李國儒 康建峰

摘要：

為減少人為因素對堆石壩碾壓工程施工質(zhì)量的干擾，提高工作效率、提升水利工程安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)水平，夾巖水利樞紐工程面板堆石壩運(yùn)用了“數(shù)字大壩”碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。通過在碾壓設(shè)備上安裝高精度GNSS接收機(jī)，自動(dòng)記錄堆石壩在碾壓施工過程中的碾壓機(jī)械行走速度、振動(dòng)頻率、碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了碾壓堆石壩施工質(zhì)量的全自動(dòng)控制。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字化技術(shù)，研究成果實(shí)現(xiàn)了施工質(zhì)量全過程控制，有效提高了工程建設(shè)管理水平。

關(guān)鍵詞：

數(shù)字大壩； 堆石壩； 碾壓施工； 實(shí)時(shí)監(jiān)控； 質(zhì)量控制； 進(jìn)度控制； 夾巖水利樞紐工程

中圖法分類號：TV51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.021

文章編號：1006-0081（2023）06-0111-07

0 引 言

在傳統(tǒng)的碾壓施工過程中，通常通過人工現(xiàn)場旁站、人工記錄碾壓數(shù)據(jù)（碾壓機(jī)械行走速度、振動(dòng)頻率、碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度），并在碾壓結(jié)束用試坑法檢測控制干密度和孔隙率，以實(shí)現(xiàn)堆石壩的碾壓施工質(zhì)量管理。這種常規(guī)的施工質(zhì)量管理模式與當(dāng)前堆石壩碾壓施工機(jī)械化程度、施工進(jìn)度、強(qiáng)度要求不相適應(yīng)，同時(shí)壓實(shí)施工質(zhì)量也很難一次性達(dá)到碾壓堆石壩所需的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求［1］。隨著水利工程碾壓壩型施工機(jī)械自動(dòng)化的快速發(fā)展，自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)一步應(yīng)用于水利工程堆石壩以及碾壓混凝土壩的碾壓施工過程中，如長河大壩、龍開口大壩等，均采用了大壩碾壓自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)［2］。然而，大部分水利工程尚未形成3D數(shù)字大壩可視化、全自動(dòng)碾壓監(jiān)測系統(tǒng)以及廠區(qū)視頻監(jiān)控全方位整合的可視化施工管理。夾巖水利樞紐工程在面板堆石壩的施工過程中，采用了3D數(shù)字大壩可視化系統(tǒng)+全自動(dòng)碾壓監(jiān)測系統(tǒng)+廠區(qū)視頻全方位監(jiān)控的技術(shù)手段進(jìn)行碾壓堆石壩施工質(zhì)量的控制。該系統(tǒng)通過在碾壓設(shè)備上安裝高精度GNSS接收機(jī)［3］，可以自動(dòng)記錄堆石壩在碾壓施工時(shí)碾壓機(jī)械行走速度、振動(dòng)頻率、碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度等碾壓數(shù)據(jù)［4］，結(jié)合施工廠區(qū)內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，整理數(shù)據(jù)并在電腦或手機(jī)終端形成3D數(shù)字大壩模型，直觀展示大壩填筑的高程、方量、坡比等工程信息，也可以隨時(shí)調(diào)取、查閱各碾壓單元的碾壓施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了全員、全過程參與施工質(zhì)量管理和碾壓堆石壩全自動(dòng)控制施工質(zhì)量，有效提高了建設(shè)管理水平。在夾巖水利樞紐面板堆石壩施工過程中，通過該套系統(tǒng)的控制管理，提高了施工質(zhì)量、加快了施工進(jìn)度，避免了人為因素的干擾，使夾巖大壩提前20 d實(shí)現(xiàn)封頂。

1 工程概況及系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

夾巖水利樞紐工程為I等大（1）型工程，其中水源工程主要擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，大壩基礎(chǔ)高程1 174.0 m，壩頂高程1 328.0 m，最大壩高154.0 m，最大壩寬454.085 m，壩頂長428.93 m，壩體填筑設(shè)計(jì)總方量約471萬m3。堆石壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用的關(guān)鍵，而實(shí)現(xiàn)大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提是保證大壩施工質(zhì)量。因此，碾壓施工質(zhì)量控制至關(guān)重要。

夾巖水庫混凝土面板堆石壩具有施工條件復(fù)雜、填筑難度大等特點(diǎn)，在大壩施工過程中存在以下困難。

（1） 工程工期緊，大壩填筑碾壓快速施工與高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制之間的矛盾突出。過去人為旁站方式控制大壩填筑碾壓的節(jié)奏緩慢，經(jīng)常與機(jī)械作業(yè)相互干擾，影響工期。

（2） 大壩施工過程中，由于缺乏自動(dòng)化控制手段，常規(guī)人工控制碾壓填筑的方法受人為和外界因素干擾較大，質(zhì)量控制盲點(diǎn)較多，實(shí)現(xiàn)碾壓參數(shù)嚴(yán)格控制較為困難。

（3） 常規(guī)的事后試坑法檢測大壩填筑質(zhì)量的手段無法實(shí)現(xiàn)大壩質(zhì)量控制的實(shí)時(shí)性和及時(shí)性，對大壩施工質(zhì)量偏差難以做出快速反應(yīng)和實(shí)時(shí)糾偏，且常規(guī)試坑檢測手段對大壩連續(xù)快速施工造成一定的干擾，影響大壩填筑施工效率。

（4） 夾巖水庫大壩在建設(shè)過程中涉及非常龐大的信息數(shù)據(jù)，其中進(jìn)度、質(zhì)量、安全監(jiān)測等動(dòng)靜態(tài)信息尤為重要，因此把這些信息進(jìn)行收集、整理、分類、歸檔成為工程建設(shè)管理中需要解決的技術(shù)難題［5］。

基于上述存在問題，夾巖水庫大壩工程聯(lián)合天津大學(xué)，結(jié)合堆石壩碾壓現(xiàn)場實(shí)際情況，共同研發(fā)了1套填筑碾壓過程質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，即數(shù)字化大壩填筑監(jiān)控信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用GPS全球定位系統(tǒng)監(jiān)控上料、碾壓等施工過程［3］，能夠按設(shè)定的參數(shù)對大壩的施工進(jìn)度和質(zhì)量進(jìn)行全天候的監(jiān)控［6］，對大壩填筑碾壓施工的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控并及時(shí)反饋碾壓數(shù)據(jù)成果，可在確保碾壓施工質(zhì)量的同時(shí)加快施工進(jìn)度，并為后期的工程驗(yàn)收、安全鑒定和施工期、運(yùn)行期安全評價(jià)提供強(qiáng)大的信息服務(wù)平臺(tái)，提高建設(shè)管理水平。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 “數(shù)字大壩”信息采集系統(tǒng)

“數(shù)字大壩”由碾壓質(zhì)量數(shù)字化系統(tǒng)、安全監(jiān)測數(shù)字化系統(tǒng)、施工進(jìn)度數(shù)字化系統(tǒng)、樞紐布置數(shù)字化系統(tǒng)、工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、RTK一體化測量系統(tǒng)等6個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

2.2 堆石壩碾壓過程質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能

通過在碾壓機(jī)械上安裝高精度GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機(jī)，可以對大壩的各種壓實(shí)參數(shù)進(jìn)行反饋和監(jiān)控；同時(shí)，依托夾巖壩區(qū)已形成的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字監(jiān)控與視頻場景的聯(lián)合匹配監(jiān)控，如圖2所示。該技術(shù)包括以下功能。

（1） 動(dòng)態(tài)監(jiān)測倉面碾壓機(jī)械軌跡、速度、狀態(tài)及頻率和碾壓厚度等，并在監(jiān)控系統(tǒng)頁面及時(shí)顯示，同時(shí)可供在線查詢。

（2） 實(shí)現(xiàn)任意分區(qū)分段倉面各點(diǎn)的碾壓遍數(shù)和壓實(shí)厚度的自動(dòng)計(jì)算和分析統(tǒng)計(jì)，將各類參數(shù)信息分類并自動(dòng)存檔。

（3） 當(dāng)碾壓機(jī)械的各種參數(shù)不符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出預(yù)警機(jī)制，將不合格的參數(shù)信息以及所在空間區(qū)域位置通過聲光控制報(bào)警、短信等形式自動(dòng)反饋給車輛駕駛員、施工和監(jiān)理人員，以便及時(shí)調(diào)整或返工處理，并且這些報(bào)警信息同時(shí)記入施工異常數(shù)據(jù)庫備查。

（4） 在每分區(qū)分段倉面碾壓合格后，自動(dòng)打印相關(guān)圖形報(bào)表，如碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、壓實(shí)高程以及碾壓速度和振動(dòng)狀態(tài)等，作為單元工程質(zhì)量評定的附件資料。

（5） 匹配壩區(qū)多角度視頻監(jiān)控，全過程監(jiān)控大壩填筑施工，尤其可對異常填筑碾壓作業(yè)進(jìn)行特殊標(biāo)識和清晰觀察。

2.2.2 壓實(shí)監(jiān)測與評估

壓實(shí)監(jiān)測值（CV）可以實(shí)時(shí)反映堆石壩料的壓實(shí)質(zhì)量（如孔隙率和干密度）；車載壓實(shí)監(jiān)測裝置CV儀由碾振加速度傳感器、車載集成控制器、無線通訊模塊、GNSS定位模塊及碾壓機(jī)電源模塊共5個(gè)部分組成［3］，如圖3所示。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)控大壩碾壓過程中各種參數(shù)，開發(fā)大壩壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測與快速評估模塊，具體包括如下功能：

（1） 通過各種傳感器，實(shí)時(shí)采集碾輪振動(dòng)頻率與壓實(shí)監(jiān)測值（CV）并在監(jiān)控頁面實(shí)時(shí)顯示，并可實(shí)現(xiàn)在線查詢；

（2） 根據(jù)建立的大壩壩料干密度與壓實(shí)監(jiān)測值（CV）之間的定量關(guān)系，以及實(shí)時(shí)采集的CV值，快速評估全倉面的被壓壩料干密度；

（3） 在每分區(qū)分段倉面施工結(jié)束后，輸出壓實(shí)監(jiān)測值（CV）圖和壓實(shí)質(zhì)量（干密度）圖，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)監(jiān)測并控制壓實(shí)質(zhì)量。

2.3 手持式施工倉面一體化RTK量測系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以避免人工記錄及不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳送低效的弊端，實(shí)現(xiàn)碾壓開倉-倉面高程-壓實(shí)工程量的一體化量測和全流程數(shù)字化系統(tǒng)無縫銜接［7-8］。系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

（1） 利用手持式RTK測量裝置以及定制開發(fā)的手簿APP，快速采集大壩施工倉面開倉邊界的高精度坐標(biāo)，編輯施工單元屬性（如單元編號等），生成數(shù)字施工倉面，并同步將生成的倉面?zhèn)魉偷竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，供后續(xù)碾壓監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用。

（2） 當(dāng)運(yùn)輸車輛送料完成后，利用手持式RTK測量裝置，實(shí)現(xiàn)壩料松鋪高程和壓實(shí)高程的高精度快速采集（高程精度2 cm，平面精度1 cm），并同步將采集的高程點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，供后續(xù)客戶端分析應(yīng)用。

（3） 利用采集的高程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用空間插值擬合算法，生成松鋪高程和壓實(shí)高程三維DEM（數(shù)字高程模型），統(tǒng)計(jì)平均松鋪高程和壓實(shí)高程、高程偏差等，并可在監(jiān)控客戶端查詢和顯示。

（4） 利用上、下層施工倉面生成的DEM，可以計(jì)算壓實(shí)厚度及壓實(shí)方量，將該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，并集成在碾壓監(jiān)控系統(tǒng)中以供查詢，從而實(shí)現(xiàn)碾壓建倉-松鋪高程-壓實(shí)高程-壓實(shí)方量的一體化快速量測。

3 應(yīng)用成果

大壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)字大壩系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了碾壓質(zhì)量遠(yuǎn)程、自動(dòng)、全過程監(jiān)控；通過對大壩建設(shè)質(zhì)量、進(jìn)度及安全監(jiān)測等動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行可視化管理和數(shù)字化歸檔，為參建各方對工程建設(shè)質(zhì)量的精細(xì)管理和創(chuàng)新管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

3.1 施工質(zhì)量控制成果

大壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)字大壩系統(tǒng)于2017年12月在夾巖水利樞紐工程正式投入運(yùn)行，2019年10月，大壩填筑完成。通過該技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大壩碾壓24 h實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，有效避免了質(zhì)量管理的盲點(diǎn)，加快了碾壓施工進(jìn)度，通過現(xiàn)場挖坑的濕密度值和壓實(shí)CV值雙重標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制，提高了參建各方的質(zhì)量控制效果。

夾巖水利樞紐工程堆石壩運(yùn)用該技術(shù)，全面完整地監(jiān)控了1 691個(gè)倉面的碾壓施工過程情況，超速行駛、振動(dòng)異常、壓實(shí)厚度等均處于受控狀態(tài)，所有倉面碾壓參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。從試坑試驗(yàn)抽檢情況數(shù)據(jù)分析，各分區(qū)一次檢測干密度與孔隙率合格率均在99.5%以上。

夾巖水庫最大壩高154 m，2019年10月完成大壩填筑施工，2020年2月，大壩整體沉降率趨于穩(wěn)定狀態(tài)，填筑期間（2017年12月至2019年10月）平均月沉降量在1.51～4.97 cm之間，填筑完成后到蓄水前（2019年10月至2021年12月）平均月沉降量在0.16～0.24 cm之間；截至2022年8月，水庫已蓄水至1 305 m死水位高程，蓄水后（2018年12月至2022年8月）平均月沉降量在0.04～0.18 cm之間，趨于穩(wěn)定；最大水平位移70.41 mm，未見明顯異常情況；壩體最大沉降量為52.69 cm（2018年12月至2022年8月，在壩高86 m處），占最大壩高（154 m）的0.34%。經(jīng)過比較：水布埡水電站截至2010年4月的沉降量為250.18 cm，占最大壩高（233 m）的1.07%［9］；蒲石河水電站截至2012年4月，沉降量為40.75 cm，占最大壩高（78.5 m）的0.51%［10］；洪家渡水電站截至2004年12月，沉降量為129.68 cm，占最大壩高（179.5 m）的0.72%。綜上所述，夾巖大壩沉降量遠(yuǎn)低于國內(nèi)同類型大壩。

由于夾巖水利樞紐工程各項(xiàng)監(jiān)控信息及數(shù)據(jù)非常龐大，因此本文只取下游堆石區(qū)（3C2）和主堆石區(qū)（3B）的碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、平均干密度及孔隙率以及安全監(jiān)測信息統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示分析。

3.1.1 倉面碾壓遍數(shù)控制情況

運(yùn)用該技術(shù)對大壩填筑碾壓參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。排除施工區(qū)域斷電、斷網(wǎng)及設(shè)備故障等特殊情況，已完成監(jiān)控的所有施工1 691個(gè)倉面的碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)（表1），均滿足設(shè)計(jì)要求（圖5～6）。

3.1.2 倉面壓實(shí)厚度控制情況

完整監(jiān)控的各分區(qū)施工倉面的壓實(shí)厚度情況見表2，可見各分區(qū)的平均壓實(shí)厚度基本處于受控狀態(tài)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7～8所示。

3.1.3 倉面平均干密度和孔隙率控制情況

共錄入1 228條試坑檢測數(shù)據(jù)，各倉面分區(qū)的平均干密度和孔隙率都符合要求，其干密度及孔隙率統(tǒng)計(jì)曲線如圖9～12所示。

3.1.4 安全監(jiān)測數(shù)字化信息統(tǒng)計(jì)情況

安全監(jiān)測信息共錄入128套監(jiān)測設(shè)備的6 834條監(jiān)測數(shù)據(jù)，為安全運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)保障。各沉降儀監(jiān)測到的沉降量統(tǒng)計(jì)曲線如圖13～14所示。

3.2 施工進(jìn)度控制成果

夾巖水利樞紐工程混凝土面板堆石壩共錄入21個(gè)月的數(shù)據(jù)，為大壩施工進(jìn)度分析提供信息支撐。圖15～16是典型時(shí)刻的大壩施工進(jìn)度的二維和三維面貌及相應(yīng)工程量信息。通過對比分析，可以看出下游堆石區(qū)施工超前完成了進(jìn)度任務(wù)，而主堆石區(qū)施工明顯滯后進(jìn)度任務(wù)。滯后的原因是壩踵凹槽處地質(zhì)情況較差，導(dǎo)致基坑開挖處理困難［2］。

4 結(jié) 論

夾巖水利樞紐工程大壩施工采用3D數(shù)字大壩、數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測和廠區(qū)視頻監(jiān)控相結(jié)合的系統(tǒng)，不僅為工程施工和工程建設(shè)管理提供了技術(shù)保障，還為后續(xù)大壩安全運(yùn)行與檔案信息查找等提供了支撐平臺(tái)。該技術(shù)通過大壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控與3D數(shù)字大壩系統(tǒng)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了如下目標(biāo)：

（1） 實(shí)時(shí)在線監(jiān)控填筑碾壓施工過程質(zhì)量等情況，滿足大壩快速填筑施工要求，提前20 d完成大壩填筑目標(biāo)，并且滿足大壩快速填筑、碾壓施工要求；

（2） 在大壩建設(shè)過程中形成了相應(yīng)的數(shù)字化大壩，與鋪填、壓實(shí)工序及評定資料可相互佐證，并保存了相關(guān)原始數(shù)據(jù)；

（3） 參建各方通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)察看大壩填筑和碾壓進(jìn)度、碾壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、分區(qū)分倉情況等信息，更直觀、清晰地展示了大壩填筑質(zhì)量；

（4） 實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)全方位、無盲點(diǎn)管理，打造了一支夾巖水利樞紐工程建設(shè)優(yōu)秀管理團(tuán)隊(duì)；

（5） 截至2022年8月，夾巖水利樞紐工程壩體最大沉降量為52.69 cm，占最大壩高（154 m）的0.34%，沉降趨于穩(wěn)定，沉降量遠(yuǎn)低于國內(nèi)同類型大壩。

2020年5月，夾巖水利樞紐工程數(shù)字大壩及碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)驗(yàn)收，驗(yàn)收組專家認(rèn)為該項(xiàng)目在2 a多的大壩填筑施工過程中，采用了先進(jìn)的國內(nèi)技術(shù)手段，降低了人為因素及外部環(huán)境因素對施工質(zhì)量的干擾影響，大大提高了工程建設(shè)質(zhì)量管理水平，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)的創(chuàng)新管理，也為國內(nèi)同類工程建設(shè)質(zhì)量控制提供了借鑒依據(jù)。

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（編輯：江 燾，高小雲(yún)）

Technology of real-time monitoring for compaction quality of rock-fill dam and digital dam in Jiayan Water Conservancy Project

LI Guoru，KANG Jianfeng

（Engineering Construction Supervision Center of Changjiang Water Resources Commission，Yangtze River Water Conservancy and Hydropower Development Group （Hubei） Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to reduce the interference of human factors on the construction quality of the roller compacted rockfill dam，and improve the working efficiency and raise the standard construction level of safety of Water Conservancy Project，the digital dam with compaction real-time monitoring system was used in the face rock-fill dam of Jiayan Water Conservancy Project.By installing a high-precision GNSS receiver on the rolling equipment，the system could automatically record the compaction data of the rockfill dam during the compaction construction，such as the travel speed of the rolling machine，the vibration frequency，the rolling times and the compaction thickness，thus the construction quality of roller compacted rock-fill dam could be controlled automatically.Through the network and digital technology，the construction quality was controlled during the whole process，and the construction management was improved effectively．

Key words：

digital dam； rock-fill dam； compaction construction； real-time monitoring； quality control； progress control； Jiayan Water Conservancy Project