數字化碾壓監控系統在土石壩填筑施工中的應用

唐 文, 柳 啟 超

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 611130)

0 引 言

目前,土石壩是世界壩工建設中應用最為廣泛和發展最快的一種壩型。由于土石壩具有良好的適用性和經濟性,近幾十年來土石壩工程建設在我國得到迅速發展,特別是近十幾年來糯扎渡、長河壩、猴子巖、兩河口、雙江口等200/300 m級的大型土石壩相繼建設,翻開了我國土石壩建設的新篇章。

通常來說,土石壩一般具有如下典型特點:

(1)就地取材,造價經濟,節省鋼材﹑水泥和木材等重要建筑材料,同時減少了筑壩材料的遠途運輸;

(2)結構簡單,便于維修、加高和擴建;

(3)壩身是土石散粒體結構,有適應變形的良好性能,因此,對地基的要求低;

(4)施工技術簡單,工序少,便于組合機械快速施工。

由于土石壩壩體是土石散粒體結構,主要由砂、土、石料等原材料經過分層鋪填和碾壓形成,所以如何確保壩體(特別是200/300 m級高壩)的填筑質量對大壩(甚至是整個工程)的安全運行起著至關重要的作用。

1 引入數字化碾壓監控的必要性

眾所周知,土石壩填筑施工影響施工質量最關鍵的兩個因素就是料源質量(料源的顆粒級配、抗壓強度、土料含水率等方面)與碾壓作業,所以,在做好料源質量管控之外,控制好土石壩填筑過程中的碾壓環節,對于土石壩的填筑質量起著決定性的作用。

土石壩填筑碾壓后進行質量檢測(取樣檢測)的部位和方量相對于填筑區域和填筑方量來說,是極其微小的比例,所以,要保證壩體的填筑質量,最重要的關鍵因素之一就是要嚴格保證設計要求的碾壓參數在相應的填筑區域能夠落實到位。以往的土石壩填筑碾壓環節主要由人工守著振動碾來記錄碾子對相關區域的碾壓過程,但其中存在著幾個比較突出的弊端:

(1)不同填料區域的碾壓參數要求不盡相同,進行人工記錄的人員不可能同時觀察記錄多臺碾子的碾壓行進情況,如果要保證相關區域的碾壓滿足設計要求,勢必要投入大量的人力來單獨對碾子的碾壓行進情況進行不間斷的連續記錄。同時,記錄的人員可能因為長時間從事這單一、枯燥的活動而產生心理疲勞或視覺疲勞,對碾壓過程記錄的敏銳性和準確性大打折扣,導致對某一區域碾壓過程的記錄不準確;容易造成對某些部位的碾壓遍數不夠。

(2)人工記錄無法準確判斷出碾子的振動狀態(可以判斷出碾子碾壓行進時是否開啟振動,但在碾子振動時無法及時準確判斷出碾子到底是低頻高振還是高頻低振),容易因為振動狀態不正確而影響壩料的碾壓效果。

(3)人工記錄難以判斷碾子行進時是否超速。根據大多數土石壩工程來看,一般土石壩填筑碾壓時碾子的行進速度要求在3 km/h(0.83 m/s)左右,但是當碾子已經超速至4 km/h或5 km/ h時,相對一個龐然大物每秒零點幾米的超速,人眼很難及時作出準確判斷,可能任其超速行駛較長一段時間而影響壩料碾壓效果。

總而言之,土石壩的建設需要引入新的技術手段,對填料碾壓環節進行客觀、高效的監控,以確保壩體填筑實體質量。

2 數字化碾壓監控系統

目前,國內普遍使用的大壩數字化碾壓實時監控系統由天津大學開發,并負責系統的運行與維護。

2.1 大壩數字化碾壓實時監控系統的原理

(1)基于GPS定位技術和無線通信技術,建立大壩區域的電子地圖,按照壩體結構分區將壩體不同高程和不同區域的施工部位按照填筑層納入電子地圖中。

(2)通過在碾壓機上安裝高精度GPS及振動狀態監測設備(振動傳感器),并對碾壓機進行編號后納入管理軟件進行管理,從而對土石壩體碾壓過程中碾壓機的行進軌跡、行進速度、錯距距離、碾壓厚度、碾壓遍數和振動狀態等碾壓參數進行監控,同時發送相關監控數據信號至系統中心數據庫,管理軟件通過對數據信號的判斷,顯示相應的反饋信息,進而實現對壩體填筑碾壓過程全天候實時監控,確保土石壩填筑過程中相應填筑區域能夠嚴格按照設計要求的碾壓參數完成碾壓作業,保證和提升土石壩填筑的施工質量。

2.2 該系統的主要功能

(1)實時動態監測碾壓機械運行軌跡,自動監測記錄碾壓機械在壩面上的碾壓遍數、行駛速度及振動狀態,并在壩面施工數字地圖上可視化顯示。

(2)動態監測大壩各區各層填筑料的壓實厚度。

(3)將上述動態數據自動寫入數據庫,以備后續應用分析。

(4)根據自動測量的施工數據,對大壩填筑過程進行實時監控。當填筑過程中的鋪層厚度超過規定或有漏碾、超速和振動狀態不正確時,能夠自動醒目地提示施工管理人員和質量監理人員,以便他們及時指示返工或調整,使施工質量在整個施工過程中始終處于受控狀態。

(5)監控站可對大壩填筑現場運行的碾壓機械進行實時監控。

3 大壩數字化碾壓監控系統的應用

引進和使用大壩數字化碾壓實時監控系統的目的在于保證按照設計要求的碾壓參數完成一填筑層和每一碾壓單元(碾壓區域)的碾壓作業。具體應用過程如下:

(1)制定碾壓單元的碾壓合格(關倉)標準:碾壓遍數具體到每一碾壓單元,碾壓后滿足“標準碾壓遍數”要求的區域面積在本碾壓單元中的比率:堆石料不低于90%,反濾料不低于90%,過渡料不低于90%,心墻防滲土料不低于95%;且不存在明顯和集中漏壓的部位(注:“標準碾壓遍數”指的是:在限定行進速速、設定振動狀態下,振動碾對某一碾壓條帶完成設定碾壓遍數后,才能稱為這一條帶的“標準碾壓遍數”) 。

(2)施工方和管理方都應培訓和配備足夠的監控系統管理操作人員,到監控站作為該系統管理操作的終端監控員,并能熟練操作監控系統。

(3)對該碾壓監控系統設置管理權限(密碼由管理方監控員保管),只有管理方監控員才有權進行碾壓參數的設定、碾壓設備在系統內的調配和開啟監控啟動鍵;而施工方監控員只能在監控程序啟動后對碾壓監控過程進行實時監測和讀取存在問題的提示,避免施工方私自打開系統進行碾壓監控。系統配置兩臺以上的電腦用于碾壓監控,一臺作為管理方監控員進行系統管理使用,其他電腦作為施工方監測使用。

(4)經施工現場工序驗收確認可以進入碾壓工序后,由管理方監控員完成擬碾壓單元(區域)的范圍劃定、碾壓設備調配和碾壓參數設定,才能啟動碾壓監控,進入碾壓監控狀態。

(5)在碾壓監控過程中,如發現碾子行進速度超速和振動狀態不正確,監控窗口會彈出相應的報警提示,監控員應立即使用對講機通知碾壓現場給予糾正,同時,查清發生報警的原因,由管理方監控員填寫報警閉合意見。例如:是碾子轉場或出場加油等原因引起超速,還是碾壓過程中確實存在超速行駛?

(6)每一碾壓區域(或碾壓單元)在結束碾壓作業和關閉該單元(或碾壓區域)監控之前,在系統內打開監控效果圖,由管理方監控員和施工方監控員共同檢查確認:該單元(區域)的碾壓效果是否達到碾壓合格標準?是否存在局部漏碾和碾壓遍數不夠的情況?如果不存在,則可以結束碾壓,關閉對該單元(區域)的監控。如果存在則繼續對相關部位進行補壓,直至該單元(或區域)碾壓效果達到合格標準。

4 效果檢測

(1)由于大壩數字化實施碾壓監控系統具有動態實時顯示碾壓狀態和直觀反映相關碾壓區實際碾壓效果等顯著特點,通過大壩數字化實時碾壓監控系統的規范使用,能夠保證對每一個碾壓單元(區域)切實嚴格按照設計要求的碾壓參數完成相應填筑區域的碾壓作業。因此,在系統監控下振動碾的行進軌跡清晰、整齊和規范,達到標準碾壓遍數面積的比例保證在95%以上(甚至可達99%以上)。

(2)在傳統人工監控模式下,完成碾壓作業后因壓實度不滿足設計要求而需要返工補壓的情況時有發生,但經該系統監控完成碾壓作業的部位,因壓實度不滿足設計要求而返工補壓的情況極少發生。這說明碾壓監控系統相較于人工監控模式確實更能有效地促進和保證土石壩填筑碾壓質量。

(3)通過該監控系統能夠對局部漏碾(或碾壓遍數不達標)的部位實現精準高效的補充碾壓,避免盲目補壓降低施工效率和浪費施工資源。同時,該系統能夠解放出大量人力資源和提高工程管理效率。

5 結 語

引入并使用前沿科技是現代工程得以向前發展和向上提升的必經之路,大壩數字化碾壓監控系統是土石壩工程施工管理現代化的需要,也是數字化時代土石壩施工管理和質量管控的必然趨勢。大壩數字化碾壓監控系統能夠客觀、精準和高效地對土石壩填筑碾壓環節實現自動監控,對提高土石壩的填筑質量發揮了積極、良好的促進與保證作用。該系統的成功應用,有效地推動了水電工程建設行業加快進度、節約造價、保證質量和提升管理水平。