數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)在土石壩填筑施工中的應(yīng)用

唐 文, 柳 啟 超

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 611130)

0 引 言

目前,土石壩是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。由于土石壩具有良好的適用性和經(jīng)濟(jì)性,近幾十年來(lái)土石壩工程建設(shè)在我國(guó)得到迅速發(fā)展,特別是近十幾年來(lái)糯扎渡、長(zhǎng)河壩、猴子巖、兩河口、雙江口等200/300 m級(jí)的大型土石壩相繼建設(shè),翻開了我國(guó)土石壩建設(shè)的新篇章。

通常來(lái)說(shuō),土石壩一般具有如下典型特點(diǎn):

(1)就地取材,造價(jià)經(jīng)濟(jì),節(jié)省鋼材﹑水泥和木材等重要建筑材料,同時(shí)減少了筑壩材料的遠(yuǎn)途運(yùn)輸;

(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于維修、加高和擴(kuò)建;

(3)壩身是土石散粒體結(jié)構(gòu),有適應(yīng)變形的良好性能,因此,對(duì)地基的要求低;

(4)施工技術(shù)簡(jiǎn)單,工序少,便于組合機(jī)械快速施工。

由于土石壩壩體是土石散粒體結(jié)構(gòu),主要由砂、土、石料等原材料經(jīng)過(guò)分層鋪填和碾壓形成,所以如何確保壩體(特別是200/300 m級(jí)高壩)的填筑質(zhì)量對(duì)大壩(甚至是整個(gè)工程)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

1 引入數(shù)字化碾壓監(jiān)控的必要性

眾所周知,土石壩填筑施工影響施工質(zhì)量最關(guān)鍵的兩個(gè)因素就是料源質(zhì)量(料源的顆粒級(jí)配、抗壓強(qiáng)度、土料含水率等方面)與碾壓作業(yè),所以,在做好料源質(zhì)量管控之外,控制好土石壩填筑過(guò)程中的碾壓環(huán)節(jié),對(duì)于土石壩的填筑質(zhì)量起著決定性的作用。

土石壩填筑碾壓后進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)(取樣檢測(cè))的部位和方量相對(duì)于填筑區(qū)域和填筑方量來(lái)說(shuō),是極其微小的比例,所以,要保證壩體的填筑質(zhì)量,最重要的關(guān)鍵因素之一就是要嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)要求的碾壓參數(shù)在相應(yīng)的填筑區(qū)域能夠落實(shí)到位。以往的土石壩填筑碾壓環(huán)節(jié)主要由人工守著振動(dòng)碾來(lái)記錄碾子對(duì)相關(guān)區(qū)域的碾壓過(guò)程,但其中存在著幾個(gè)比較突出的弊端:

(1)不同填料區(qū)域的碾壓參數(shù)要求不盡相同,進(jìn)行人工記錄的人員不可能同時(shí)觀察記錄多臺(tái)碾子的碾壓行進(jìn)情況,如果要保證相關(guān)區(qū)域的碾壓滿足設(shè)計(jì)要求,勢(shì)必要投入大量的人力來(lái)單獨(dú)對(duì)碾子的碾壓行進(jìn)情況進(jìn)行不間斷的連續(xù)記錄。同時(shí),記錄的人員可能因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間從事這單一、枯燥的活動(dòng)而產(chǎn)生心理疲勞或視覺(jué)疲勞,對(duì)碾壓過(guò)程記錄的敏銳性和準(zhǔn)確性大打折扣,導(dǎo)致對(duì)某一區(qū)域碾壓過(guò)程的記錄不準(zhǔn)確;容易造成對(duì)某些部位的碾壓遍數(shù)不夠。

(2)人工記錄無(wú)法準(zhǔn)確判斷出碾子的振動(dòng)狀態(tài)(可以判斷出碾子碾壓行進(jìn)時(shí)是否開啟振動(dòng),但在碾子振動(dòng)時(shí)無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確判斷出碾子到底是低頻高振還是高頻低振),容易因?yàn)檎駝?dòng)狀態(tài)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(jìn)時(shí)是否超速。根據(jù)大多數(shù)土石壩工程來(lái)看,一般土石壩填筑碾壓時(shí)碾子的行進(jìn)速度要求在3 km/h(0.83 m/s)左右,但是當(dāng)碾子已經(jīng)超速至4 km/h或5 km/ h時(shí),相對(duì)一個(gè)龐然大物每秒零點(diǎn)幾米的超速,人眼很難及時(shí)作出準(zhǔn)確判斷,可能任其超速行駛較長(zhǎng)一段時(shí)間而影響壩料碾壓效果。

總而言之,土石壩的建設(shè)需要引入新的技術(shù)手段,對(duì)填料碾壓環(huán)節(jié)進(jìn)行客觀、高效的監(jiān)控,以確保壩體填筑實(shí)體質(zhì)量。

2 數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)

目前,國(guó)內(nèi)普遍使用的大壩數(shù)字化碾壓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)由天津大學(xué)開發(fā),并負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)。

2.1 大壩數(shù)字化碾壓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的原理

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

(2)通過(guò)在碾壓機(jī)上安裝高精度GPS及振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備(振動(dòng)傳感器),并對(duì)碾壓機(jī)進(jìn)行編號(hào)后納入管理軟件進(jìn)行管理,從而對(duì)土石壩體碾壓過(guò)程中碾壓機(jī)的行進(jìn)軌跡、行進(jìn)速度、錯(cuò)距距離、碾壓厚度、碾壓遍數(shù)和振動(dòng)狀態(tài)等碾壓參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,同時(shí)發(fā)送相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)至系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫(kù),管理軟件通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的判斷,顯示相應(yīng)的反饋信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)壩體填筑碾壓過(guò)程全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控,確保土石壩填筑過(guò)程中相應(yīng)填筑區(qū)域能夠嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的碾壓參數(shù)完成碾壓作業(yè),保證和提升土石壩填筑的施工質(zhì)量。

2.2 該系統(tǒng)的主要功能

(1)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)碾壓機(jī)械運(yùn)行軌跡,自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄碾壓機(jī)械在壩面上的碾壓遍數(shù)、行駛速度及振動(dòng)狀態(tài),并在壩面施工數(shù)字地圖上可視化顯示。

(2)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大壩各區(qū)各層填筑料的壓實(shí)厚度。

(3)將上述動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)寫入數(shù)據(jù)庫(kù),以備后續(xù)應(yīng)用分析。

(4)根據(jù)自動(dòng)測(cè)量的施工數(shù)據(jù),對(duì)大壩填筑過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)填筑過(guò)程中的鋪層厚度超過(guò)規(guī)定或有漏碾、超速和振動(dòng)狀態(tài)不正確時(shí),能夠自動(dòng)醒目地提示施工管理人員和質(zhì)量監(jiān)理人員,以便他們及時(shí)指示返工或調(diào)整,使施工質(zhì)量在整個(gè)施工過(guò)程中始終處于受控狀態(tài)。

(5)監(jiān)控站可對(duì)大壩填筑現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的碾壓機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 大壩數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

引進(jìn)和使用大壩數(shù)字化碾壓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的目的在于保證按照設(shè)計(jì)要求的碾壓參數(shù)完成一填筑層和每一碾壓?jiǎn)卧?碾壓區(qū)域)的碾壓作業(yè)。具體應(yīng)用過(guò)程如下:

(1)制定碾壓?jiǎn)卧哪雺汉细?關(guān)倉(cāng))標(biāo)準(zhǔn):碾壓遍數(shù)具體到每一碾壓?jiǎn)卧?碾壓后滿足“標(biāo)準(zhǔn)碾壓遍數(shù)”要求的區(qū)域面積在本碾壓?jiǎn)卧械谋嚷?堆石料不低于90%,反濾料不低于90%,過(guò)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(biāo)準(zhǔn)碾壓遍數(shù)”指的是:在限定行進(jìn)速速、設(shè)定振動(dòng)狀態(tài)下,振動(dòng)碾對(duì)某一碾壓條帶完成設(shè)定碾壓遍數(shù)后,才能稱為這一條帶的“標(biāo)準(zhǔn)碾壓遍數(shù)”) 。

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

(3)對(duì)該碾壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置管理權(quán)限(密碼由管理方監(jiān)控員保管),只有管理方監(jiān)控員才有權(quán)進(jìn)行碾壓參數(shù)的設(shè)定、碾壓設(shè)備在系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)配和開啟監(jiān)控啟動(dòng)鍵;而施工方監(jiān)控員只能在監(jiān)控程序啟動(dòng)后對(duì)碾壓監(jiān)控過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和讀取存在問(wèn)題的提示,避免施工方私自打開系統(tǒng)進(jìn)行碾壓監(jiān)控。系統(tǒng)配置兩臺(tái)以上的電腦用于碾壓監(jiān)控,一臺(tái)作為管理方監(jiān)控員進(jìn)行系統(tǒng)管理使用,其他電腦作為施工方監(jiān)測(cè)使用。

(4)經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)工序驗(yàn)收確認(rèn)可以進(jìn)入碾壓工序后,由管理方監(jiān)控員完成擬碾壓?jiǎn)卧?區(qū)域)的范圍劃定、碾壓設(shè)備調(diào)配和碾壓參數(shù)設(shè)定,才能啟動(dòng)碾壓監(jiān)控,進(jìn)入碾壓監(jiān)控狀態(tài)。

(5)在碾壓監(jiān)控過(guò)程中,如發(fā)現(xiàn)碾子行進(jìn)速度超速和振動(dòng)狀態(tài)不正確,監(jiān)控窗口會(huì)彈出相應(yīng)的報(bào)警提示,監(jiān)控員應(yīng)立即使用對(duì)講機(jī)通知碾壓現(xiàn)場(chǎng)給予糾正,同時(shí),查清發(fā)生報(bào)警的原因,由管理方監(jiān)控員填寫報(bào)警閉合意見。例如:是碾子轉(zhuǎn)場(chǎng)或出場(chǎng)加油等原因引起超速,還是碾壓過(guò)程中確實(shí)存在超速行駛?

(6)每一碾壓區(qū)域(或碾壓?jiǎn)卧?在結(jié)束碾壓作業(yè)和關(guān)閉該單元(或碾壓區(qū)域)監(jiān)控之前,在系統(tǒng)內(nèi)打開監(jiān)控效果圖,由管理方監(jiān)控員和施工方監(jiān)控員共同檢查確認(rèn):該單元(區(qū)域)的碾壓效果是否達(dá)到碾壓合格標(biāo)準(zhǔn)?是否存在局部漏碾和碾壓遍數(shù)不夠的情況?如果不存在,則可以結(jié)束碾壓,關(guān)閉對(duì)該單元(區(qū)域)的監(jiān)控。如果存在則繼續(xù)對(duì)相關(guān)部位進(jìn)行補(bǔ)壓,直至該單元(或區(qū)域)碾壓效果達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

4 效果檢測(cè)

(1)由于大壩數(shù)字化實(shí)施碾壓監(jiān)控系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示碾壓狀態(tài)和直觀反映相關(guān)碾壓區(qū)實(shí)際碾壓效果等顯著特點(diǎn),通過(guò)大壩數(shù)字化實(shí)時(shí)碾壓監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)范使用,能夠保證對(duì)每一個(gè)碾壓?jiǎn)卧?區(qū)域)切實(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的碾壓參數(shù)完成相應(yīng)填筑區(qū)域的碾壓作業(yè)。因此,在系統(tǒng)監(jiān)控下振動(dòng)碾的行進(jìn)軌跡清晰、整齊和規(guī)范,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)碾壓遍數(shù)面積的比例保證在95%以上(甚至可達(dá)99%以上)。

(2)在傳統(tǒng)人工監(jiān)控模式下,完成碾壓作業(yè)后因壓實(shí)度不滿足設(shè)計(jì)要求而需要返工補(bǔ)壓的情況時(shí)有發(fā)生,但經(jīng)該系統(tǒng)監(jiān)控完成碾壓作業(yè)的部位,因壓實(shí)度不滿足設(shè)計(jì)要求而返工補(bǔ)壓的情況極少發(fā)生。這說(shuō)明碾壓監(jiān)控系統(tǒng)相較于人工監(jiān)控模式確實(shí)更能有效地促進(jìn)和保證土石壩填筑碾壓質(zhì)量。

(3)通過(guò)該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)植柯┠?或碾壓遍數(shù)不達(dá)標(biāo))的部位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的補(bǔ)充碾壓,避免盲目補(bǔ)壓降低施工效率和浪費(fèi)施工資源。同時(shí),該系統(tǒng)能夠解放出大量人力資源和提高工程管理效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

引入并使用前沿科技是現(xiàn)代工程得以向前發(fā)展和向上提升的必經(jīng)之路,大壩數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)是土石壩工程施工管理現(xiàn)代化的需要,也是數(shù)字化時(shí)代土石壩施工管理和質(zhì)量管控的必然趨勢(shì)。大壩數(shù)字化碾壓監(jiān)控系統(tǒng)能夠客觀、精準(zhǔn)和高效地對(duì)土石壩填筑碾壓環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控,對(duì)提高土石壩的填筑質(zhì)量發(fā)揮了積極、良好的促進(jìn)與保證作用。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用,有效地推動(dòng)了水電工程建設(shè)行業(yè)加快進(jìn)度、節(jié)約造價(jià)、保證質(zhì)量和提升管理水平。