混凝土壩澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控研究

劉 明 生， 莊 海 龍， 劉 澤 艷

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)進(jìn)程的加快，大中型水電工程建設(shè)在西部、西北部地區(qū)呈日新月異的發(fā)展，水電工程建設(shè)逐漸向更加偏遠(yuǎn)的高海拔山區(qū)挺進(jìn)。隨著熟練施工人員的逐漸缺失，機(jī)械化振搗設(shè)備逐漸走入水電工程建設(shè)并得到充分發(fā)展。水電工程大壩混凝土澆筑施工已逐漸向少人化、機(jī)械化、智能化過(guò)渡。

楊房溝水電站大壩混凝土澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控研究的目的是研究如何在大壩、廠(chǎng)房等大體積混凝土機(jī)械化施工過(guò)程中充分利用高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能化技術(shù)，使質(zhì)量管理人員在后方即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土振搗澆筑質(zhì)量進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控和指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的混凝土振搗位置、振搗時(shí)間、插入深度和角度等遠(yuǎn)程、在線(xiàn)、實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控分析并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)每次混凝土振搗施工過(guò)程信息進(jìn)行記錄、保存，并可對(duì)施工質(zhì)量情況、施工過(guò)程情況可隨時(shí)進(jìn)行查詢(xún)。

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，該河段是規(guī)劃中的第6 級(jí)水電站。電站總裝機(jī)容量為1 500 MW，安裝4臺(tái)、單機(jī)容量為375 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。工程為一等大(1)型工程。工程樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 102 m，最大壩高155 m，拱冠梁頂寬9 m，底寬32 m，厚高比為0.206，最大拱端厚度為34.9 m。拱壩共設(shè)17個(gè)壩段， 設(shè)計(jì)有3個(gè)中孔、4個(gè)表孔及1個(gè)生態(tài)泄放孔。筆者詳細(xì)介紹了該壩混凝土澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控研究?jī)?nèi)容。

2 混凝土澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控原理

混凝土澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控按照目前的技術(shù)手段，主要適用于大壩、廠(chǎng)房等大體積混凝土機(jī)械化施工的倉(cāng)號(hào)，主要針對(duì)拱壩、重力壩、廠(chǎng)房等非鋼筋密集區(qū)部位使用。對(duì)于鋼筋網(wǎng)密集區(qū)，由于不能采用機(jī)械化振搗設(shè)備進(jìn)行振搗的條件限制，只能起到視頻監(jiān)控作用；對(duì)于采用人工進(jìn)行混凝土振搗質(zhì)量監(jiān)控，尚須現(xiàn)場(chǎng)施工人員實(shí)施管控。

混凝土澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控的原理是通過(guò)在振搗臺(tái)車(chē)上安裝GPS定位系統(tǒng)，在振搗棒頭安裝激光測(cè)距儀、電子羅盤(pán)測(cè)角度等傳感器進(jìn)行的。通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)量振搗棒距離混凝土表面的距離計(jì)算棒頭插入混凝土中的深度是否滿(mǎn)足鋪料后振搗深度的質(zhì)量要求；通過(guò)電子羅盤(pán)測(cè)角度傳感器測(cè)得的傾斜角度監(jiān)測(cè)振搗棒振搗時(shí)其角度是否滿(mǎn)足要求；系統(tǒng)通過(guò)記錄振動(dòng)棒在同一位置振搗的時(shí)間差監(jiān)測(cè)振搗時(shí)間是否滿(mǎn)足生產(chǎn)性試驗(yàn)總結(jié)的振搗時(shí)間要求；按照倉(cāng)面設(shè)計(jì)平面圖對(duì)每一坯層振搗情況進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量、記錄，系統(tǒng)通過(guò)分析振動(dòng)棒在整個(gè)倉(cāng)號(hào)平面位置振搗的次數(shù)、時(shí)間，計(jì)算并分析重復(fù)振搗的情況、漏振情況，并結(jié)合振搗的深度、角度、時(shí)間等綜合分析每坯層的振搗質(zhì)量，最后進(jìn)一步判定每倉(cāng)的澆筑振搗質(zhì)量。

澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控研究的原理：通過(guò)在振搗臺(tái)車(chē)上安裝GPS定位[1]、激光測(cè)距、電子羅盤(pán)測(cè)角度等傳感器，研發(fā)了集成多源傳感器，基于“采集-集成-分析-反饋”信息于一體的振搗施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)服務(wù)端對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行集成并將其存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，客戶(hù)端能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振搗施工數(shù)據(jù)的可視化分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)振搗位置、振搗次數(shù)、振搗時(shí)間、插入深度和角度等遠(yuǎn)程、在線(xiàn)、實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控分析，并對(duì)每次振搗施工過(guò)程進(jìn)行信息的記錄、分析、查詢(xún)、判斷，可適時(shí)地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不符合設(shè)定指標(biāo)的操作提出預(yù)警，管理人員據(jù)此可查詢(xún)并對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行適時(shí)整改糾正，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)督、指導(dǎo)、糾偏、確保現(xiàn)場(chǎng)振搗施工質(zhì)量的目的。

3 澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝與應(yīng)用

混凝土澆筑振搗施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)主要由定位基準(zhǔn)站、振搗臺(tái)車(chē)感知端、通信網(wǎng)絡(luò)、配套軟件客戶(hù)端等部分組成。系統(tǒng)的整體監(jiān)控原理如圖1所示，振搗臺(tái)車(chē)[2]監(jiān)控端設(shè)備的安裝情況見(jiàn)圖2，核心集成主機(jī)見(jiàn)圖3。

圖1 混凝土澆筑振搗施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

圖2 振搗臺(tái)車(chē)設(shè)備安裝布置圖

圖3 自主研發(fā)的集成主機(jī)

3.1 差分定位基準(zhǔn)站

差分定位基準(zhǔn)站是整個(gè)感知系統(tǒng)的“位置標(biāo)準(zhǔn)”。鑒于衛(wèi)星定位接收機(jī)單點(diǎn)定位精度只能達(dá)到分米級(jí)，而對(duì)于振搗坐標(biāo)參數(shù)的感知要求其定位精度達(dá)到厘米級(jí)，故該方法無(wú)法滿(mǎn)足要求。

為了提高衛(wèi)星的定位精度，在建立感知系統(tǒng)時(shí)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，利用已知的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)時(shí)修正所獲得的測(cè)量坐標(biāo)。首先，在大壩壩頂適當(dāng)位置建立基準(zhǔn)站(圖4)，在基準(zhǔn)點(diǎn)處設(shè)立一定位天線(xiàn)并設(shè)置了配套的衛(wèi)星定位接收機(jī)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信鏈路將基準(zhǔn)點(diǎn)的定位測(cè)量數(shù)據(jù)和該點(diǎn)實(shí)際位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送給大壩倉(cāng)號(hào)內(nèi)的振搗臺(tái)車(chē)感知端的接收機(jī)，通過(guò)與感知端的定位坐標(biāo)一起進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，計(jì)算得出厘米級(jí)的感知端定位坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)振搗定位精度的大幅度提升。

差分定位基準(zhǔn)站通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)大壩倉(cāng)內(nèi)振搗臺(tái)車(chē)混凝土澆筑振搗的實(shí)際情況與后方集成主機(jī)聯(lián)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的適時(shí)傳輸。

3.2 硬件系統(tǒng)的安裝與部署

系統(tǒng)硬件的部署主要分為兩部分：一是在振搗臺(tái)車(chē)上安裝多源傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及與定位設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)差分的基站，其安裝情況見(jiàn)圖4、5。二是安裝在總包機(jī)房的2臺(tái)系統(tǒng)服務(wù)器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和備份，其安裝情況見(jiàn)圖6。

圖4 基準(zhǔn)站硬件安裝圖

振搗臺(tái)車(chē)感知端亦稱(chēng)振搗臺(tái)車(chē)機(jī)載終端，包括安裝在振搗臺(tái)車(chē)上的外接雙天線(xiàn)的衛(wèi)星定位接收機(jī)、傾角傳感器(內(nèi)置電子羅盤(pán))、激光測(cè)距儀、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備DTU以及駕駛室報(bào)警設(shè)備。這些設(shè)備統(tǒng)一連接到自主研發(fā)的集成主機(jī)上，然后通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)射端將所感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送。其中，衛(wèi)星定位接收機(jī)不間斷地接收BDS、GPS和GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，按照1Hz的頻率對(duì)振搗臺(tái)車(chē)進(jìn)行定位，并通過(guò)差分信號(hào)網(wǎng)絡(luò)與基準(zhǔn)站進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分，從而獲得高精度的振搗臺(tái)車(chē)空間位置數(shù)據(jù)。傾角傳感器分別安裝在振搗臺(tái)車(chē)的小臂和振搗機(jī)架上，測(cè)量小臂和振搗機(jī)架的傾角數(shù)據(jù)和振搗臺(tái)車(chē)的航向角數(shù)據(jù)，結(jié)合定位數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)和振搗臺(tái)車(chē)機(jī)械幾何尺寸數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)確定振搗棒的空間姿態(tài)。將紅外激光測(cè)距儀安裝在振搗機(jī)架上，用于實(shí)時(shí)測(cè)量振搗棒末端與混凝土表面的直線(xiàn)距離。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備通過(guò)電臺(tái)無(wú)線(xiàn)通信數(shù)據(jù)鏈路將定位數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、距離數(shù)據(jù)等狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)分析存儲(chǔ)服務(wù)端。報(bào)警設(shè)備負(fù)責(zé)接收服務(wù)器發(fā)送的報(bào)警處理信息，并通過(guò)LED屏和指示燈提醒振搗臺(tái)車(chē)駕駛員規(guī)范作業(yè)。振搗車(chē)施工監(jiān)控硬件的安裝位置見(jiàn)圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控系統(tǒng)硬件安裝圖

圖6 總包機(jī)房服務(wù)器布置圖

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)[3]是連接與溝通感知系統(tǒng)與饋控端、后臺(tái)總控端以及分析存儲(chǔ)服務(wù)端等各工作節(jié)點(diǎn)的橋梁，也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕馈?/p>

感知系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)包括無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)和光纖有線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，其中無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)振搗臺(tái)車(chē)感知端和現(xiàn)場(chǎng)饋控端間的通信。現(xiàn)場(chǎng)饋控端與雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司楊房溝水電站建設(shè)管理局營(yíng)地后臺(tái)總控端和分析存儲(chǔ)服務(wù)端由于距離過(guò)遠(yuǎn)且遮蔽物較多，不適用于無(wú)線(xiàn)通信，因而架設(shè)了光纖線(xiàn)路[4]進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。總控端和服務(wù)端間通過(guò)營(yíng)地內(nèi)部的局域網(wǎng)進(jìn)行連接通信。

3.4 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是保障整個(gè)硬件系統(tǒng)能夠正常工作的基礎(chǔ)，包括服務(wù)端和客戶(hù)端。服務(wù)端部署在現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)電腦上，負(fù)責(zé)對(duì)集成主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理并存儲(chǔ)在營(yíng)地的數(shù)據(jù)庫(kù)中；客戶(hù)端的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)振搗監(jiān)控系統(tǒng)的綜合管理以及可視化分析，通過(guò)派遣安裝有儀器的振搗臺(tái)車(chē)至施工倉(cāng)面，對(duì)倉(cāng)面數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過(guò)實(shí)時(shí)可視化振搗施工作業(yè)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)振搗施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的部位進(jìn)行彈窗報(bào)警，如在駕駛艙安裝工控機(jī)，可以實(shí)時(shí)提醒操作人員振搗情況。

軟件系統(tǒng)包括服務(wù)端和客戶(hù)端。服務(wù)端負(fù)責(zé)對(duì)集成主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理并存儲(chǔ)在營(yíng)地的數(shù)據(jù)庫(kù)中；客戶(hù)端的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)振搗監(jiān)控系統(tǒng)的綜合管理以及可視化分析。

在實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)程中，可以對(duì)每次振搗作業(yè)的振搗位置、振搗時(shí)間、插入深度等信息進(jìn)行可視化，振搗實(shí)時(shí)曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

(a)

(b)圖7 插入深度和振搗時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線(xiàn)圖

對(duì)某一倉(cāng)面振搗施工歷史信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將單次插入深度和振搗時(shí)間繪制關(guān)系曲線(xiàn)。如12壩段12#-12倉(cāng)：高程為1 993～1 996 m，單次振搗插入深度曲線(xiàn)見(jiàn)圖8，單次振搗時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

3.5 實(shí)施效果統(tǒng)計(jì)分析

混凝土澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)采用信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振搗作業(yè)信息的精準(zhǔn)感知，用其代替了傳統(tǒng)依靠人工經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行振搗參數(shù)質(zhì)量評(píng)估的方式，從而輔助監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)操作人員規(guī)范化施工，為保證混凝土澆筑振搗質(zhì)量、規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)振搗施工標(biāo)準(zhǔn)化提供了重要的技術(shù)支撐。

圖8 12#-12倉(cāng)面單次振搗插入深度曲線(xiàn)圖

圖9 12#-12倉(cāng)面單次振搗時(shí)間曲線(xiàn)圖

截止2020年8月，在楊房溝水電站大壩混凝土澆筑施工過(guò)程中，采用混凝土澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)了12個(gè)壩段、206倉(cāng)澆筑情況數(shù)據(jù)，共計(jì)監(jiān)控45 019次振搗過(guò)程，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)25 G，各壩段監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 振搗施工質(zhì)量監(jiān)控情況統(tǒng)計(jì)表

自楊房溝水電站拱壩施工采用智能振搗系統(tǒng)之后，施工質(zhì)量總體優(yōu)良，施工過(guò)程中未發(fā)生漏振現(xiàn)象，但存在少量過(guò)振和重復(fù)振搗現(xiàn)象。拱壩壩體現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯情況表明：芯樣質(zhì)地密實(shí)，骨料分布均勻，施工縫面膠結(jié)良好，抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、極限拉伸、抗凍性能、抗?jié)B等級(jí)等試驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著水電工程建設(shè)的發(fā)展，大壩、廠(chǎng)房等大體積混凝土澆筑必將推廣使用機(jī)械化振搗施工，而采用BIM視頻系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)行智慧大壩[5]、智慧廠(chǎng)房建設(shè)是大的發(fā)展趨勢(shì)。楊房溝水電站進(jìn)行的混凝土澆筑振搗質(zhì)量智能化監(jiān)控研究，對(duì)非鋼筋密集區(qū)大壩、廠(chǎng)房等機(jī)械化振搗施工質(zhì)量控制起到了有效的監(jiān)督、指導(dǎo)、糾偏作用，為促進(jìn)智慧大壩建設(shè)工作積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，其它類(lèi)似工程可以借鑒、完善和推廣使用。