高寒地區面板堆石壩碾壓質量實時監控系統的應用

王明星

（中國水利水電第三工程局有限公司 陜西西安 710024）

1 工程概況

新疆阜康抽水蓄能電站上水庫混凝土面板堆石壩位于博格達山脈，一年中有多半年氣溫低于0℃，極端最低氣溫可達零下40 余攝氏度，晝夜溫差大，氣候干燥，紫外線強，風沙大，自然條件惡劣。

上水庫庫盆兩岸陡峻，原河道地形為兩溝夾一梁，河道比降200‰，通過開挖中間山梁、庫盆回填和截溝筑壩形成上水庫，所以上水庫庫盆和壩基具有橫溝向地形呈“W”型起伏變化大和順溝向坡降大的特點，庫盆回填區和大壩填筑區不均勻沉降變形較突出；工程土石方開挖及填筑工程量巨大，工期緊張，施工布置困難，土石方平衡難度大。

上水庫擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程2275.0m，最大壩高133m 水庫大壩級別為1 級，壩頂長442m。壩頂寬10m，上游壩坡1：1.4，壩后設任意料壓坡區，設寬10m 的“之”字形馬道。

2 碾壓質量實時監控系統

碾壓式土石壩填筑碾壓的施工中，主要圍繞著鋪料厚度、碾壓遍數、行駛速度及激振力四個主要參數進行控制施工，常規方法是以操作手的主觀判斷和自身責任意識來保障，造成碾壓邊界不清、漏壓或過壓等受主觀和客觀因素產生的質量缺陷無據可查，無法追溯，尤其是“坑檢”的位置完全以人的主觀意識來確定，靠人工挖坑檢測的手段來完成，檢測精度有限，對坑檢不合格區域無法確定，由于壩體分層填筑的土方施工量巨大，僅靠事后個別點密實度檢測，無法消除壩體成型后的質量隱患。缺少相應的現代化技術手段來保障施工質量的過程控制。

本工程引進碾壓質量實時監控系統可以使工作人員在壓實過程中實時檢測壓實狀況、控制壓實質量，有效地避免了“過壓”與“欠壓”等現象的發生，既能節省人力、縮短工期，又可以在保證施工質量的基礎上加快施工進度。大壩填筑碾壓實時監控系統主要包括：智能壓實平臺服務器軟件；北斗TC63 智能壓實系統；華測北斗GNSS 高精度連續運行基站等。

3 碾壓質量實時監控系統的應用

3.1 工作原理

利用安裝在振動碾上的監控系統控制軟件，實時處理在振動碾上的GPS 接收機和各種傳感器采集的數據，將其轉化成碾壓施工所關注的重要參數，例如碾壓遍數、壓實測量值、碾壓區域、行駛路線、行使速度等，系統實時將這些信息與存儲在系統內的數字設計基準比較，以圖像化、數字化形式指示和引導操作人員正確施工。

3.2 技術難點

本工程壩基地形狹窄，冬季漫長寒冷，大壩設計填筑工期短，施工強度大，要求質量高。

（1）為了確保壩體填筑碾壓質量，同時加快施工進度，采用GPS 實時監控系統徹底解決人工控制碾壓參數的缺點，實現了可視化、實時、精確地對影響碾壓參數的關鍵因素進行控制，最終有望達到了預期效果。

（2）冬季施工期間，壩體填筑需減小鋪料厚度，增加碾壓遍數至少2遍，增加碾壓遍數根據現場試驗確定的碾壓參數施工，確保壩體填筑指標。

（3）遇下雪天氣，提前對壩面填筑區采用塑料薄膜覆蓋。天氣轉好后，對填筑區域進行晾曬，特殊情況下需對表層進行清理。

3.3 施工工藝

上水庫大壩堆石料填筑施工工藝流程如下：

3.4 碾壓實時監控

上水庫混凝土面板堆石壩填筑采用數字化（GPS）質量控制，對填筑面實時監控碾壓機械的行駛速度、激振力、運行軌跡、碾壓遍數及壓實厚度，全面實現碾壓過程參數的連續、實時、自動、高精度監控。

單元碾壓結束后，系統支持碾壓單元成果分析報告的輸出，輸出內容包括碾壓軌跡圖、行車速度分布圖、碾壓遍數圖（無振和有振）、壓實后高程分布圖等，作為質量驗收的輔助材料。

4 應用效果

4.1 碾壓過程回放設置

除了實時觀測碾壓的實際情況外，由于所有的數據都已經儲存在數據庫中，因此還可以對已經碾壓的全過程實際情況進行回放，作為施工效果的評價依據。

4.2 碾壓過程及時反饋

上水庫大壩總填筑量：510 萬m3，月高峰強度：35 萬m3/月。日均填筑量較大。填筑質量實時監控系統的投入運行，有效避免了大壩填筑碾壓設備行駛超速、碾壓路徑分布不均、碾壓厚度不達標等問題，有效地保證了上水庫大壩工程質量和進度，避免了因碾壓質量不合格而增加的返工成本。

當碾壓設備操作人員、施工人員和現場質控人員接收到系統發布的報警，根據系統自動反饋的填筑施工質量監控信息（如：提示的不達標的詳細內容以及所在空間位置等），碾壓設備已進行必要處理（如：按提示指令，進行補碾，調整運行軌跡等），從而實現實時反饋與動態修正，提高施工過程質量。

4.3 碾壓控制系統與傳統施工方式的對比（見表1）

表1

振動碾上安裝碾壓控制系統，操作手能夠借助系統提供的豐富信息，掌控壓輪在碾壓區更好的按照相關規范要求去工作。對振動碾的碾壓方向及碾壓遍數都能及時監控、記錄，從而滿足工程進度和質量的要求。

4.4 冬季填筑GPS 碾壓監控系統效果分析

冬季填筑施工不灑水，但須增加碾壓遍數至少2 遍來控制，加水量為0%，故冬季填筑碾壓12 遍。阜康抽水蓄能電站上水庫大壩主堆石料設計干密度為2.17kN/m3。

4.4.1 GPS 碾壓監控系統使用前后對比

對大壩主堆石在使用GPS 碾壓監控系統之前和之后一段時間內干密度試驗報告數據進行整理分析，得出如下結論：

（1）使用前后所測主堆石料干密度均符合設計要求，但使用碾壓監控系統后主堆石料的干密度普遍大于使用前的密度，填筑質量較好。

（2）通過曲線趨勢分析，使用后的曲線趨勢線更為平穩，說明使用碾壓監控系統后質量更穩定。

4.4.2 CMV 數據（反映壓實度的值）和干密度對比分析

振動碾車載部分：按照碾壓參數設計要求將目標碾壓遍數、目標CMV 值（定為52）、目標厚度等參數設置到控制箱中，機手按照控制箱各參數的提示以及碾壓軌跡進行碾壓施工即可，當各參數達到設定值即為碾壓完成，無需再憑記憶或者猜測施工。

數據監控：碾壓現場數據回到施工管理辦公室，技術人員在專業的軟件平臺上查看現場碾壓情況，一旦出現漏壓、參數沒有達到要求等情況，可立即指導現場進行修正。還可以選擇CMV 值相對較低的區域重點進行坑檢，以達到整體質量控制。

將CMV 數據和干密度數據用軟件做成線性圖，兩者具有一定的相關性，如圖1、圖2 所示。

圖1 第一層檢測點對比

圖2 第二層檢測點對比

通過主堆石兩次碾壓試驗的結果，我們分析后認為：

（1）碾壓試驗所選用的施工碾壓機具SSR260 自行式振動平碾等可用于壩體填筑施工，采用進占法鋪料是較理想的施工程序并符合規范要求。

（2）選定的80cm 鋪料厚度、2km/h 碾壓行車速度，不小于10cm 的錯距法、振動碾壓12 遍基本保證設計要求且經濟合理，對于局部薄弱處增加碾壓遍數以滿足設計標準。

（3）通過大壩智能碾壓系統記錄的面狀監測CMV 統計值，查找碾壓區域干密度薄弱點的方法，有針對性的進行干密度復測檢驗，提高了施工效率。避免了出現對整個施工區域碾壓質量的錯判，保證整體作業面壓實均勻性。

（4）大壩填筑壓實參數實時，全程記憶、記錄及可追溯性，對大壩填筑過程的檢查監督和大壩竣工后安全評價提供了真實可靠的有利條件。

5 結語

碾壓監控系統通過建立以監控系統為核心的“監測-分析-反饋-處理”的監控體系，對大壩填筑過程和填筑質量進行實時監測，實現了對大壩施工的全天候、全過程在線監測與控制，有效地提高了阜康抽水蓄能電站上水庫大壩施工水平和效率，確保工程質量始終處于受控狀態。