北斗衛星高精度定位智能壓實系統在碾壓混凝土中的施工研究

肖 輝

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

目前水利水電工程碾壓混凝土施工控制參數較多，從混凝土拌合到初凝，全過程基本全憑人工操作、控制，尤其是碾壓混凝土密實度控制，目前均采用核子密度儀檢測，該儀器具有難保管、人為因素難以排除和以點代面的問題，不能全面、真實地反映壩體整體密實度。且施工過程難回顧，質量控制難度大，一旦出現質量問題常常無數據可查，部分數據也無法追本溯源[1～6]。

本文在湖南毛俊水庫樞紐工程大壩工程碾壓混凝土施工中引進智能壓實過程控制系統進行碾壓混凝土施工，達到控制鋪料厚度、碾壓遍數、行進速度、密實度分析、高程模型、歷史軌跡回放、核子密度儀與試驗數據關聯等過程控制的目的，提高了施工過程中碾壓填筑施工質量和效率，為施工單位提供可視化的質量管理手段，也為建設單位提供質量管理數據支撐。

1 智能壓實過程控制系統簡介

1.1 系統組成

系統組成包括：定位定向設備、激振力傳感器、紅外溫度傳感器、激光測距儀、傾角傳感器、基準站、移動站。具體如圖1 所示。

圖1 系統部件組成及安裝位置示意圖

1）定位定向設備。實時定位壓輪位置以及車輛行駛方向，輔助計算碾壓遍數、行駛速度、填筑層厚變化粗略值。厘米級定位精度，能滿足壓輪定位、碾壓遍數、行駛速度計算需要。

2）激振力傳感器。實時測量壓輪的激振狀態。

3）紅外溫度傳感器。實時測量混凝土被碾壓過程中溫度的變化量。溫度傳感器分辨率在0.1 ℃，能滿足分辨混凝土的溫度變化過程，并且該種類型的傳感器在瀝青碾壓路面經過測試，在高強度的振動環境中可以正常工作。

4）激光測距儀。實時測量壓輪相對于混凝土面的下沉量。激光測距儀的精度為2 mm，能夠準確測量壓輪相對于混凝土面的下沉量，可在高強度的振動環境下正常使用。

5）傾角傳感器。測量振動碾的傾斜數值。

6）RTK 移動站配合核子密度儀一起使用，標記檢測位置點的準確坐標，在檢測結束后，能將檢測的數據與車載電腦上記錄的數據做匹配比對。

1.2 系統架構

系統架構包括五部分，具體如圖2 所示。

圖2 系統架構圖

第一部分是硬件平臺層，主要包括網絡設備、服務器與存儲設備。這是整個系統的基礎，它提供重要的數據存儲、運算的資源與環境，并對整個系統的虛擬化處理、安全以及運維進行控制。

第二部分主要包括數據存儲、運算等資源硬件以及功能平臺之間的中間層，主要包括數據傳輸與存儲相關操作系統、虛擬機操作系統、虛擬應用以及相關的數據接口，是整個系統上下的重要交換部分。

第三部分是整個系統的重要的用戶應用層，即毛俊水庫工程施工質量監控系統中的應用部分，主要包括施工過程監控與主體工程建設信息系統，是面向用戶的功能需求方面。

第四部分是客戶端，主要包括編制開發的在數據終端展示的計算機、平板等設備應用。

第五部分是項目建設所需的網絡運行環境需求。

1.3 生產數據采集

1）壓輪當前位置、碾壓遍數、行駛速度數據。定位定向設備實時輸出的高精度位置數據以及方向數據通過串口通訊線纜傳輸到車載電腦上，在車載電腦上運行軟件，結合機械尺寸可以推算出壓輪的實時位置，進而可以統計碾壓遍數、碾壓速度，并與壓輪當前位置數據進行融合存儲。

2）溫度數據。紅外溫度傳感器是一種非接觸式的傳感器，安裝在離開地面50 cm 左右車架上即可實時監測混凝土的溫度，數據通過串口通訊線纜傳輸到車載電腦，車載電腦上運行的軟件將溫度數據與壓輪當前位置數據實時融合存儲。

3）激振力數據。激振力傳感器安裝于振動輪車架上，通過串口通訊線纜傳輸到車載電腦上，車載電腦上運行的軟件將激振力數據與壓輪當前的位置數據實時融合存儲。

4）承載力數據。激光測距儀安裝在振動碾機架與驅動橋連接的位置，與振動碾外切面呈45°～50°角安裝，對準振動碾底部測量，同時在振動碾機架上安裝傾角傳感器；當壓輪相對于混凝土面下沉的時候，激光測距儀可以測出傳感器到混凝土面之間的距離（見圖3），該數據通過串口通訊線纜傳輸到車載電腦上，車載電腦上運行的軟件綜合傾角傳感器數據，根據三角幾何關系，計算出壓輪下沉量，再結合壓輪的半徑，計算出壓輪與地面的接觸弧線長度L，壓輪重量M 與壓輪接觸地面的弧線長度L 的比值K，作為混凝土當前的承載力大小的表征，并與壓輪當前位置數據實時融合存儲。

圖3 振動碾下沉測量原理

數值K 在連續記錄之前，需要與核子密度儀測量出來的多個點位的數據進行相關性的比較，從而得到數值K 與核子密度儀測量出來的混凝土密度之間的相關系數R，相關系數R 可以作為一項參考數據，可以用來符合對比修正最后由人工智能分析工具分析處理出來的數據的內在規律性數據。

5）核子密度儀采集數據。核子密度儀檢測完成，使用移動站記錄當前檢測位置的坐標，并在對應屬性欄里輸入核子密度儀檢測出來的密度值以及含水量。

6）材料級配比、含水率、混凝土初凝時間。每個倉面開始碾壓之前，在車載軟件上記錄該倉面混凝土級配比、含水率、初凝時間、層厚等數據。

2 工程概述

2.1 項目概況

毛俊水庫樞紐工程是國家“十三五”期間加快推進的重大水利工程之一，是一個以灌溉為主、結合供水、兼顧發電等綜合利用效益的大型水利工程，大壩為碾壓混凝土重力壩，壩軸線長512 m，最大壩高76 m，混凝土約90 萬m3，其中碾壓混凝土65 萬m3。

2.2 模型參數

時間：2019 年6 月1 日至2021 年6 月30 日。

地點：毛俊水庫樞紐工程大壩碾壓混凝土施工。

試驗機械：“三一”STR130C-8C 型雙鋼輪振動碾；振動頻率為50/61 Hz；激振力為169/119 kN；振動輪寬度為1 300 mm。

施工方法：大壩全斷面碾壓。

鋪料厚30 cm，推耙機平倉，人工配合整平；采取靜壓、強振、靜壓相結合，從兩邊到中間沿平行于壩體軸線進行條帶搭接碾壓；碾壓遍數為2+8+2，振動碾最大工作時速不超過2.5 km/h，沿線路縱向壓實輪跡重疊不小于40 cm，碾壓混凝土VC 值為（2～5）s。

混凝土：上游面設R90200W8F100、厚（2.8～4.3）m的二級配富膠凝材料混凝土，大壩主體為R90150W4F50 的二、三級配碾壓混凝土。

3 生產數據處理

3.1 鋪料厚度高程數據處理

該數據形式上是帶屬性數據的格網數據，加載到地理信息系統軟件中，利用地理信息系統軟件的單值專題圖分析功能，可分析出鋪料條帶的厚度及誤差范圍，通過車載終端顯示填筑厚度示意圖及示意圖上的倉面、各部位混凝土高程及誤差范圍。

3.2 碾壓遍數數據處理

該數據形式上是帶屬性數據的格網數據，加載到地理信息系統軟件中，利用地理信息系統軟件的單值專題圖分析功能，可分析出來整個倉面的碾壓遍數分布二維地圖圖層，并且不同位置不同碾壓遍數渲染成不同顏色進行區分；碾壓遍數示意圖（見圖4）是用不同顏色記錄某一位置設備滾輪通過的次數。通過顏色區分層數，并對碾壓遍數進行統計分析超壓、合格、欠壓數據分析，直觀明了。

圖4 碾壓遍數數據處理圖

3.3 碾壓速度數據處理

該數據形式上是帶屬性數據的格網數據，加載到地理信息系統軟件中，利用地理信息系統軟件的單值專題圖分析功能，可分析出來整個倉面的行駛速度分布二維地圖圖層，并且不同位置不同行駛速度渲染成不同顏色進行區分，該處理過程結果數據圖效果與碾壓遍數圖類似（見圖5）。

圖5 碾壓速度數據處理圖

3.4 溫度數據處理

該數據形式上是帶屬性數據的格網數據，加載到地理信息系統軟件中，利用地理信息系統軟件的單值專題圖分析功能，可分析出整個倉面的溫度分布二維地圖圖層，并且不同位置不同溫度渲染成不同顏色進行區分（見圖6）。

圖6 溫度數據處理圖

4 檢測壓實度與系統給定值對比分析

通過隨機選取10 個點，分別對系統采集的壓實度值（CMV 值）與傳統原位測試檢測的干密度值進行對比，試驗證明兩者之間具有良好的正相關性和統一性。系統采集的壓實度值（CMV 值）與傳統原位測試檢測的干密度值數據對比見圖7 所示。

圖7 CMV 值數據與原位測試干密度數據

系統采集的壓實度值（CMV 值）是連續測量并記錄碾壓區域壓實度的動態響應數值，反映碾壓區域整體壓實度的均勻性，并實時顯示碾壓合格區域、碾壓薄弱區域和過壓區域，而不是以點代面。因此可以有的放矢地指導傳統的干密度檢測，從而減少傳統檢測的盲目性。

5 結 論

研究發現，毛俊水庫樞紐工程碾壓混凝土施工過程中智能壓實過程控制系統通過實時采集振動碾在振動壓實施工過程中的振動特性及被壓澆筑層面對于振動特性的反饋參數，通過一系列數據分析得到材料在施工過程中的參數特性變化規律，從而達到對壓實施工質量的分析與監控目的。通過車載人機交互界面，可以在施工過程中將信息及時反饋給車輛操作人員，使施工人員根據反饋信息對壓實工藝及時做出調整，使之滿足澆筑層面施工質量的要求。

本智能壓實過程控制系統通過控制施工主要參數從而實現對施工質量的全過程控制，對存在的質量缺陷具有較好的可追溯性，為施工單位提供了可視化的質量管理手段，也為建設單位提供質量管理數據支撐，為大壩全過程質量跟蹤提供了有效、可行的技術手段。在后續施工中將繼續對該系統進行研究和探索。