刘媛媛

（中国水电建设集团十五工程局有限公司,陕西 西安 710065）

1 工程概况

雷家沟水库坝址位于铜川市漆水河左岸支流武家河中游,宜君县许家峁村移民搬迁安置点上游约1km 的河谷内。雷家沟水库的建设任务是铜川市北市区应急备用水源,同时置换漆水河枯水期水量,修复水生态环境,提升区域生态环境质量,改善城市的生态景观环境。水库枢纽建筑物由大坝、溢洪道、排沙放空洞、引水管道等组成。

拦河坝采用均质土坝,坝顶高程为1019.0 m,最大坝高39 m,坝顶总长234.4 m 坝顶宽度为7 m,最大坝底宽219.4 m；上游坝坡为1∶3.0、下游坝坡1∶2.5。坝体土方填筑量54.33 万m3。

2 选用北斗智能压实监控系统的原因

2.1 大坝填筑压实质量控制要求高

作为土石坝,特别是均质土坝,工程主体质量控制的要点就是碾压质量。国内外已建的类似工程,有些大坝由于主体填筑质量存在问题,后期运行中未能经受住洪水的考验,导致溃坝事故发生,造成重大损失。为此,如何控制好大坝填筑压实质量,是我们工程建设中必须要认真考虑的问题。

雷家沟水库枢纽工程,是铜川市重点水利工程,也是陕西省重点工程。为此,从工程开工之初,高标准、严要求就是工程建设的出发点。采取科学先进的技术措施,强化工程质量管控,成为本工程的关键所在。

2.2 常规质量管控方法及局限性

在土坝施工中,加强填筑碾压过程中的质量控制是保证大坝施工质量的关键环节,其中碾压参数控制对于碾压质量的保证是非常重要的,需要严格控制铺料厚度,碾压遍数及行走速度,并检测振动碾的各项振动参数。但实际施工过程中,目前只能依靠人工方式控制碾压参数,如人工查看碾压遍数和机械行走速度、人工查看碾压搭接情况等,存在一定的随意性,易造成碾压完成后现场压实度检测不合格点数多,需要进行补碾压实。这样往往造成质量管控难度大、工程进度受影响。 随着大方量土坝工程的建设,如果采取常规手段来控制大坝碾压填筑施工质量,将会无法得到新形式下发展的步伐。所以为了能确保以后大方量土坝或堆石坝施工质量得到有效控制,要及时研究一种具有实时性、连续性、自动化、高精度等特点的大坝填筑碾压施工质量监控系统 。

在铜川市雷家沟水库大坝施工中成功应用了北斗智能压实监控系统,为大方量土坝施工质量管理提供了有力实践支撑。该项监控系统的运用,它从本质上解决了人工为主、大规模机械化施工为辅助的监测方式之间的矛盾,对土坝或堆石坝施工中的碾压的各项指标能够全过程、全方位和实时地得到有效监测以及进行反馈控制,确保在土石坝填筑施工中能够确保质量控制能够提高。所在借鉴北斗压实监控系统中,将土坝填筑施工质量控制中的所得到的成功经验,全面分析和设计出一套先进的高精度监控系统对堆石坝施工质量实时动态监控,用于其他土石坝工程质量管控,是非常必要的。

3 北斗智能压实监控系统设计

北斗智能压实监控系统是为了满足工程建设中导航定位、数据通讯、人机交互、数据分析的特殊需求,经科研人员努力而研发的一种智能数据信息系统,该系统可以让操作机手的工作更加直观化、透明化、简便化,更可以让管理人员的工作实时化、数据化、高效化。

北斗智能压实监控系统主要由两大部分组成,分别是车载端和平台端,车载端主要是负责坐标数据的采集和上传并且接收平台处理后的数据。平台端主要是对车载端上传的坐标信息进行处理、转换、分析、统计。

图1 压实系统组成

图2 数据传输分层

数据传输分3 层,感知层主要是车载采集设备采集的坐标信息、压实信息、温度信息等；网络层主要是车载端和服务器数据通讯的方式,主要有4 G、Wifi、gprs 等；物联管理和应用服务层主要是服务器对车载端的数据进行处理、分析、统计等。

4 北斗智能压实监控系统原理

4.1 车载端RTK 定位原理

车载端定位是基于RTK 载波相位差分的原理进行定位,平面定位精度±2.5 cm。定位原理是移动端在接收卫星数据同时还接收基站发出的差分数据从而实现RTK 定位解。作业前需提前架设好基准站保证其覆盖范围包括作业区域（根据不同基站类型覆盖半径1 km~50 km 不等）,作业车辆在作业区域只要接收到基站数据即可实现高精度RTK 解。高精度的RTK 坐标用作压路机的轨迹显示,以及作业遍数显示。

4.2 振动压实原理

依据振动压路机在理想状态下振动的推理,曲线图呈规则的正弦波形,频率中出现基频成分。如果材料被压路机压倒时,那么压路机同样也会受到来自被压材料的反作用力,随着碾压施工一直持续着,碾压遍数会逐渐增加,材料也会被碾压的越来越密实,那么反作用力也会越来越强从而使振动形态不断会发生改变,那么被压材料会变形越来越小形成的波谱曲线就会越来越复杂,结果表明波谱中出现了其他频率的波形,发现这种波形造成的畸变和材料之间同样存在不同的压实程度关系,它能够通过在复杂的波谱中,完全发现代表振动压路机的激励基频信号幅值和代表被压材料的抗力信号幅值,从而明确被压材料实时压实度。服务器接收到震动传感器采集的地面反馈回来的震动波后以此原理可分析出作业区域的实时压实度。

5 北斗智能压实监控系统应用

5.1 项目北斗智能压实监控系统布置及功能

结合雷家沟水库项目大坝填筑施工实际情况,本工程北斗智能压实监控系统设置车载端2 套、基站端1 套、平台端1 套及配套软件系统等。各系统功能如下：

（1）车载端是将安装在碾压机械上的北斗流动站作为移动监测点进行北斗移动观测,主要是观测碾压机械的运行轨迹、运行速度和碾压遍数,实时观测结果及时发送至平台端。能够同时在小型显示屏上查看到碾压机械的运行参数,从而能够指导现场碾压机械操作人员的作业,从而确保了工程的质量。

（2）为了提高北斗系统的监测精度,采用差分北斗技术设置北斗基准站,这项技术是在已知点上架设了一台北斗接收机将它作为基准点实时进行北斗观测,采用数据链的方式将基准站观测的数据和已知位置的信息实时发送至北斗流动站,将其观测数据同时和载波相位差分数据处理信息进行分析汇总,从而计算出流动站的空间具体方位确保定位精度准确。

（3）系统通过无线数据通讯方式,将基准站的差分数据

实时连续的发送给各终端流动站,对反馈的位置信息通过接收各流动站及时收集汇总。为了满足施工需要,在平台端室内的电子显示屏能够实时显示大坝各施工面上碾压机械的精确位置和状态,工作室内也同时对系统的数据处理、分析、储存等一起进行,为了保证管理人员及时查看,对计算分析结果及时打印备存。

5.2 系统的运行管理

（1）对终端设备进行实时查看,检查机械操作室内显示屏是否正常、显示数据及图像是否与现场实际情况相符。

（2）检查基准站是否受到人为或其他因素破坏,及时修复。

（3）通过终端实时监控管理及时发现碾压过程中存在的问题,并通知现场操作人员进行改进错误或不足,并对质量不达标的部位进行补碾。

后台管理主要是对平台端的输出数据进行分析、总结,以便更好的改进现场管理措施,进一步提高工程质量。同时,将该系统运行成果输出,进行整编汇存,作为工程质量评定的原始基础资料,以备查验。后台管理可以安排专人负责,确保更好的监控效果。

5.3 系统的功能

（1）碾压参数控制在碾压过程中,能够实时对碾压的摊铺厚度、碾压机械运行速度和碾压遍数等参数进行全过程进行质量监控,确保工程质量合格。

（2）动态监控碾压施工整个过程可采用可追溯性控制,它对多台碾压机械整个碾压过程记录并能够随时进行调看。一是作为观测资料可确保坝体后期施工和工程运行过程中出现的质量问题,将它作为处理问题的依据；二是可以随时对作业现场的操作人员现场施工实施画面情况随时监控,发现现场违章操作人员也可以随时督促检查并要求要按照施工现场操作规程安全施工,确保碾压过程中质量。

（3）可扩展控制通过现场的科研提升,在北斗监控系统中加上相应功能模块就能够对碾压过程中坝体沉陷、坝顶水平位移、坝踵和坝趾处的应变等外形变化随时做到监测,确保坝体施工和运行期间安全,运用它来指导大坝施工及运行正常。

5.4 本工程系统运行成果

管理人员通过显示屏的图表成果能够清晰明了的研判现场每个碾压机械压实效果,以便发出正确的指令指导现场精准施工,达到事半功倍的效果。

6 取得成效

铜川市雷家沟水库大坝工程通过应用北斗智能压实监控系统,工程质量得到有力保障。施工过程中每层土料压实度检测一次合格率由初期的85%提高至98%以上,大量减少了因局部压实度不达标而进行的补碾,大坝封顶比计划工期提前了25 天,节约资金近70 万元。

7 结语

通过实践证明,北斗智能压实监控系统在大坝填筑碾压质量控制中能够有效控制。通过现场实时、智能、自动和连续的方式对现场碾压施工工序做到全过程的质量、安全监控,确保现场施工质量能够全面达到良好的控制,从而能够满足工程建设中高质量、高强度和快速施工的要求,为同类施工借鉴并值得推广。