智能碾压监测系统在平寨水库堆石坝的应用

2014-03-26，

水利建设与管理 2014年2期

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(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550003)

随着社会经济和科学技术的发展，尤其是填筑碾压设备的不断更新，混凝土面板堆石坝作为水库大坝主要坝型之一，因其具有因地制宜、就地取材、节省投资、环保节能等优势，近几年，在我国水库建设中得到广泛应用。施工中填筑碾压质量的控制，目前还是以碾压过程监控和压后土工检测为主。但是，在传统填筑碾压施工过程中，因为碾压轨迹无法实时显示，碾压过程数据无法记录，所以对于铺料厚度、碾压遍数、碾压搭接、行走速度等碾压参数控制，只能依靠机手的主观判断和经验来实现，监理只能旁站靠眼睛和记忆来监管，且压后土工检测也只是在个别区域进行，无法保证整个作业面压实质量实现均匀性和可靠性。

为加强坝体碾压质量过程控制，贵州省平寨水库大坝施工中，做到碾压施工实时引导、填筑碾压参数实时采集，实现了碾压作业全过程智能监测、碾压参数的自动记录和自动分析。

1 工程概况

贵州省平寨水库工程位于长江流域乌江水系三岔河平寨河段，总库容10.89亿m3，年调水量5.50亿m3。水库大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高162.70m，坝顶长362m，坝顶宽10.60m，填筑工程量约530万m3，筑坝材料为灰岩，比重2650～2710kg/m3。平寨水库是一座以灌溉和城乡供水为主，兼顾发电等综合利用的大型水利工程。

2 智能碾压监测系统介绍

2.1 系统组成

智能碾压监测系统由GPS基准站组件、振动压路机安装组件两大部分构成。GPS基准站组件包括GPS主机、天线、数传电台，GPS基准站架设在控制点上，实时给压路机上的GPS接收机发送差分信号，使智能碾压监测系统能够实时获得厘米级的压路机三维位置信息；安装组件包括GPS接收机、数据接收无线电台、显示控制器、压实传感器以及连接线缆，其安装方法参见图1。黔中水利枢纽工程建立了1套GPS基站，安装了4套振动压路机组件。

图1 智能碾压监测系统安装部件示意图

2.2 系统工作原理

系统运行时，架设在控制点上的GPS基准站，实时向压路机上的接收器发送差分信号，安装在振动压路机顶部的GPS接收机和无线电接收器，接收到GPS卫星信号和基站发送的差分信号时，进行实时厘米级定位，并将当前所处三维位置、碾压遍数、行走速度、作业区域等信息传递到安装在驾驶室的显示控制器上；同时，装在压路机振动轮上的压实传感器，也实时将压实度(CMV值)、振动频率等数据传输到显示控制器，使机手能够实时知道碾压施工信息，指导机手操作(参见图2、图3)。

图3 压路机驾驶室内显示控制器

当一个作业单元或指定作业区结束后，可以利用安装在压路机上的打印机及时打印出碾压报告，报告中包含碾压遍数、摊铺厚度、压实度，以及未达到设定目标值的薄弱区域等信息。同时提取数据，将数据导入到专业的Site Vision Office软件中，能迅速进行碾压质量分析、建立三维数字模型、保存工程信息。

2.3 系统特点

传统的碾压过程控制，主要依赖于机手的操作经验，从而容易出现漏压、过压的情况，碾压完成后，质量检测部门才能按照相应的检测方法进行质量抽检，但由于检测方法耗时长，抽检点密度小，所检测结果不能全面反映整个作业面的压实情况；而智能碾压监测系统能够通过图形和数据实时显示碾压过程，使机手无需再凭猜测和经验施工，实时监测碾压过程中存在的问题，便于及时的整改，加快施工进度。二者功效对比如上页表所示。

传统碾压方式和智能碾压监测系统碾压的功效对比表

3 智能碾压监测系统的应用

3.1 及时分析作业单元碾压质量

在平寨水库大坝填筑过程中，除了实时指导压路机手操作外，还从多个方面及时提供作业单元碾压施工质量数据。一个作业单元(每一作业层)填筑碾压结束后，从压路机控制系统中采集数据导入到SVO软件中，可查看到碾压过程中的所有内容，软件自动生成各类信息报告，如分层碾压遍数视图、当前层高程视图、CMV值视图、单数碾压数据报告等，还可以任意截取断面图查看分析碾压质量，在数据阅读器中可以显示出各作业点厚度、行驶速度等信息。通过图表数据分析，找出施工中存在的问题，及时补救纠偏，总结经验，提高施工管理水平。

以高程1233m作业层碾压结束后生成的图表分析(见图4、图5)，该作业单元碾压持续时间从7月5日22点开始，到7月9日22点30分结束，碾压8遍以上达到96%，平均高程达到1233m，但下游边缘区域较低，通过目标CMV值看出，91%区域已压实，压路机行车速度过快。

图4 高程1233m作业单元碾压遍数、高程视图

图5 高程1233m作业单元CMV值、数据阅读器视图

3.2 直观便捷捕获碾压信息

压路机分层碾压过程数据记录下来后，可为后期的分析、统计、管理提供海量的基础信息。对于智能碾压监测系统采集的原始数据，如果把作业面看成一个数据模型的话，任意点选模型上其中一个单元格，详细信息都显示出来，还可以直接从SVO软件中导出作业面表面。将SVO软件中导出的表面导入到TBC软件中，TBC软件的三维表面显示功能可以直观地查看每月、每天、每时的填筑过程数据。软件还可以自动计算分层填筑工程量、每时段填筑工程量等工程量信息，以供施工进度管理参考。

图6是2012年1～4月每月底填筑表面的三维模型，图中可以直观地看到：1月的填筑面积较小，高程变化不大；从2月开始，填筑面积增大； 3、4月，主要填筑的是大坝上游区，坝体填筑速度较快。

图6 大坝填筑三维表面模型侧视图(2012年1～4月)

图7是2012年3月表面模型视图，从图可以看出，主堆石区迎水面3月的填筑较快，高程从1178m填筑到1230m左右，并可从图中直观看到每个填筑单元的高程变化和位置平移。

图7 大坝2012年3月填筑表面模型图

3.3 CMV值(压实度值)用于碾压质量控制指标分析

智能碾压监测系统的CMV值，是通过压路机振动轮上加装的加速度传感器，实时记录振动时基层反弹硬度计算出来的数值，系统采用CMV值来表达碾压的密实质量。在实际应用中，由于受坝料类别、材料粒径、材料级配、填筑层厚、含水量、碾压设备类型等因素影响，导致智能碾压监测系统采集的CMV值不同，因此在碾压作业前，应根据不同的填料和碾压设备，确定CMV目标值。

在本工程碾压试验时，选择干密度检验合格的实验区，利用压路机弱振约20～25m长，系统自动采集具有代表性的CMV值，作为工程控制的CMV目标值，见图8。经试验，选取的主次堆石区的CMV目标值为52，过渡料区的CMV目标值为65。

图8 主堆石区CMV目标值选取试验视图

采用挖坑灌水法测定的干密度值，与智能碾压监测记录的同一位置的CMV值进行对比：ⓐ选择主堆石区1234.0～1269.2m高程，挖坑法测定干密度36组，平均值2.19g/cm3(设计值为2.16 g/cm3)，最小值2.13g/cm3，不合格点2个，占5.6%；采集对应位置的CMV值，平均值76.5，最小值54.3，小于目标值点2个，占5.6%，详见图9； ⓑ选择次堆石区1233.6～1268m高程，挖坑法测定干密度值30组，平均值2.15g/cm3(设计值为2.11 g/cm3)，最小值2.09g/cm3，不合格点1个，占3.3%；采集对应位置的CMV值30组，平均值73.4，最小值53.9，均大于目标值，见图10； ⓒ选到过渡料区1250.0～1260.4m高程，采用挖坑法测定干密度值18组，平均值2.22g/cm3(设计值为2.21 g/cm3)，最小值2.15g/cm3，不合格点3个，占11.1%；采集对应位置的CMV值18组，平均值77.8，最小值64.1，小于目标值点2个，占11.1%，详见图11。

图9 主堆石区1234.0～1269.2m干密度值与CMV值对比

图10 次堆石1233.6～1268m干密度值与CMV值对比

图11 过渡料区1250.0～1260.4m数据趋势

经过干密度值与CMV值进行对比分析，可以看出：干密度值相对高的点CMV值也相对较高，干密度值相对低的点CMV值也相对较低，即二者的变化趋势基本一致，具有一定的关连性；主次堆石区CMV值97%大于目标值52，平均值为目标值的135%，过渡料区CMV值89%大于目标值65，平均值为目标值的119%，说明CMV目标值的选择基本合理，用该目标值来控制碾压质量是可行的。