智能碾壓監測系統在平寨水庫堆石壩的應用

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(貴州省水利投資(集團)有限責任公司， 貴陽 550003)

隨著社會經濟和科學技術的發展，尤其是填筑碾壓設備的不斷更新，混凝土面板堆石壩作為水庫大壩主要壩型之一，因其具有因地制宜、就地取材、節省投資、環保節能等優勢，近幾年，在我國水庫建設中得到廣泛應用。施工中填筑碾壓質量的控制，目前還是以碾壓過程監控和壓后土工檢測為主。但是，在傳統填筑碾壓施工過程中，因為碾壓軌跡無法實時顯示，碾壓過程數據無法記錄，所以對于鋪料厚度、碾壓遍數、碾壓搭接、行走速度等碾壓參數控制，只能依靠機手的主觀判斷和經驗來實現，監理只能旁站靠眼睛和記憶來監管，且壓后土工檢測也只是在個別區域進行，無法保證整個作業面壓實質量實現均勻性和可靠性。

為加強壩體碾壓質量過程控制，貴州省平寨水庫大壩施工中，做到碾壓施工實時引導、填筑碾壓參數實時采集，實現了碾壓作業全過程智能監測、碾壓參數的自動記錄和自動分析。

1 工程概況

貴州省平寨水庫工程位于長江流域烏江水系三岔河平寨河段，總庫容10.89億m3，年調水量5.50億m3。水庫大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高162.70m，壩頂長362m，壩頂寬10.60m，填筑工程量約530萬m3，筑壩材料為灰巖，比重2650～2710kg/m3。平寨水庫是一座以灌溉和城鄉供水為主，兼顧發電等綜合利用的大型水利工程。

2 智能碾壓監測系統介紹

2.1 系統組成

智能碾壓監測系統由GPS基準站組件、振動壓路機安裝組件兩大部分構成。GPS基準站組件包括GPS主機、天線、數傳電臺，GPS基準站架設在控制點上，實時給壓路機上的GPS接收機發送差分信號，使智能碾壓監測系統能夠實時獲得厘米級的壓路機三維位置信息； 安裝組件包括GPS接收機、數據接收無線電臺、顯示控制器、壓實傳感器以及連接線纜，其安裝方法參見圖1。黔中水利樞紐工程建立了1套GPS基站，安裝了4套振動壓路機組件。

圖1 智能碾壓監測系統安裝部件示意圖

2.2 系統工作原理

系統運行時，架設在控制點上的GPS基準站，實時向壓路機上的接收器發送差分信號，安裝在振動壓路機頂部的GPS接收機和無線電接收器，接收到GPS衛星信號和基站發送的差分信號時，進行實時厘米級定位，并將當前所處三維位置、碾壓遍數、行走速度、作業區域等信息傳遞到安裝在駕駛室的顯示控制器上； 同時，裝在壓路機振動輪上的壓實傳感器，也實時將壓實度(CMV值)、振動頻率等數據傳輸到顯示控制器，使機手能夠實時知道碾壓施工信息，指導機手操作(參見圖2、圖3)。

圖3 壓路機駕駛室內顯示控制器

當一個作業單元或指定作業區結束后，可以利用安裝在壓路機上的打印機及時打印出碾壓報告，報告中包含碾壓遍數、攤鋪厚度、壓實度，以及未達到設定目標值的薄弱區域等信息。同時提取數據，將數據導入到專業的Site Vision Office軟件中，能迅速進行碾壓質量分析、建立三維數字模型、保存工程信息。

2.3 系統特點

傳統的碾壓過程控制，主要依賴于機手的操作經驗，從而容易出現漏壓、過壓的情況，碾壓完成后，質量檢測部門才能按照相應的檢測方法進行質量抽檢，但由于檢測方法耗時長，抽檢點密度小，所檢測結果不能全面反映整個作業面的壓實情況； 而智能碾壓監測系統能夠通過圖形和數據實時顯示碾壓過程，使機手無需再憑猜測和經驗施工，實時監測碾壓過程中存在的問題，便于及時的整改，加快施工進度。二者功效對比如上頁表所示。

傳統碾壓方式和智能碾壓監測系統碾壓的功效對比表

3 智能碾壓監測系統的應用

3.1 及時分析作業單元碾壓質量

在平寨水庫大壩填筑過程中，除了實時指導壓路機手操作外，還從多個方面及時提供作業單元碾壓施工質量數據。一個作業單元(每一作業層)填筑碾壓結束后，從壓路機控制系統中采集數據導入到SVO軟件中，可查看到碾壓過程中的所有內容，軟件自動生成各類信息報告，如分層碾壓遍數視圖、當前層高程視圖、CMV值視圖、單數碾壓數據報告等，還可以任意截取斷面圖查看分析碾壓質量，在數據閱讀器中可以顯示出各作業點厚度、行駛速度等信息。通過圖表數據分析，找出施工中存在的問題，及時補救糾偏，總結經驗，提高施工管理水平。

以高程1233m作業層碾壓結束后生成的圖表分析(見圖4、圖5)，該作業單元碾壓持續時間從7月5日22點開始，到7月9日22點30分結束，碾壓8遍以上達到96%，平均高程達到1233m，但下游邊緣區域較低，通過目標CMV值看出，91%區域已壓實，壓路機行車速度過快。

圖4 高程1233m作業單元碾壓遍數、高程視圖

圖5 高程1233m作業單元CMV值、數據閱讀器視圖

3.2 直觀便捷捕獲碾壓信息

壓路機分層碾壓過程數據記錄下來后，可為后期的分析、統計、管理提供海量的基礎信息。對于智能碾壓監測系統采集的原始數據，如果把作業面看成一個數據模型的話，任意點選模型上其中一個單元格，詳細信息都顯示出來，還可以直接從SVO軟件中導出作業面表面。將SVO軟件中導出的表面導入到TBC軟件中，TBC軟件的三維表面顯示功能可以直觀地查看每月、每天、每時的填筑過程數據。軟件還可以自動計算分層填筑工程量、每時段填筑工程量等工程量信息，以供施工進度管理參考。

圖6是2012年1～4月每月底填筑表面的三維模型，圖中可以直觀地看到：1月的填筑面積較小，高程變化不大； 從2月開始，填筑面積增大； 3、4月，主要填筑的是大壩上游區，壩體填筑速度較快。

圖6 大壩填筑三維表面模型側視圖(2012年1～4月)

圖7是2012年3月表面模型視圖，從圖可以看出，主堆石區迎水面3月的填筑較快，高程從1178m填筑到1230m左右，并可從圖中直觀看到每個填筑單元的高程變化和位置平移。

圖7 大壩2012年3月填筑表面模型圖

3.3 CMV值(壓實度值)用于碾壓質量控制指標分析

智能碾壓監測系統的CMV值，是通過壓路機振動輪上加裝的加速度傳感器，實時記錄振動時基層反彈硬度計算出來的數值，系統采用CMV值來表達碾壓的密實質量。在實際應用中，由于受壩料類別、材料粒徑、材料級配、填筑層厚、含水量、碾壓設備類型等因素影響，導致智能碾壓監測系統采集的CMV值不同，因此在碾壓作業前，應根據不同的填料和碾壓設備，確定CMV目標值。

在本工程碾壓試驗時，選擇干密度檢驗合格的實驗區，利用壓路機弱振約20～25m長，系統自動采集具有代表性的CMV值，作為工程控制的CMV目標值，見圖8。經試驗，選取的主次堆石區的CMV目標值為52，過渡料區的CMV目標值為65。

圖8 主堆石區CMV目標值選取試驗視圖

采用挖坑灌水法測定的干密度值，與智能碾壓監測記錄的同一位置的CMV值進行對比：?選擇主堆石區1234.0～1269.2m高程，挖坑法測定干密度36組，平均值2.19g/cm3(設計值為2.16 g/cm3)，最小值2.13g/cm3，不合格點2個，占5.6%； 采集對應位置的CMV值，平均值76.5，最小值54.3，小于目標值點2個，占5.6%，詳見圖9； ?選擇次堆石區1233.6～1268m高程，挖坑法測定干密度值30組，平均值2.15g/cm3(設計值為2.11 g/cm3)，最小值2.09g/cm3，不合格點1個，占3.3%； 采集對應位置的CMV值30組，平均值73.4，最小值53.9，均大于目標值，見圖10； ?選到過渡料區1250.0～1260.4m高程，采用挖坑法測定干密度值18組，平均值2.22g/cm3(設計值為2.21 g/cm3)，最小值2.15g/cm3，不合格點3個，占11.1%； 采集對應位置的CMV值18組，平均值77.8，最小值64.1，小于目標值點2個，占11.1%，詳見圖11。

圖9 主堆石區1234.0～1269.2m干密度值與CMV值對比

圖10 次堆石1233.6～1268m干密度值與CMV值對比

圖11 過渡料區1250.0～1260.4m數據趨勢

經過干密度值與CMV值進行對比分析，可以看出：干密度值相對高的點CMV值也相對較高，干密度值相對低的點CMV值也相對較低，即二者的變化趨勢基本一致，具有一定的關連性； 主次堆石區CMV值97%大于目標值52，平均值為目標值的135%，過渡料區CMV值89%大于目標值65，平均值為目標值的119%，說明CMV目標值的選擇基本合理，用該目標值來控制碾壓質量是可行的。

4 系統性能缺欠及應對措施

4.1 GPS信號不穩定

壩體填筑碾壓初期，由于環境、地形的影響，智能碾壓控制系統GPS信號在固定時段有時不穩定，甚至采集不到數據，需要架設中繼站加以解決。

4.2 碾壓設備調配不方便

由于壩體分區域碾壓，按照施工工藝，不同區域使用不同型號的壓路機，不能竄壓和隨意調配壓路機，可采取對壓路機編號加強管理，制定碾壓控制實施細則，指導施工以保證壓實質量。

4.3 碾壓數據傳輸不通暢

碾壓時上傳的碾壓數據，由于沒有工程信息化管理平臺作支撐，不能實時查看和統一管理，在工程實際應用中，可同步建成工程信息化管理平臺，加強碾壓作業的數字化、信息化管理。

5 結 語

平寨水庫混凝土面板堆石壩現已填筑425萬m3，完成了設計工程量的80%，通過智能碾壓監測系統的使用，對于大壩填筑質量控制、加快施工進度等作用明顯：

a.系統能夠準確實時地提供鋪填厚度、行走速度、行走軌跡、碾壓遍數、振動頻率、CMV值(反映壓實度的值)等施工參數，不僅為壓路機機手及時提供操作信息，也為監理工程師提供了質量檢查控制依據，同時減少旁站人員，能及時發現碾壓過程中的質量問題，及時進行整改糾偏。

b.智能碾壓控制系統，通過CMV值和直觀顯示的碾壓遍數，有效避免出現漏壓、欠壓現象，可以適當減少頻次，加快工程進度。

c.系統可以完整記錄和儲存填筑碾壓過程中的施工參數，通過碾壓信息建立三維模型，提高了施工管理水平和管理效率，為大壩碾壓施工質量評價和事后檢查提供可靠的依據。

另外，由于大壩所處位置山高谷深，在前期填筑時衛星信號受擋衰減變弱，缺失部分信息，盼在以后工程中，通過技術手段解決這一問題，確保工程信息完整。

1 于子忠，黃增剛.智能壓實過程控制系統在水利水電工程中的試驗性應用研究[J].水利水電技術，2012(12)：44～47.

2 張智明.智能化振動壓路機及技術現狀[J].中外公路，2004(8)：20～22.