碾壓混凝土壩智能監控系統的應用與思考

李 雄

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511300)

1 應用背景

金水河三級水電站坐落于紅河州金平縣，屬于金水河中游的第三級電站，攔河壩址建于坪河出口下游約150 m處，攔河壩結構為碾壓混凝土重力壩，壩址以上流域面積為283.4 km2，年平均流量為17.7 m3/s，水庫總庫容為478萬m3。該水電站為日調節引水式，以發電為主，主要建筑物由攔河壩、引水隧洞、調壓井、廠房等組成。

水電站大壩碾壓施工質量與工程運行安全息息相關，如果完全依賴監管人員通過挖坑試驗控制碾壓參數，判斷施工質量，已無法匹配大規模機械作業，也難以達到水利水電工程創新發展的新要求[1]。同時，金水河三級水電站碾壓混凝土壩工程量較大，工期時間緊張，因此，應選擇具有連續性、高精度等性能的智能監控系統，自動化監控與反饋工程施工質量。

2 方案設計及技術特點分析

2.1 技術方案

碾壓混凝土壩智能監控系統通過定制的北斗RTK雙星設備，即BDS和GPS，實現施工機械的遠程定位，并配套振動傳感器、工業PAD等設備，組成一個完整的監控系統，監測數據由施工機械采集后通過移動網絡傳送到服務平臺，具體現場布置結構見圖1。

圖1 現場布置結構

2.2 關鍵技術特點分析

碾壓混凝土壩智能監控系統的工作原理是在施工機械上安裝定位監測設備、振動頻率采集及顯示等裝置，從而實現現場的實時監控，采集分析與填筑碾壓質量相關的數據信息[2-4]。主要技術特點包括以下幾個方面：一是實時動態監測碾壓混凝土壩施工機械的運行軌跡、運行速度、振動頻率等數據，并當數據值沒有達到設置參數標準時，會發出警報提示指令。二是能夠實時自動記錄碾壓遍數、厚度、高程等指標信息，并在司機室內可通過工業平板查看碾壓軌跡與已覆蓋區域，幫助操作人員進行碾壓施工作業，避免出現漏碾或錯碾的情況。三是單元碾壓施工結束后，監控系統能自動輸出單元成果分析報告，主要包含碾壓軌跡圖、行駛速度圖、碾壓遍數圖、高程分布圖等圖件，為建設高質量碾壓混凝土壩及后續工程驗收工作提供基礎支撐。

3 應用效果

3.1 現場質量控制效果

(1)碾壓層厚。 對采用實時監控與分析系統監控碾壓混凝土一次攤鋪厚度合格率進行統計分析，效果良好，能滿足設計要求，結果如圖2與表1。

圖2 高程532.5～535.5 m碾壓混凝土一次攤鋪厚度情況

表1 高程532.5～535.5 m碾壓混凝土一次攤鋪合格率

(2)碾壓遍數。 依據定位車輛在同一點出現的次數，監控系統可以監測出每個點的碾壓遍數，并顯示碾壓軌跡，軌跡寬度代表壓輪寬度，碾壓次數采用不同的顏色進行標識，從而準確統計顯示出碾壓區域范圍及碾壓遍數。

(3)碾壓軌跡及振動狀態。當現場碾壓機械開始工作時，監控系統便會同步跟蹤顯示圖形軌跡，以方便查看碾壓覆蓋區域。并利用振動加速度傳感器監測振動碾的頻率，用數據采集器記錄實時信息，進而分析機械振動狀態，挖掘數據動態變化規律。

(4)碾壓速度。 通過監控系統實時掌握施工單元的碾壓進程及速度變化態勢，超速時，能及時找到超速的原因，包括主要設備與部位，統計出超速的總次數和距離。

(5)碾壓成果管理。碾壓施工作業結束后，對單元碾壓遍數、速度、振動狀態、高程等數據進行分析整理，形成單元質量分析文檔，用作后期碾壓質量驗收材料。

3.2 碾壓混凝土檢測結果

根據鉆孔所取芯樣分析，芯樣表面結構完整光滑，采取率為99.18%，獲得率為97.57%，說明混凝土縫隙膠結情況良好，整體質量優良。從力學性能試驗表明，本工程碾壓混凝土芯樣符合設計要求，抗壓強度、拉伸等性能指標與現場實測結果基本相同。現場壓水試驗共計11段次，透水率最小值為0.0450 Lu，最大值為0.0936 Lu，其中低于0.05 Lu的有1段次，占比為9.09%。其他各段透水率均在0.0600～0.0936 Lu之間，無大于0.10 Lu的試驗段。設計要求抗滲等級為W6，經過透水率成果轉換，現場壓水試驗抗滲等級全部都大于W6，表面碾壓混凝土層間抗滲性能良好，工程質量較為可靠。

由現場芯樣結構、力學性能及壓水試驗可以看出，金水河三級水電站大壩碾壓施工質量整體優良，抗滲性能較好，符合設計要求。

4 對碾壓混凝土壩智能監控系統發展的思考

該成果為智慧水利水電工程的發展奠定了良好基礎，但未來仍需進一步的研究，主要發展趨勢大致分為以下幾個方面：一是“4S”技術的應用。運用地理信息系統(GIS)、遙感系統(RS)、全球衛星定位系統(GPS)和專家系統(ES)的集成框架，實現大壩安全監控系統集成效能，將成為數字流域發展的重點研究方向。二是數字監控技術的優化與普及。目前，數字監控技術在水利水電工程大壩安全監測中應用范圍較為局限，如何將數字監控技術更好的付諸實踐是需要技術人員思考的重要問題。比如在碾壓質量監控的基礎上，是否能實現對混凝土振搗質量的數字化監控。三是大壩數字化管理。當前，數字監控往往只是應用于一個工程，今后，將向以流域為單位的數字化管理模式轉變，從而實現大壩的綜合管理。四是智能監控技術的系統化應用。數字監控主要是對當前工作狀態的實時自動化監測，對未來狀態的模擬和預測還需要采取更為靈活的智能干預措施，因此，針對不同區域，采用智能化的監控體系是現代水利轉型升級的必然結果。

5 結 語

綜上所述，對混凝土壩施工工藝進行智能化監控，不僅能實現施工過程的精細化管理，還能避免傳統管理模式下的資源浪費，保障施工質量。因此，混凝土壩施工工藝的發展前景廣闊，相關研究人員要進一步加強對智能碾壓和智能監控的研究力度，替代傳統管理模式，提升工程建設水平，實現水利水電工程安全、高效的施工目標，創造經營價值。