碾壓混凝土壩精細數字化施工質量控制

鄭祥 米元桃

摘 要：針對傳統碾壓混凝土壩施工常規工藝和質量控制技術存在的不足，依托烏弄龍水電站碾壓混凝土筑壩施工工藝，基于數字化在線饋控技術方案，開發了倉面碾壓熱層密實性關聯參數采集儀器及變態混凝土智能型加漿與振搗施工設備組合施工工藝，構建了碾壓混凝土壓實質量評價模型及變態混凝土振搗質量評價模型，基于云服務平臺開發了相應工藝效果實時饋控系統，形成了碾壓、注漿及振搗三位一體的集成化質量管控方法，實現了碾壓混凝土施工質控精細化，工程實踐應用效果顯著。

關鍵詞：碾壓混凝土壩;精細化施工;質量控制;數字化;烏弄龍水電站

Abstract：Aiming at the shortcomings of conventional process and quality control technology in the construction of traditional roller compacted concrete （RCC） dam， relying on the construction of Wunonglong RCC Dam， based on the digital online feedback-control technology scheme， firstly， the acquisition instruments of the density parameters of compacted layers and the combined construction process of intelligent grout and vibration construction equipment for the metamorphic concrete were developed. Secondly， the evaluation models of compaction quality of RCC and vibration quality of the metamorphic concrete were established. Thirdly， the real-time feedback-control system of the corresponding process effect had been developed based on the cloud service platform， thus， the integrated quality control method of compaction， grout and vibration was formed. The fine quality control during RCC construction was realized， and the application effect of engineering practice was remarkable.

Key words： roller compacted concrete dam; lean construction; quality control; digitalization; Wunonglong Hydropower Station

碾壓混凝土（RCC）重力壩具有施工簡單、膠凝材料用量少、不設縱縫（也可少設或不設橫縫）、施工導流容易、工程造價低等優點，在水利水電工程中應用極為廣泛。以薄層通倉碾壓為特點的碾壓混凝土筑壩技術，碾壓作業施工質量控制是筑壩成功的關鍵，對大壩成型質量有重要影響。目前，施工現場主要采用核子密度儀法實時檢測碾壓熱層壓實質量[1]，但這種通過少量隨機取點測值代表全倉面壓實質量的方法可靠性低、表征性差，且測量過程繁瑣、測值結果不穩定;此外，對碾壓混凝土壩變態區域注漿及振搗作業沒有嚴格量化可行的質量評價方法[2]。因此，針對現有施工工藝難以滿足碾壓混凝土快速施工精細化控制要求的現狀，深入研究碾壓混凝土壩施工精細數字化饋控技術，對提高施工質量、加快施工進度、節約工程成本具有重要的工程應用價值。

目前，在碾壓混凝土壩壓實質量監控方面，國外因該類壩型建設較少而鮮有報道，關于碾壓混凝土的研究主要集中于道路壓實質量控制[3];國內有不少學者提出碾壓混凝土施工壓實質量控制的新方法[4-6]，主要通過對碾壓混凝土施工壓實質量影響因素（包括料性因素、機械因素及自然因素）進行分析，找出最具代表性的影響因素，利用數學方法建立關系模型。但是，這些方法存在檢測參數表征性差、難以準確實時檢測且模型精度不足的問題。另外，在變態混凝土注漿及振搗質量控制方面，變態混凝土振搗作業質量狀況一般通過受振混凝土密實度評判，而混凝土振搗密實機理復雜，目前關于變態混凝土密實性的研究僅為定性試驗分析，未見根據振動與拌和物特性預測混凝土密實性的研究，實時定量分析振搗質量的相關研究仍處于空白狀態[2]。

為實現碾壓混凝土施工效率及施工質量精細化管理的目標，針對現有碾壓混凝土施工過程中存在的問題，水電七局聯合研究團隊，提出了碾壓混凝土壩施工質量精細數字化饋控技術方案，研發了相關智能采集儀器及施工設備，并開發了碾壓混凝土壩施工質量數字化饋控系統。研發系統內容較多、涉及面較廣，本文只針對其中主要部分的功能、原理及應用情況進行扼要介紹。

1 碾壓混凝土壓實質量精細數字化饋控技術

1.1 碾壓熱層壓實質量精細數字化饋控方法

為實現碾壓混凝土倉面壓實質量實時、快速、精確評價及反饋，提出一套基于BP人工神經網絡（BP-ANN）智能預測的碾壓混凝土壓實質量數字化饋控方法（見圖1）。首先，使用自主研發的智能參數采集設備在現場倉面實時獲取碾壓質量評價參數（包括RCC拌和物含濕率及碾壓后表面應力波波速），同時基于GNSS系統及4G無線通信技術將所獲參數信息實時傳輸至云服務器;其次，構建基于BP-ANN的碾壓混凝土壓實度評價模型，輸入實時碾壓工藝參數及其三維坐標，計算、輸出壓實度，作為當前施工層碾壓質量評價指標;最后，遠程精細數字化饋控系統實時調取評價結果，在3D碾壓熱層模型上實現壓實質量可視化監控，并形成Web在線壓實質量云圖反饋至施工人員，以指導現場施工人員針對缺陷部位補碾至合格。

基于BP-ANN的碾壓混凝土壓實度評價模型是實現碾壓質量實時饋控的關鍵。由于混凝土受機械碾壓壓實過程機理復雜，壓實度影響因素眾多且呈非線性[7]，簡單建模方法不適用，因此采用BP人工神經網絡構建碾壓層壓實度評價模型。模型輸入參數為RCC拌和物含濕率、碾壓混凝土表面應力波波速及骨料級配參數，輸出參數為當前碾壓層壓實度。模型實時評價流程如圖2所示，現場實時獲取RCC拌和物含濕率、表面波波速值等碾壓工藝參數并自動上傳至云端數據庫，骨料級配作為模型選擇參數用于確定使用二級配或三級配碾壓混凝土壓實度評價模型，模型選定后將對應碾壓工藝參數輸入評價模型進行實時計算，最后輸出壓實度值并儲存至數據庫。

通過采集大量現場數據，分別基于200組訓練樣本建立了二級配碾壓混凝土與三級配碾壓混凝土壓實度評價模型。為分析壓實度預測模型精度，將30組驗證樣本輸入模型中驗證模型精度，結果如圖3所示。由圖3可知，所建立的碾壓混凝土施工壓實質量實時監測模型預測精度較高。

1.2 智能碾壓工藝參數采集及施工設備開發

為獲取可靠的現場碾壓工藝參數，開發了一套智能碾壓工藝參數采集設備，主要包括智能含濕率測定儀、智能表面應力波波速測定儀及碾壓車軌跡采集設備。

1.2.1 智能含濕率測定儀

維勃稠度（VC值）是表征碾壓混凝土拌和物可碾性的重要參數。但由于其測試工作量大、環境因素影響較大，不能做到快速準確檢測[8]，因此確定以新拌混凝土含濕率作為碾壓混凝土料性參數，并研發智能含濕率測定儀。智能含濕率測定儀由水分傳感器、手持儀表和GPS-RTK定位無線終端設備組成，可自動完成倉面RCC拌和物含濕率及VC值的測量、計算、顯示、存儲、無線通信，實現將倉號、樣品序號、含濕率值、VC值和倉面測點坐標數據等上傳到云端服務器，如圖4所示。

1.2.2 智能表面應力波波速測定儀

前期研究發現，表面應力波波速對碾壓混凝土壓實質量較為敏感，隨著碾壓混凝土不斷被壓實，應力波波速將逐漸加快，且測值波動范圍很小。智能表面應力波波速測定儀由表面波信號檢測系統、GPS定位系統、信號采集處理系統及行走系統組成。實時碾壓熱層表面應力波波速測試儀實時采集、計算、上傳過程見圖5。

為分析設備系統誤差，在烏弄龍水電站碾壓混凝土倉面中心區域取不同碾壓條帶，對同一碾壓條帶不同碾壓遍數條件下各測量兩次碾壓層表面應力波波速，同時采用核子密度儀測量對應位置的壓實度。測量結果表明，使用研發的波速測試儀及制定的測試方法測量碾壓混凝土中縱波傳播速度方法可靠、結果穩定，滿足測量精度要求。

1.2.3 碾壓車軌跡采集設備

通過在碾壓車上加裝GPS定位裝置，實現了碾壓車軌跡采集，并通過無線通信技術將定位數據上傳至云服務器。

2 變態混凝土振搗質量精細數字化饋控技術

2.1 變態混凝土振搗質量精細數字化饋控方法

大量施工實踐表明，倉面變態混凝土施工作業方法較為簡單、過程相對粗放難控，是制約升層施工速度、管控材料盈虧以及影響碾壓層重點部位質量的關鍵環節。因此，結合碾壓工藝智能數字化管控模式，提出變態混凝土注漿、振搗質量實時饋控新技術，實現倉內加漿層振搗工序全部機械化、評價參數化、效果可視化、控制智能化，可消除人工作業低效不可控、工序相互干擾的現實問題，極大改善全倉面施工質量與效率。

碾壓混凝土施工熱層壓實質量實時評價反饋實現方法見圖6，通過自主開發的智能型高效加漿和振搗機械與專門裝備，實時獲取工藝參數并自動上傳，基于實時工藝參數進行質量評價，通過遠程質量數字化系統反饋至施工現場，及時修復不合格區域，提高變態混凝土澆筑施工質量。其中：變態混凝土注漿質量由實時采集的注漿量參數進行注漿均勻性評價，振搗質量則是基于支持向量機的加漿層硬化孔隙率實時預測模型實現實時評價。根據前期研究可知，評價混凝土密實性的最適宜指標為成型混凝土孔隙率，但是孔隙率與材料特性參數之間并非簡單的線性關系，內部機理尚不可知，導致目前難以構建孔隙率理論計算模型。針對這一問題，利用支持向量機算法進行混凝土孔隙率預測，繼而評價變態混凝土振搗質量。

在烏弄龍水電站碾壓混凝土試驗倉內振搗棒插入變態混凝土處及距棒心7、11、16 cm處取芯樣，28 d齡期后測定硬化孔隙率，共獲得100組數據，其中：訓練集85組，其余15組作為測試集。模型輸入參數為含氣量、屈服應力、塑性黏度、新拌物密度、振動能量密度等，輸出參數為硬化孔隙率，預測結果見圖7，可知相對殘差不超過10%，其中訓練集相對誤差為5%左右，可見利用支持向量機算法能較為準確地預測硬化混凝土孔隙率，可用來評價變態混凝土振搗質量。

2.2 智能化注漿及振搗施工設備研發

2.2.1 機械注漿系統

研究團隊研發并試驗驗證了一套智能型變態混凝土加漿攪拌設備，旨在運用旋轉攪拌加漿方式提高變態混凝土漿液分布的均勻性，同時依靠智能計量反饋系統實現倉面加漿質量可靠控制。智能機械注漿機（見圖8）上配置一套全自動數據采集系統，該系統主要由圓盤天線、流量計、數據采集盒等組成，數據采集盒放置于駕駛室內，主要用于接收機械注漿機注漿位置與注漿量信息，并發送至遠程終端，駕駛員可以通過手機實時觀察注漿情況，并對注漿欠量的地方進行補漿操作，實現機械注漿實時饋控功能。

通過實地應用測試，發現碾壓混凝土現場注漿效果良好。在試驗區域挖槽，取出注漿后的變態混凝土，觀察水泥漿液滲透情況，發現水泥漿液在碾壓混凝土內部滲透均勻，碾壓混凝土骨料周圍被水泥漿液均勻附著，變態混凝土上下層水泥漿液分布均勻且無大量水泥漿液集聚現象，能夠滿足變態混凝土性能要求。采用傳統施工方式（在碾壓混凝土表面鋪灑水泥漿）制備變態混凝土，水泥漿液滲透極不均勻，極易造成水泥漿液上下層含量差異：上層水泥漿液較多，而下層水泥漿液不足，最終導致泌水現象。對比兩種施工方式的變態混凝土表觀質量可知，采用機械注漿系統施工的變態混凝土水泥漿液滲透質量比傳統人工加漿方式有極大提高。

2.2.2 自動注漿振搗臺車系統開發

研究小組研制了自動注漿振搗臺車智能化系統，在數字化遠程系統輔助下，實現了變態混凝土注漿振搗一體機智能采集通信功能（見圖9）。該系統由倉面RTK定位裝置、流量饋控裝置以及數據采集儀（位于駕駛室內）組成。定位裝置可精確定位注漿振搗頭位置，流量饋控裝置用于測量并讀取機械注漿的實時流量，數據采集儀采集到的位置與流量數據打包后上傳至遠程終端，遠程終端根據相應的位置、流量信息生成注漿質量云圖，操作員可以通過手機實時查看質量云圖，據此對注漿質量欠佳位置補漿，從而實現注漿質量實時饋控。

2.2.3 人工振搗設備定位系統

為解決倉面邊角和機械振搗設備不能到達的變態混凝土部位的振搗信息化饋控問題，研究小組研發了一套人工隨機振搗作業信息采集系統。該系統由人工振搗馬甲、定位裝置（圓盤天線）、連接線、數據采集儀組成，根據采集到的邊角振搗部位的實時信息，通過振搗半徑、時間與振搗影響范圍、密實度相關模型，計算給出振搗密實質量評價報告及云圖，實現遠端振搗數字化效果。

3 碾壓混凝土壩施工質量精細數字化饋控系統

遠程可視化反饋控制系統是一套具備實時反饋功能的3D可視化系統，其將原有的AutoCAD二維圖像資料轉化為3D模型[9]。基于VS2010開發平臺，結合VC++面向對象編程技術、OpenGL圖形系統、數據庫等技術開發可視化軟件，實現碾壓混凝土施工壓實信息數據庫管理、3D實體的拾取與反饋、3D虛擬環境下碾壓混凝土施工壓實質量單元評價效果分析、3D虛擬環境下壓實質量不合格區域自動報警以及3D可視化等功能。

3.1 碾壓質量可視化饋控平臺

為檢驗成套智能化施工精細控制系統現場應用成效，于2018年5—6月在烏弄龍水電站項目進行了設備現場測試，試驗倉位于大壩左岸十號倉第四段，整個施工倉共計20層，層厚0.3 m、高程1 876～1 882 m，共6 m升程。系統根據碾壓車軌跡、含濕率、壓實度、波速等參數，在遠程客戶端生成直觀云圖顯示倉面碾壓效果（見圖10，紅色區域對應不密實區域）。用戶可以直接通過手機查看碾壓實時質量云圖，及時對不密實區域進行補碾，解決碾壓混凝土質量問題。

3.2 注漿組合作業工藝參數信息化平臺

運用手持便攜式注漿系統、機械注漿系統、自動注漿振搗臺車智能化系統等多種設備組合注漿，實現了倉面注漿全智能化。其中：機械注漿系統與自動注漿振搗臺車智能化系統注漿量大、注漿速度快、注漿面廣，主要用來完成變態混凝土加漿帶大面積加漿工作;模板、止水帶邊角以及拉筋附近等不易加漿區域，由手持便攜式注漿系統完成。這套系列化、多設備組合的變態混凝土工藝配套設備和工藝方法成功應用于烏弄龍水電站施工，全方位加快了變態混凝土注漿施工進度，減少了水泥凈漿消耗。同時，遠端可視化系統根據上傳的數據信息自動生成該層的注漿質量報告并且在手機端顯示注漿質量云圖，現場操作員可根據注漿質量云圖對相應設備注漿情況進行評價，并對注漿量較少的部位進行補漿操作。圖11為遠程客戶端顯示的注漿效果，其中：綠色為注漿正常，淺藍色為注漿稍過，藍色為過注，黃色為注漿稍欠，紅色為欠注。從應用效果來看，注漿組合作業效果完全滿足施工要求，云圖顯示的注漿分布與注漿總量均與實際注漿情況吻合。

3.3 振搗組合作業工藝參數信息化平臺

研發小組根據工地實際振搗設備與倉面情況，開發了不同振搗設備工藝之間的效率匹配和組合方法。烏弄龍水電站振搗設備主要有人工振搗機、振搗臺車（二爪）、八爪振搗機組成，振搗臺車與八爪振搗機體型較大、振搗覆蓋面廣、振搗效率高，但對于止水帶附近邊角與模板附近不容易振搗，特別是模板前方有較為密集的拉筋，強行振搗會有較大的安全隱患，而人工振搗機可以很好地解決這一問題，但是人工振搗機有效率低、效果差、耗時耗力的缺點。因此，應采用分區組合振搗作業模式，大面積振搗由振搗臺車與八爪振搗機完成，止水帶邊角和模板拉筋附近由人工振搗機完成。

現場振搗效果通過數字化遠程系統顯示在遠程客戶端上，遠程監控人員可通過手機上安裝的振搗可視化饋控系統指導現場工人及時對欠振區域進行補振，以保證混凝土施工質量。

4 結 語

通過對碾壓混凝土壓實、變態混凝土注漿、振搗3大施工技術環節進行設備及裝備智能化改造和施工工藝組合升級，形成了碾壓現場壓實度、注漿質量、振搗質量三位一體的精細數字化饋控系統，并在烏弄龍水電站工程現場得到良好應用與驗證。

（1）采用自主研發的智能含濕率測定儀及表面應力波波速測定儀，實現了碾壓工藝參數的實時采集;以RCC拌和物含濕率、碾壓層表面應力波波速及骨料級配參數為輸入參數，以壓實度為輸出參數，構建了基于BP-ANN的碾壓層壓實度評價模型，實現了碾壓層壓實質量的實時精細化評價。

（2）建立了智能變態混凝土加漿攪拌設備（自主研發）、加漿振搗臺車（升級改造）與人工振搗設備的組合施工工藝，均具備作業定位與特征參數實時遠程上傳功能;以含氣量、屈服應力、塑性黏度、新拌物密度、振動能量密度為輸入參數，以硬化孔隙率為輸出參數，構建了基于支持向量機的變態混凝土振搗質量評價模型，可較為準確地量化評價變態混凝土的振搗質量。

（3）依托烏弄龍碾壓混凝土壩施工，開發了施工質量數字化饋控系統，初步建立了碾壓混凝土筑壩作業過程數字化饋控技術體系（包括碾壓混凝土壓實質量實時精細化饋控技術、變態混凝土精準加漿控制技術以及振搗效果實時量化饋控技術），并取得良好運用效果。

參考文獻：

[1] 中國水利水電工程總公司.水工碾壓混凝土施工規范： SL 53—94 [S]. 北京：水利電力出版社，1994：1-11.

[2] 鐘登華，時夢楠，崔博，等.大壩智能建設研究進展[J].水利學報，2019，50（1）：38-52，61.

[3] WHITE D J， VENNAPUSA P， DUNN M. A Road Map for Implementation of Intelligent Compaction Technology[C]//ABU-FARSAKH M，YU X，HOYOS L R. Geo-Congress 2014 Technical Papers： Geo-Characterization and Modeling for Sustainability. Atlanta：American Society of Civil Engineers （ASCE），2014：2010-2018.

[4] 鐘桂良. 碾壓混凝土壩倉面施工質量實時監控理論與應用[D].天津：天津大學， 2012：29-61.

[5] 林達. 碾壓混凝土壩施工壓實質量預測評價模型研究[D].天津：天津大學，2012：17-56.

[6] 劉玉璽. 碾壓混凝土壩施工信息模型原理與應用研究[D].天津：天津大學，2015：101-112.