高拱壩混凝土振搗智能控制技術研究與應用

楊 寧，李 靜，周紹武，劉迎雨，鐘桂良

(1.中國三峽建設管理有限公司,北京100038；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,成都 610072)

1 研究背景

高拱壩壩高超過200 m至300 m量級，承受的水推力巨大，加上其壩體結構的復雜性，使得高拱壩壩體混凝土澆筑質量控制成為拱壩建設中重點關注的技術問題。如何落實高拱壩混凝土澆筑質量施工措施，有效的監測各環節施工過程、控制施工質量，保證混凝土澆筑質量的均質性、均衡性、連續性與整體性，這是大體積混凝土質量控制的關鍵技術難題。混凝土平倉振搗是高拱壩混凝土澆筑施工的關鍵流程之一，對大體積混凝土質量控制，是通過對平倉、振搗過程控制實現的，具體體現在[1]：①平倉機攤鋪質量控制，避免出現以振代平、攤鋪厚度超標等現象；②振搗機和手持式振搗器振搗質量控制，確保振搗時長、插入角度、插入深度、拔插速度等，避免漏振、欠振、過振等現象；③控制混凝土覆蓋時間，避免初凝、冷縫等，確保層間結合質量良好、外觀質量優良。

然而，常規的高拱壩平倉振搗質量過程控制，主要通過施工自檢、監理旁站的方式來實現過程監督及管理，容易受到現場施工人員監理精力及經驗等限制，難以全過程、全面監管，施工工藝的控制效果多為定性描述；施工質量評價為局部抽檢，代表性不強、隨機性較大，不利于全面質量控制；事后質量檢查多為被動控制(如鉆孔取芯)，即使發現問題，處理的難度較大且成本較高。在振搗過程的記錄方面，平倉振搗的質量控制主要靠紙質記錄，不便于追溯查詢和責任的追蹤。這都與規范要求的精細化、定量控制不相匹配，因此，采用精細化、智能化技術對其進行行之有效的監測和控制，以確保混凝土澆筑質量受控勢在必行。

從2003開始，國內外已開始在施工過程管理中推廣無線技術、手持應用技術和智能控制技術，解決施工過程中各種生產數據采集、處理、傳送問題[2-4]，并在堆石壩填筑質量、碾壓混凝土壩碾壓質量監控技術以及通水冷卻智能溫度控制已有初步成果[5-8]。本文針對高拱壩混凝土平倉振搗施工質量控制環節，構建了平倉振搗施工質量智能控制技術架構，采用精細化、智能化技術手段和物聯設備對其進行全程監控、定量分析和反饋控制，實時監控平倉振搗施工過程質量，及時掌握現場施工狀況、發現質量偏差，提供準確的、詳細的量化信息，實現質量信息的可追溯性，提高工程質量控制與管理水平，且已在300 m級溪洛渡高拱壩開展了生產性試驗，驗證了該技術可行性及有效性，為高拱壩混凝土平倉振搗精細化控制提供了有效技術手段，具有深入推廣應用的價值。

2 高拱壩混凝土平倉振搗智能控制技術架構

高拱壩大體積混凝土平倉振搗智能控制技術，采用北斗衛星/GPS定位技術、UWB定位技術、超聲波測距技術等物聯網技術，對混凝土平倉振搗施工過程進行在線監控，包括服務端、客戶端、集成物聯監控設備(針對平倉機、振搗機和手持式振搗器各自配備)等幾個主要部分。系統整體架構如圖1所示。

圖1 大體積混凝土平倉振搗質量智能監控方案架構Fig.1 The structure of intelligent control for mass concrete vibrating quality

2.1 倉面數據采集與顯示

通過平倉機、振搗車上安裝的集成監控設備(集成衛星監控主機、衛星接收天線、方位傳感器、數據緩存、WiFi無線通信模塊)，實時采集平倉機工作位置、平倉軌跡、平倉高程以及振搗機振搗位置、振搗時間、插入角度、插入深度、拔插速度等參數，并將平倉機的三維坐標位置和速度、方位以及振搗臺車振搗臂的精確位置、振搗臂有效插入深度、振搗時長，集成處理后通過WiFi模塊發送給服務端，服務端接收數據后存儲至數據庫，由客戶端實時顯示平倉機、振搗車位置和工作狀態，顯示內容包括平倉機運行軌跡、振搗車振搗軌跡等。其中，人工振搗通過振搗棒上安裝的定位標簽及倉面四周布設的無線定位基站定位振搗棒，并將其實時位置發送給服務器。

2.2 平倉振搗規范性分析

服務器將解析出的監測數據進行分析處理，得到振搗機和手持式振搗器的實時振搗范圍、有效振搗深度、有效振搗時長、插入角度等振搗過程關鍵參數及以振代平、欠振、過振現象發生情況，再將監測與分析結果存儲并分發給監控客戶端，通過客戶端的實時圖形化顯示、歷史數據查詢、報表輸出等方式完成倉面作業質量的實時智能監測。振搗規范性分析內容包括振搗有效振搗深度分析、振搗有效振搗時長分析、手持式振搗器振搗狀態分析及澆筑漏振識別分析。

振搗有效深度分析，是利用振搗棒組上安裝的超聲波測距傳感器，實時獲得振搗棒安裝端距離混凝土表面的距離，結合振搗棒長度計算得到的；振搗有效振搗時長分析，利用監控終端，從振搗機振搗棒組插入混凝土開始，并每隔一定時間監測一組深度數據發送給服務器，直至振搗結束停止計時，并向服務器發送振搗完成指令；漏振識別分析，則是結合監測與分析獲得的振搗區域，將振搗作業區按等間隔距離劃分成虛擬格網并與已振搗區域疊加，獲取振搗覆蓋情況，判斷是否漏振。

2.3 平倉振搗智能預警與反饋控制

服務器結合倉面作業過程關鍵參數的控制指標，對實時監測到的數據進行智能判斷，發現超出控制指標時通過監控客戶端、短信、監控終端等向施工管理人員、現場操作人員發送報警和建議措施，并記錄處理結果，實現智能反饋控制與預警。控制過程的預警內容包括振搗深度不達標、振搗時間不達標、振搗插入角度不達標等。以振搗深度預警為例，服務器對有效振搗深度與標準振搗深度進行比較，當有效振搗深度小于要求的振搗深度時，判定為振搗深度不達標，服務器發出振搗深度不達標報警。

3 溪洛渡拱壩振搗質量智能控制實踐

溪洛渡壩體為混凝土雙曲拱壩，樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、壩身泄洪孔口、壩后水墊塘和二道壩、左右岸各兩條泄洪洞、左右岸各9×770 MW裝機的引水發電系統及送出工程組成，電站正常蓄水位600 m，總裝機容量13 860 MW，多年平均發電量575.5～640.6 億kWh。壩頂高程610 m，最大壩高285.5 m，為超高薄壁拱壩。工程地質條件復雜，壩體混凝土施工與質量控制決定其建設成敗。為確保混凝土施工質量，經廣泛調研、細致研究、精心準備，研發了混凝土平倉振搗質量智能控制系統，全天候在線實時監測與控制混凝土澆筑過程。系統由硬件和軟件組成，硬件主要包括北斗/GPS差分基準站、平倉機監控終端、振搗機監控終端、手持式振搗器監控定位基站及標簽幾大主要部分；軟件是智能振搗的實時管理平臺，采用C/S架構，主要包括服務端和客戶端。服務端完成與監控設備通信、與客戶端通信、數據分析處理與存儲、系統后臺管理等功能，客戶端完成倉面規劃錄入、振搗臺車調度、技術要求管理、振搗質量實時監控、監控結果查詢與輸出等功能。圖2給出了實時監控軟件界面及反饋控制預警界面。

3.1 系統設計控制參數、誤差與精度測試

系統設計以《水工混凝土施工規范》為依據，分解溪洛渡大壩現場振搗工藝并開展振搗數據采集和分析，確定“振搗棒插入到混凝土中，第一坯層插入深度宜為35～40 cm，第二～第四坯層插入深度宜為55～60 cm，第五、第六坯層插入深度宜為56～65 cm，保證混凝土結合密實；插入過程耗時約10 s，振搗棒插入到位后振搗持續振搗約15～17 s，可達坯層表面開始泛漿、骨料不再顯著下沉，表面不再有氣泡排出；將振搗棒緩慢拔出，拔出速度約5 cm/s，拔起過程約需10 s；振搗完成后以0.8 m倍數尺寸水平移動振動棒，開始下一循環振搗”的設計控制參數。

考慮監控設備定位精度是系統成敗關鍵，要求北斗/GPS平面定位誤差≤20 cm，超聲波垂直定位精度≤2 cm，水平度定位精度1°，儀表報警誤差≤3%，可根據不同混凝土標號級配設置振搗控制時間，誤差≤2 s。北斗/GPS雙星四頻差分定位設備在溪洛渡右岸高程610平臺和部分代表性澆筑倉定位精度試驗資料表明，機械振搗平面定位精度5 cm,搗車方向角精度1°，垂直精度1 cm，時間精度1 s，能滿足混凝土振搗監控精度。

3.2 應用成果分析

2013年8月至2014年3月，溪洛渡大壩通過GPS/北斗RTK實時動態差分實現對振搗過程精確定位，共實現對38個澆筑倉平倉、振搗質量的實時監控、預警及智能控制，當發生以振代平、振深超標、振時超標等不規范施工時，通過軟件終端報警、駕駛室提示、短信通知等多種手段實時通知施工管理人員、現場操作人員，有助于各參與方及時進行處理與控制，也有效避免漏振、過振及欠振等行為的發生。以12號壩段高程596 599 m倉為例，倉面設計為C18040三級配混凝土，監控預警指標為振搗時長16～35 s，振搗插入深度40～50、50～60及66～80 cm(對應設計坯層厚為40、50、55 cm)。其中，第6坯層設計插入深度60～65 cm，結果顯示，實際振搗深度大于65 cm的振搗點超過1/2；同時，振搗深度較大區域其振搗時間也明顯偏長。綜合分析系料堆較高，振搗棒插入深度偏大，將料堆振平并振搗密實，整個過程所需時間也會比平倉后再振搗所需時間偏長。圖3給出了典型倉代表坯層以振代平圖形報告。

圖2 智能振搗控制軟件及分析評價模塊Fig.2 Intelligent vibrating control software and analysis-evaluation module

圖3 智能振搗典型倉代表坯層分析示意圖-以振代平Fig.3 Analysis diagram for intelligent vibrating control of typical layer

4 結 論

傳統混凝土澆筑質量控制只憑經驗和責任心，處于定性評價階段，施工過程無法進行精確控制與評價。本文構建的高拱壩混凝土施工質量智能監控系統，實現大體積混凝土平倉振搗施工質量全過程、全天候的實時在線監控與分析預警，初步形成了大壩混凝土施工質量監控評價方法及預報警流程，提升了現場施工管理水平，使得混凝土振搗生產過程可控，溪洛渡特高拱壩的試驗及實施表明該智能系統能適應高拱壩混凝土施工特性與應用環境，解決了大體積混凝土倉面作業施工質量精細化控制難題，具有深入推廣應用的價值。

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