GPS在糯扎渡電站大壩填筑施工進程控制中的應用

貟小剛，羅 輯

（中國水利水電第四工程局有限公司勘測設計研究院，青海 西寧 810007）

前 言

隨著科技的進步和建設成本的節約，在電站建設和水利工程建設中，大型土壩、大型土石壩、心墻堆石壩、心墻面板壩等各式各樣的大型或特大型土、石壩將越來越多，建筑這些大壩一條重要原則就是必須確保大壩安全，因此，填筑碾壓工藝必須科學、嚴密，以保證填筑質量.

1 工程簡介

云南華能瀾滄江水電有限公司投資建設的糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段八個梯級規劃的第五級，水電站工程屬大型一等工程，工程主要以發電為主，兼防洪、灌溉、養殖和旅游等功能，水庫具有多年調節性能，庫容為237.03×108m3，電站裝機容量5850MW.

電站大壩為粘土心墻堆石壩，壩頂高程為821m，壩頂長630m，壩體基本剖面為中央直立心墻形式，心墻兩側為反濾層，反濾層以外為堆石體壩殼.壩頂寬度為18m，心墻基礎最低建基面高程為560.0m，最大壩高為261.5m，上游壩坡坡度為1:1.9，下游壩坡坡度為1:1.8.

2 堆石壩的心墻填筑工藝

糯扎渡水電站堆石壩的心墻為摻礫石土質心墻，為了使土質心墻達到最佳防滲效果，在大壩填筑前要對選用的土料進行多次碾壓實驗，依據糯扎渡水電站選用的土料為坡積風化紅土，這種土不能直接用于心墻，必須經過改良后才能使用.糯扎渡水電站的土料工藝如下：摻進直徑在5mm～50mm的礫石混合料，再經碾壓，通過多次試驗取得很好的防滲效果.

心墻料選定后的碾壓工藝和工法是否合理和正確是心墻防滲效果好壞的基本保障，摻礫土料碾壓密實度是評定防滲效果的重要指標之一，也是現場質量控制的主要目標，經選用的鋪填料碾壓密實度取決于本身材質如顆粒含量、含水率等，鋪料厚度和碾壓遍數是保證摻礫土料碾壓密實度的重要參數.選用20噸振動碾在鋪料厚度為27cm～30cm情況下，在碾壓機械行進時速不大于3km/h，經8遍振動碾壓后，摻礫土料干密度可達98%，而規范設計要求為97%，這也是設計的最優指標.要達到這個最優設計值，首先是要解決填筑料的內在質量問題，其次還必須要有科學的施工工藝和工法.

施工中的鋪料厚度控制是填筑質量好壞的重要環節，鋪料厚度控制是由測量人員在現場用常規測量方法控制鋪料邊界和厚度（高程）.測量人員24小時現場值班，在鋪料全過程中的工作流程為測量、攤鋪、再測量、再攤鋪直至鋪料厚度、平整度符合設計要求為止.

在填筑料攤鋪完成后，碾壓質量的好壞是填筑質量好壞的關鍵因素之一，而碾壓質量的好壞取決于在規定機械噸位的條件下振動碾行走速度和行走路徑，在施工實踐中，振動碾碾壓遍數（行走路徑）和振動碾行走速度又是現場施工質量較難控制的因素，由于漏碾和超碾而影響碾壓質量的事情時有發生，為了確保工程質量，嚴格控制碾壓機械行走速度和行走路徑，用GPS衛星定位系統對參加作業的碾壓機械進行實時跟蹤，于是GPS監控平臺在糯扎渡水電站碾壓心墻堆石壩質量控制中得到初步應運.

3 GPS測量的基本原理與特點

3.1 系統組成

本系統的硬件設施主要包括GPS衛星信號接收系統、無線網絡數據通訊系統和計算機系統三部分，系統網絡示意圖如圖1所示.

圖1 系統網絡示意圖

3.2 基本原理

GPS定位原理類似于傳統的后方交會，如果在需要的位置架設GPS接收機，在某一時刻同時接收幾顆GPS衛星所發射的信號，即測得衛星到測站點的幾何距離，就可根據后方交會原理確定出測站點的三維坐標.

3.3 GPS系統的主要功能及特點

3.3.1 用途廣泛.GPS定位系統已應用于大地測量，地殼板塊運動監測，各種工程監測網和進行各種工程測量等.其應用有著廣泛的前景，特別是自動變形監測系統、工程施工的自動控制系統是未來應用研究的重要方向.

3.3.2 碾壓參數的實時監控性.碾壓參數主要涉及到各移動遠端碾壓機械的運行軌跡、運行速度和碾壓遍數，要求實時監視，控制施工質量.本系統通訊數據實現了真正意義上的雙向實時傳送，無論是在監控中心、現場分控站，還是在各移動遠端，均可實時顯示碾壓機械的運行軌跡和運行速度.系統監控的觀測數據是連續的，每間隔一定時間解算一次結果，將解算結果按設定比列尺展繪出來，就能代表移動遠端的運行軌跡，同時也滿足系統對監控數據的連續性要求.

3.3.3 精度滿足要求.系統采用GPS技術，其平面位置精度足以滿足碾壓機械的運行軌跡、運行速度和碾壓遍數的計算精度要求；而在高程方向上，系統試驗及應用表明，只要移動遠端至基準站之間距離控制在一定范圍，通過選擇高性能、抗干擾性強的雙頻GPS接收機，對碾壓倉面攤鋪后震動碾壓過程中，差分導航的精度經現場測量對比均在10厘米以下，完全滿足施工精度的要求.

3.3.4 全天候實時動態觀測.應用GPS定位、導航，不受天氣的影響，可以全天候地工作.這一特點保證了變形監測的連續性和自動化，工程適用性強.系統設備充分考慮了供電、抗振、散熱、溫控、啟動與斷電的自我保護、防雷擊與防盜的安全保護和防范措施，系統的誤操作具有可察性和可恢復性.

3.3.5 自動化程度高.系統基準站的差分數據發送至移動遠端、移動遠端的位置信息反饋到監控中心、碾壓機械的運行軌跡和運行速度顯示、監控中心和現場分控站顯示各移動遠端的運行軌跡和運行速度、數據存儲和數據處理與反饋分析等整個過程是全自動的.若在一個測站點上需要作長時間的連續測量，還可實行無人值守的數據采集，通過數據傳輸，將所采集的定位數據傳輸到數據處理中心，實現自動化的GPS測量和計算.

3.3.6 操作簡便.系統監控中心和網絡中繼站嚴格按照全自動化要求進行設計，需要人工操作的部分主要集中在移動遠端.通過對移動遠端的人性化設計，其操作過程非常簡便，僅涉及到開關等幾個必要步驟.同時，移動遠端設備簡潔，體積小，重量輕，安裝和拆卸非常簡便.

3.3.7 功能完備.系統支持同時使用多個（10個以上）移動遠端，具有碾壓機械的過速報警監視功能，可以進行碾壓倉面的補碾與混合碾，數據自動入庫管理與調用，指定倉面的移動遠端平均速度統計和碾壓遍數自動計算與成果輸出等功能.

3.4 GPS在工程測量中的應用特點

工程控制網是工程建設、管理和維護的基礎，其網型和精度要求與工程項目的性質、規模密切相關.一般地，工程控制網覆蓋面積小、點位密度大、精度要求高，常規的方法多采用邊角網.采用GPS定位的方法建立工程控制網，具有點位選擇限制少、作業時間短、成果精度高、工程費用低等優點，可應用于建立工程首級控制網、變形監測控制網、工礦施工控制網、工程勘探、施工控制網、隧道、地下工程控制網等等.

4 GPS監控碾壓設備行走速度和行走軌跡控制的基本原理

用于糯扎渡電站大壩和心墻碾壓的振動碾為三一重工生產的20噸輪式凸凹碾，由于GPS衛星定位系統能實時提供三維坐標，在振動碾上安裝GPS接收系統并將接收到的瞬間（每10秒接、發一次）坐標信息通過無線傳輸至設置在左岸EL821.5平臺的監控室，控制平臺將振動碾運行軌跡按設定間隔時間，按適當縱、橫比列尺繪制成運行軌跡圖并計算出振動碾的運行速度和碾軌錯動偏距，如果振動碾超速運行、超范圍、超碾或漏碾壓，控制平臺監控人員就可向振動碾操作手發出相應警示，提醒操作手按正確方式操作.控制平臺也將運行軌跡圖向局域網需求終端傳送同步信息，實現大壩碾壓質量控制數字化監控.其（監）控制流程圖如圖2所示：

圖2 大壩碾壓控制流程圖

5 GPS定位系統在大壩填筑碾壓中的應用

根據糯扎渡水電站大壩結構，將碾壓范圍分為壩前區、壩后區和心墻區，其中心墻區的碾壓尤為重要.現以心墻區為例，說明GPS衛星定位系統如何在大壩填筑中實現碾壓質量監控.為了使進料、鋪料和碾壓不發生沖突和干擾，將粘土防滲心墻又劃分為左壩區和右壩區，在左壩區鋪料、刮平、測量檢測各工序完成后，為了有利振動碾駕駛員平穩、勻速、直線行進，在碾壓范圍內，平行于壩軸線每隔10m用白石灰劃出各碾壓小區，經過編號和安裝了GPS接收系統和無線傳輸系統（接收、發送為一集成模塊）的各臺凸凹振動碾進入各個碾壓小區，開啟接收傳輸模塊后開始碾壓工作.圖3是安裝了GPS接收系統和無線信息傳輸系統的振動碾實物照片（振動碾駕駛室頂部安裝有球狀GPS接收天線和拉桿式信息傳送天線，天線與模塊連接，模塊由機上蓄電池供電）.

圖3 安裝了GPS接收系統和無線信息傳輸系統的振動碾

由于各臺振動碾發送的頻率差別，控制平臺依據收到的各信息進行處理后用不同顏色畫出各臺振動碾的運行軌跡，發現超速、超壓、漏壓情況時，則向相應機械手發出相關警示糾偏.當某一分區碾壓完成后經實驗人員檢驗合格和測量人員測量完畢后進行下一層鋪料，依此循環.壩前區和壩后區的塊石碾壓與此相仿.圖4為在左壩肩（821.5m高程）俯攝心墻第37層（570.00m～570.30m）左壩區的碾壓施工過程和右壩區的土料攤鋪過程的照片.

圖4 大壩心墻鋪料、碾壓照片

圖5為攝于控制室的計算機實時監控桌面（由于線條間距較小，圖片中每臺振動碾的運行軌跡幾乎成了一種顏色，實際上它是多條線段組成），每種顏色表示一臺振動碾的運行軌跡，每種顏色中的黑點代表一臺振動碾，黑點每10秒跳動一次，在畫出軌跡線的同時在黑點旁邊標有速度、軌偏距提示，振動碾在設計時速和設計碾壓錯動范圍下，在實地10m寬范圍內，在監控器顯示屏上應畫出間隔相等且平行的40條直線，如果振動碾行走異常，顯示屏上顯示的軌跡線則是雜亂的扭曲折線；如某部位超壓則相鄰兩條軌跡線間距明顯縮小甚至重合；如某部位漏壓則相鄰兩條軌跡線間距明顯增寬或產生空白；如果振動碾行走超速，則小黑點跳躍的點距變長，甚至黑點變為紅色.監控員依據顯示的實際情況作出相應的判斷并向駕駛員發出糾偏指令.

圖5 控制平臺繪制的各振動碾監控軌跡

在GPS監控平臺實施后，駕駛員都能按要求正常作業，確保了碾壓的質量，至2012年5月，糯扎渡水電站大壩心墻已填筑至EL800高程，在已填筑（EL560～EL800）的工程質量評定中，無論是施工單位的自檢，還是監理中心的抽檢，建設單位實驗中心的審核檢驗，其單元工程質量評定合格率均為100%，其中優良率達80%以上.

5 結 論

GPS在糯扎渡水電站大壩碾壓中的初步應用，充分體現了碾壓質量監控的科學化、自動化、全天侯、效率高、消耗低等優點.它為大壩填筑科學化和程序化提供了強有力的控制平臺，使大壩填筑過程實現了數字化質量監控，使大壩填筑過程實現了透明化、數字化、檔案化，將碾壓質量的過程控制由現場人員監督轉變為電子監控，不僅極大地減輕了勞動強度，徹底杜絕了人為監督中的判斷隨意性，將碾壓質量現場控制紀錄變為圖文兼備的碾壓過程電子文檔，為檔案管理帶來了及大的方便，最為重要的是為提高大壩填筑質量開辟了十分重要的監控途徑，為大壩的安全提供了基礎保障.隨著科技的進步和不斷地改進、完善，GPS在建設工程中的應用范圍必將越來越廣泛.

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