顯著特點,通過大壩數(shù)字化實時碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范使用,能夠保證對每一個碾壓單元(區(qū)域)切實嚴(yán)格按照設(shè)計要求的碾壓參數(shù)完成相應(yīng)填筑區(qū)域的碾壓作業(yè)。因此,在系統(tǒng)監(jiān)控下振動碾的行進軌跡清晰、整齊和規(guī)范,達到標(biāo)準(zhǔn)碾壓遍數(shù)面積的比例保證在95%以上(甚至可達99%以上)。

(2)在傳統(tǒng)人工監(jiān)控模式下,完成碾壓作業(yè)后因壓實度不滿足設(shè)計要求而需要返工補壓的情況時有發(fā)生,但經(jīng)該系統(tǒng)監(jiān)控完成碾壓作業(yè)的部位,因壓實度不滿足設(shè)計要求而返工補壓的情況極少發(fā)生。這說明碾壓監(jiān)控系統(tǒng)相較于人工監(jiān)控模式確實更能有效地促進和保證土石壩填筑碾壓質(zhì)量。

(3)通過該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)植柯┠?或碾壓遍數(shù)不達標(biāo))的部位實現(xiàn)精準(zhǔn)高效的補充碾壓,避免盲目補壓降低施工效率和浪費施工資源。同時,該系統(tǒng)能夠解放出大量人力資源和提高工程管理效率。

5 結(jié) 語

引入并使用前沿科技是現(xiàn)代工程得以向前發(fā)展和向上提升的必經(jīng)之路,大壩數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)是土石壩工程施工管理現(xiàn)代化的需要,也是數(shù)字化時代土石壩施工管理和質(zhì)量管控的必然趨勢。大壩數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)能夠客觀、精準(zhǔn)和高效地對土石壩填筑碾壓環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動監(jiān)控,對提高土石壩的填筑質(zhì)量發(fā)揮了積極、良好的促進與保證作用。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用,有效地推動了水電工程建設(shè)行業(yè)加快進度、節(jié)約造價、保證質(zhì)量和提升管理水平。