混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究

(陜西省引漢濟渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100)

振搗加漿是混凝土澆筑施工的關(guān)鍵流程之一，在施工的過程中，通過怎樣的手段確保振搗加漿施工質(zhì)量與施工安全，如何對振搗加漿過程進行有效監(jiān)控，是施工質(zhì)量管理中的關(guān)鍵問題[1]。在傳統(tǒng)的振搗加漿監(jiān)控中，施工方自行檢查、監(jiān)理方在旁監(jiān)督的方式，往往只能發(fā)現(xiàn)較為明顯的重大問題，由于受到人員精力、人員經(jīng)驗等主觀限制，無法對施工過程進行全程、全面、實時的監(jiān)管[2]。另一方面，以往通常采用紙質(zhì)載體對振搗加漿施工過程進行記錄，記錄容易丟失損壞也不便于及時查詢相關(guān)信息，無法實現(xiàn)精細化、智能化施工[3]。因此，基于現(xiàn)代科技手段，采用現(xiàn)代數(shù)字化、智能化技術(shù)對振搗加漿施工全過程進行有效的監(jiān)控，確保施工的安全與質(zhì)量，已成為目前混凝土工程施工監(jiān)管的重點方向。

本文在參考諸多混凝土智能化施工系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對混凝土振搗加漿施工全過程，搭建了具備振搗位置監(jiān)測、加漿濃度檢測、加漿量檢測、綜合評價、加漿振搗監(jiān)管等功能的混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)，利用現(xiàn)代化的監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，實現(xiàn)了對混凝土振搗加漿施工的全過程監(jiān)控、及時獲取施工現(xiàn)場的各種狀況、及時對出現(xiàn)的各類情況進行反映與處理、精細化施工資料的存儲與查閱，有效提高了混凝土的施工質(zhì)量與監(jiān)管能力，在同類型施工領(lǐng)域中具備一定推廣價值。

1 工程概況

三河口水利樞紐位于佛坪縣與寧陜縣交界的子午河峽谷段，在椒溪河、蒲河、汶水河交匯口下游2km處，是引漢濟渭工程的兩個水源之一[4]，其主要任務(wù)是調(diào)蓄支流子午河來水及一部分抽水入庫的漢江干流來水，向關(guān)中地區(qū)供水，兼顧發(fā)電，是整個調(diào)水工程的調(diào)蓄中樞。三河口水利樞紐是我國少見的幾個高碾壓混凝土拱壩之一，最大壩高141.5m，正常蓄水位643m，總庫容7.1億m3，調(diào)節(jié)庫容6.62億m3。

三河口水利樞紐混凝土澆筑工程量較大，混凝土澆筑質(zhì)量的控制尤為重要[5]。碾壓混凝土拱壩在施工時面臨著防裂要求高、控制難度大，施工計劃安排、進度控制和資源優(yōu)化配置復(fù)雜，施工地區(qū)溫差大、溫控條件惡劣等重大挑戰(zhàn)。三河口水利樞紐工程建設(shè)中的碾壓混凝土上下游變態(tài)混凝土是大壩防滲的第一個關(guān)口，而振搗加漿是混凝土澆筑施工的關(guān)鍵流程之一。因此，采用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，實現(xiàn)對混凝土振搗加漿施工的全過程監(jiān)控，進而實現(xiàn)大壩混凝土施工質(zhì)量和施工安全的有效監(jiān)管，確保大壩現(xiàn)場施工質(zhì)量的評價效果，同時對現(xiàn)場各種可能的風(fēng)險事故提前預(yù)防與預(yù)警，顯得尤為重要。

2 混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)可應(yīng)用于振搗加漿系統(tǒng)的全過程，主要由混凝土振搗位置監(jiān)測子系統(tǒng)、加漿濃度檢測子系統(tǒng)、加漿量檢測子系統(tǒng)、綜合評價子系統(tǒng)、加漿振搗監(jiān)管系統(tǒng)五部分組成，見圖1。

圖1 混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 混凝土振搗位置監(jiān)測子系統(tǒng)

混凝土振搗位置監(jiān)測子系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場施工大壩變態(tài)混凝土注漿監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案和施工現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)，負責(zé)傳輸站、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的傳輸方案設(shè)計。

2.2 加漿濃度檢測子系統(tǒng)

加漿濃度檢測子系統(tǒng)接收并記錄設(shè)備漿液比重檢測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，指導(dǎo)設(shè)備運行。當(dāng)漿液比重未達到設(shè)計要求時，系統(tǒng)設(shè)置預(yù)警功能，指導(dǎo)管理人員管理漿液配合比，并指導(dǎo)設(shè)備關(guān)閉注漿功能，對漿液比重數(shù)據(jù)記錄實現(xiàn)存儲、查詢、導(dǎo)出等功能。

2.3 加漿量檢測子系統(tǒng)

加漿量檢測子系統(tǒng)依據(jù)設(shè)計要求設(shè)定加漿量，指導(dǎo)設(shè)備加漿，接收并記錄加漿量檢測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，指導(dǎo)設(shè)備運行，當(dāng)加漿量無法達到設(shè)計要求時，系統(tǒng)設(shè)置預(yù)警功能，指導(dǎo)施工人員檢查注漿系統(tǒng)，對加漿量數(shù)據(jù)記錄實現(xiàn)存儲、查詢、導(dǎo)出等功能。

2.4 綜合評價子系統(tǒng)

綜合評價子系統(tǒng)逐層生成圖形報告與數(shù)據(jù)報表。由于變態(tài)混凝土與碾壓混凝土同步上升，所以可截取碾壓圖形報告與振搗圖形報告，將其整合，以查找混凝土振搗漏振區(qū)域。

2.5 加漿振搗監(jiān)管系統(tǒng)

加漿振搗監(jiān)管系統(tǒng)將上述子系統(tǒng)信息集合匯總，實現(xiàn)對加漿振搗施工全過程的監(jiān)控管理。

3 混凝土振搗加漿監(jiān)控系統(tǒng)模型

3.1 混凝土振搗加漿監(jiān)控方案原理

混凝土振搗加漿監(jiān)控方案原理如圖2所示。

圖2 混凝土振搗加漿監(jiān)控方案原理

3.2 壩體施工階段進度實體模型構(gòu)建

為開發(fā)大壩混凝土振搗加漿遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以三河口碾壓混凝土施工現(xiàn)狀為依據(jù)，根據(jù)大壩施工設(shè)計圖紙，結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)施工階段分區(qū)分段進度劃分，建立壩體結(jié)構(gòu)實時分倉分塊區(qū)域?qū)嶓w模型(包含壩體結(jié)構(gòu)3D整體坐標(biāo)、施工分倉分層幾何坐標(biāo)及材料信息等參數(shù))。

以該三維數(shù)字化實體模型為信息載體，導(dǎo)入倉面混凝土振搗加漿實時施工工藝參數(shù)和實時加漿與振搗區(qū)塊信息，實現(xiàn)混凝土加漿振搗質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)控可視化。

3.2.1 模型單元劃分

建立壩體結(jié)構(gòu)施工階段的精細區(qū)塊模型。首先，根據(jù)壩體施工實施部位的分倉升層計劃，確定壩體作業(yè)過程模型單元的劃分方法和精度單元設(shè)置，分級構(gòu)建壩體模型，見圖3。

圖3 壩體分級模型

其次，為準(zhǔn)確顯示、分析壩體上、下游的振搗加漿施工過程，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的，根據(jù)倉面生產(chǎn)的設(shè)計圖，確定變態(tài)注漿部位、碾壓混凝土施工部位的分布尺寸，對各級模型劃分定義變態(tài)注漿區(qū)及碾壓工藝區(qū)。

3.2.2 AutoCAD三維建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

根據(jù)大壩各壩段施工二維圖紙及施工進度計劃，利用AutoCAD軟件進行壩體結(jié)構(gòu)三維實體建模的層次建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備[6]。

首先，約定各級模型均采用同一坐標(biāo)系，制定統(tǒng)一圖層編碼規(guī)則，以保證壩體模型的完整性、準(zhǔn)確性及一致性。

然后，由基本平面設(shè)計圖，賦予相應(yīng)屬性參數(shù)，即可完成模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

最后，完成各級模型的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，將各級模型按其相應(yīng)坐標(biāo)進行拼接，即可完成整體壩體模型。

3.2.3 基于OpenGL的自動化三維建模

基于OpenGL技術(shù)，通過底層開發(fā)實現(xiàn)自動三維建模。施工信息三維可視化首先要解決的問題是混凝土結(jié)構(gòu)的三維建模，即在三維系統(tǒng)中最大限度地利用原有AutoCAD二維圖形數(shù)據(jù)，高效、自動地進行三維建模，見圖4。

圖4 自動三維建模原理

將已建好的AutoCAD層次模型導(dǎo)入自動建模程序，完成壩體結(jié)構(gòu)動態(tài)模型自動建模。圖5為壩體某倉號的自動建模成果。

為實現(xiàn)混凝土振搗、加漿施工質(zhì)量的高精度監(jiān)控，將壩體三維模型分為若干立方體有限元，見圖6，為每個立方體賦予“振搗位置坐標(biāo)屬性”“加漿量屬性”及

圖5 壩體某倉號的自動建模成果

“加漿濃度屬性”。進而通過注漿設(shè)備測得的信息化參數(shù)，通過GPS系統(tǒng)上傳至云端數(shù)據(jù)庫。最后通過遠程碾壓工藝參數(shù)信息化平臺，在壩體結(jié)構(gòu)單元模型上實時反映變態(tài)混凝土注漿量及其動態(tài)變化。

4 數(shù)據(jù)采集與軟件開發(fā)

4.1 數(shù)據(jù)采集

4.1.1 數(shù)據(jù)信息采集

數(shù)據(jù)信息采集主要采用遠程通信模塊Modbus協(xié)議。開放性的Modbus協(xié)議支持多種接口，包括RS232、RS485等方式，雙絞線、光纜等均支持Modbus通信協(xié)議[7]。密度儀、流量計、振搗坐標(biāo)等參數(shù)數(shù)據(jù)均可通過Modbus協(xié)議進行采集，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過4GDTU模塊(支持2G)遠程傳輸進入數(shù)據(jù)庫。

圖6 某倉號模型對應(yīng)的離散剖分體元模型

4.1.2 振搗坐標(biāo)定位

對傳統(tǒng)的單點定位方法進行改進，解決無法定位到實際振搗點位置的問題[8]。考慮到實際振搗時的復(fù)雜環(huán)境對信號遮擋嚴(yán)重，提出了一種基于雙GPS的振搗點位置的推算定位方法。

該方法是一種間接定位方法，使用多信息融合處理技術(shù)。方法的基本原理是：首先對施工時工人的振搗姿態(tài)進行判定，并根據(jù)不同的姿態(tài)采用不同的推算方法推算出工人正常振搗時手握振搗棒處的握點位置坐標(biāo)；然后利用深度采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)和握點位置坐標(biāo)，推算出實際振搗點的位置坐標(biāo)。算法基于工人的工作姿態(tài)對差分定位坐標(biāo)進行處理，較為準(zhǔn)確地推算出實際工作位置的坐標(biāo)，定位裝置如圖7所示。

4.2 遠程信息化軟件系統(tǒng)開發(fā)

4.2.1 數(shù)據(jù)庫開發(fā)

開發(fā)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)施工過程數(shù)據(jù)信息(濃度、注漿量、振搗坐標(biāo))的存儲、查詢、維護、分類管理等功能，用戶可以根據(jù)自身需求對數(shù)據(jù)進行分類、定義、管理。

4.2.2 3D實體坐標(biāo)體系

構(gòu)建壩體3D實體模型并賦予坐標(biāo)體系。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與3D實體模型相結(jié)合，用戶可以通過壩體壩段、壩層、壩倉以及坐標(biāo)等信息，查詢大壩施工進度以及相應(yīng)位置的施工參數(shù)信息。

圖7 定位裝置主控設(shè)備及連接

4.2.3 統(tǒng)計與評價功能

遠程信息化系統(tǒng)對大壩施工的所有數(shù)據(jù)信息按時間、分層、分倉進行統(tǒng)計分析，并對水泥凈漿濃度、加漿量、振搗質(zhì)量等，對照設(shè)計要求指標(biāo)給出合格性評價結(jié)論。

4.2.4 報警功能

在對施工數(shù)據(jù)進行評價后，對超標(biāo)參數(shù)以及振搗欠振部分進行報警顯示，提供合理的修改方案，指導(dǎo)工人及時作出應(yīng)對。

4.2.5 數(shù)據(jù)圖表導(dǎo)出

對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計及計算后，系統(tǒng)將設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)出格式和統(tǒng)計信息，能夠?qū)崿F(xiàn)壩體分層、分倉圖表的打印功能，并賦相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)及相應(yīng)的評價指標(biāo)。

5 示例應(yīng)用

通過可視化管理界面，實現(xiàn)對大壩混凝土加漿振搗施工的設(shè)備管理、混凝土加漿振搗施工實時數(shù)據(jù)采集、實時預(yù)警以及振搗加漿質(zhì)量報告管理等功能。其中監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺如圖8所示。

圖8 大壩混凝土振搗加漿監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺

設(shè)備管理界面對大壩混凝土加漿振搗監(jiān)控管理系統(tǒng)所涉及的加漿設(shè)備與振搗設(shè)備進行管理，可查詢設(shè)備的基本信息、當(dāng)前運行情況與歷史運行狀況，如圖9所示。

圖9 振搗加漿設(shè)備運行情況查詢

混凝土加漿振搗施工實時數(shù)據(jù)采集功能可對振搗加漿位置、加漿量、加漿濃度等進行實時數(shù)據(jù)采集，如圖10所示。

實時預(yù)警功能根據(jù)濃度檢測儀上傳的濃度信息進行實時濃度顯示，當(dāng)濃度低于施工標(biāo)準(zhǔn)濃度時，發(fā)出聲光報警；系統(tǒng)根據(jù)加漿計量儀上傳的漿量信息進行實時顯示，當(dāng)澆筑面澆筑完成后漿量信息高于或低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，發(fā)出聲光報警；系統(tǒng)根據(jù)定位移動終端上傳的位置信息，實時顯示定位移動終端到達的區(qū)域。

由圖11可見，在對左岸636～640m高程1壩段0層下游區(qū)域進行加漿施工時，出現(xiàn)了注漿量為0.0L的現(xiàn)象，系統(tǒng)判斷為欠漿狀況，發(fā)出相應(yīng)報警。

由圖12可見，在對左岸636～640m高程1壩段11層下游區(qū)域進行加振搗施工時，出現(xiàn)了振搗密實度為0與為1的現(xiàn)象，系統(tǒng)分別判斷為欠振狀況與稍欠狀況，分別發(fā)出相應(yīng)報警。

質(zhì)量報告管理是通過施工過程的監(jiān)控，將每個施工區(qū)域的基本信息、施工質(zhì)量統(tǒng)計、采樣點的信息統(tǒng)計進行匯總形成報告，并對該區(qū)域最終施工質(zhì)量情況進行評估。

圖10 加漿施工實時數(shù)據(jù)采集

圖13為左岸636.0～640.0m高程2壩段7層加漿質(zhì)量報告，對868個采樣點數(shù)據(jù)進行采樣并通過模型展示，最終計算得出該區(qū)域欠漿為0.00%，稍欠為5.07%，正常為37.10%，稍過為27.88%，過漿為29.95%，綜合合格率為94.93%。

圖14為右岸593.0～596.0m高程1壩段8層振搗質(zhì)量報告，對439個采樣點數(shù)據(jù)進行采樣并通過模型展示，最終計算得出該區(qū)域欠振為0.00%，稍欠為7.74%，正常為92.26%，稍過為0.00%，過漿為0.00%，綜合合格率為92.26%。

圖12 振搗實時預(yù)警

圖13 加漿質(zhì)量報告

圖14 振搗質(zhì)量報告

6 結(jié) 論

在混凝土工程的施工過程中，施工質(zhì)量和施工安全的保證始終是重中之重。在施工過程中，如何利用有效的途徑實現(xiàn)安全施工、高質(zhì)量施工、信息化施工是目前工程建設(shè)中十分關(guān)鍵的內(nèi)容。

本文展示的大壩混凝土加漿振搗質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，可對大壩混凝土施工質(zhì)量和施工安全進行實時有效的監(jiān)控，有效提升大壩現(xiàn)場施工質(zhì)量的評價效果，針對施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)的各種問題都能進行提前預(yù)判、實時報警與及時處理，真正提高了混凝土施工的安全性與可靠性，實現(xiàn)了水利施工的現(xiàn)代化與智能化，該系統(tǒng)不僅在引漢濟渭三河口水利樞紐混凝土澆筑工程中得到了很好的應(yīng)用，也可為國內(nèi)外相似工程的施工提供一定參考。