物聯網數字化控制技術在江巷水庫大壩碾壓中的應用

張 健 王 旭

一、工程概況

江巷水庫樞紐位于安徽省定遠縣池河上，工程等別為Ⅱ等，樞紐由大壩、溢洪道、東/西灌溉涵、生態放水涵、魚道等組成，水庫總庫容1.30億m3。其中大壩為均質土壩，2級建筑物，大壩全長約4900m，最大壩高為17.33m，土方填筑總量約130萬m3。

二、采用數字化碾壓控制技術的緣由

大壩全長4900m，壩段多，填筑工作面長，碾壓層數多，總填筑單元1000多個，單純靠人力去控制碾壓遍數，施工管理漏洞多、難度大，如控制不到位，可能出現壓實度達不到要求而返工等質量問題。為避免出現人為因素影響大壩填筑質量，在該工程初設階段，就提出利用物聯網數字化控制技術控制大壩碾壓質量的措施，在工程實施階段，江巷水庫建管處通過招標選擇中國水科院作為大壩碾壓技術控制單位。

三、物聯網數字化碾壓控制技術系統功能和組成

以施工過程信息數字化、標準化、可視化為目標，利用高精度北斗定位系統，對大壩施工過程中壩料的鋪料厚度、碾壓遍數、振動情況、碾壓軌跡、碾壓設備行進速度等方面進行施工過程控制，并結合大數據、物聯網以及云計算技術，實現大壩碾壓施工數字化展示，并進行施工優化、反饋分析等。

1.基礎工作

（1）碾壓試驗，在一定壓實功和鋪土厚度、碾壓遍數、行車速度、含水率等條件下，碾壓遍數是大壩土料壓實質量控制的關鍵，而確定碾壓遍數，需進行現場碾壓試驗。該工程碾壓試驗采用淘汰法確定各最優參數，根據碾壓試驗結果，確定碾壓遍數為8遍，鋪土厚度為35cm，車輛行進速度不大于3km/h，并將控制數據輸入系統，超過時系統將自動報警。

（2）對大壩填筑進行分區，根據溢洪道等過壩建筑物和2個河槽位置、填筑順序以及施工導流要求等，將大壩分為9個壩段，長度從100～1050m不等，并將壩體分段和壩高等數據信息輸入系統。

（3）對碾壓車輛進行編號，該工程用于碾壓的機械共6輛，編號依次變為1#～6#，并將碾壓設備編號輸入系統。

（4）建立電臺和北斗基站，主要用來對大壩填筑碾壓施工設備上安裝的M30型接收機進行數據交互，通過差分數據精確定位碾壓設備位置，并通過電臺將相關數據實時發送到后臺系統中。

（5）安裝碾壓機械車載設備，主要有車載碾壓控制平板電腦、正反轉傳感器、振動傳感器、M30型車載GNSS接收機。

2.系統功能

系統目前具有的主要功能有6個方面：①精確的碾壓遍數、行進速度控制，改善碾壓作業的精細度；②作業面均勻一致的壓實度，防止漏壓、欠壓、過壓，保證碾壓質量；③智能施工，提高工作效率；④數據實時采集和處理；⑤依靠北斗定位系統，兼容國際三星定位系統，定位精度達到厘米級；⑥專注碾壓控制，兼顧攤鋪厚度，保證大壩施工全過程有效監控。

3.系統組成

（1）系統信息傳輸途徑及構架組成

大壩填筑碾壓施工實時智能化監控系統綜合了微電子技術、無線通訊技術、GNSS厘米級高精度定位等現代化技術于一體，可實現實時全程連續可視化跟蹤碾壓過程，向建設單位、施工單位、監理單位和操作司機提供及時精確定位的壓實信息。系統信息傳遞主要途徑及架構如圖1所示。

（2）系統模塊組成

大壩碾壓控制系統主要有10個模塊組成：基礎信息、數據管理、實時監控、質量審核、歷史回放、平面分析、剖面分析、單元報表、碾壓統計、系統管理等。

圖1 信息傳遞主要途徑及架構示意圖

系統能夠將安裝在碾壓、運料設備上的相關監控儀器中得到的數據進行整理、分析并展示，為工程施工過程質量控制提供參考與支撐。

在系統模塊中實時監控和歷史回放應用對大壩碾壓意義重大。

實時監控：能在司機終端顯示器實時顯示碾壓軌跡和遍數，實時提醒司機防止漏壓、欠壓和過壓，也可遠程監控，便于施工單位管理人員、監理、業主實時監督。

歷史回放：如某個點檢測不合格，可以回放該點的碾壓軌跡錄像，可以看出是否漏壓和欠壓。

四、系統運行控制效果

根據平面分析和剖面分析截圖展示，從斷面碾壓剖面圖可以看出整個剖面不同高程的碾壓情況，也可以點擊某個高程點，單獨顯示不同高程的碾壓遍數，可以直觀判斷哪些高程碾壓遍數合格，哪些高程欠壓、漏壓、過壓；從高程碾壓平面圖可以清晰直觀看出碾壓設備的行駛軌跡，碾壓遍數，平面碾壓范圍，在碾壓過程中能及時控制，防止漏壓、欠壓、過壓。

大壩從2017年6月28日開始填筑以來，截至2018年9月底，1003個碾壓單元已完成885個單元，合格率100%，其中優良單元工程839個，優良率94.8%，沒有出現因為壓實度和干容重達不到設計要求出現返工的情況，說明控制效果顯著，節省了大量的人力、物力和財力。

五、目前存在的不足及改進方向

該系統已經較為成熟，可以在土石壩、碾壓混凝土壩和堤防填筑中推廣使用。但目前系統只能控制碾壓遍數、攤鋪厚度及碾壓軌跡，對土料的含水率和碾壓后的容重（堆石壩的密實度）這兩項重要指標不能進行實時監測，還要靠人工檢測，土石壩一般都體量龐大，檢測工作量大，要耗費大量的人力、物力、財力。下一步改進的方向要增加土料含水率和容重（密實度）的實時檢測能力，真正做到全過程、全項目智能化控制，既保證工程質量，同時節省人力、物力和財力