夾巖水利樞紐工程數字大壩與堆石壩碾壓質量實時監(jiān)控技術

李國儒 康建峰

摘要：

為減少人為因素對堆石壩碾壓工程施工質量的干擾，提高工作效率、提升水利工程安全生產標準化建設水平，夾巖水利樞紐工程面板堆石壩運用了“數字大壩”碾壓質量實時監(jiān)控系統(tǒng)。通過在碾壓設備上安裝高精度GNSS接收機，自動記錄堆石壩在碾壓施工過程中的碾壓機械行走速度、振動頻率、碾壓遍數和壓實厚度等數據，實現了碾壓堆石壩施工質量的全自動控制。運用網絡與數字化技術，研究成果實現了施工質量全過程控制，有效提高了工程建設管理水平。

關鍵詞：

數字大壩； 堆石壩； 碾壓施工； 實時監(jiān)控； 質量控制； 進度控制； 夾巖水利樞紐工程

中圖法分類號：TV51

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.021

文章編號：1006-0081（2023）06-0111-07

0 引 言

在傳統(tǒng)的碾壓施工過程中，通常通過人工現場旁站、人工記錄碾壓數據（碾壓機械行走速度、振動頻率、碾壓遍數和壓實厚度），并在碾壓結束用試坑法檢測控制干密度和孔隙率，以實現堆石壩的碾壓施工質量管理。這種常規(guī)的施工質量管理模式與當前堆石壩碾壓施工機械化程度、施工進度、強度要求不相適應，同時壓實施工質量也很難一次性達到碾壓堆石壩所需的質量標準要求［1］。隨著水利工程碾壓壩型施工機械自動化的快速發(fā)展，自動監(jiān)測系統(tǒng)進一步應用于水利工程堆石壩以及碾壓混凝土壩的碾壓施工過程中，如長河大壩、龍開口大壩等，均采用了大壩碾壓自動監(jiān)測系統(tǒng)［2］。然而，大部分水利工程尚未形成3D數字大壩可視化、全自動碾壓監(jiān)測系統(tǒng)以及廠區(qū)視頻監(jiān)控全方位整合的可視化施工管理。夾巖水利樞紐工程在面板堆石壩的施工過程中，采用了3D數字大壩可視化系統(tǒng)+全自動碾壓監(jiān)測系統(tǒng)+廠區(qū)視頻全方位監(jiān)控的技術手段進行碾壓堆石壩施工質量的控制。該系統(tǒng)通過在碾壓設備上安裝高精度GNSS接收機［3］，可以自動記錄堆石壩在碾壓施工時碾壓機械行走速度、振動頻率、碾壓遍數和壓實厚度等碾壓數據［4］，結合施工廠區(qū)內的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和網絡，整理數據并在電腦或手機終端形成3D數字大壩模型，直觀展示大壩填筑的高程、方量、坡比等工程信息，也可以隨時調取、查閱各碾壓單元的碾壓施工質量，實現了全員、全過程參與施工質量管理和碾壓堆石壩全自動控制施工質量，有效提高了建設管理水平。在夾巖水利樞紐面板堆石壩施工過程中，通過該套系統(tǒng)的控制管理，提高了施工質量、加快了施工進度，避免了人為因素的干擾，使夾巖大壩提前20 d實現封頂。

1 工程概況及系統(tǒng)建設目標

夾巖水利樞紐工程為I等大（1）型工程，其中水源工程主要擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，大壩基礎高程1 174.0 m，壩頂高程1 328.0 m，最大壩高154.0 m，最大壩寬454.085 m，壩頂長428.93 m，壩體填筑設計總方量約471萬m3。堆石壩的安全穩(wěn)定運行是實現供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用的關鍵，而實現大壩安全穩(wěn)定運行的前提是保證大壩施工質量。因此，碾壓施工質量控制至關重要。

夾巖水庫混凝土面板堆石壩具有施工條件復雜、填筑難度大等特點，在大壩施工過程中存在以下困難。

（1） 工程工期緊，大壩填筑碾壓快速施工與高標準質量控制之間的矛盾突出。過去人為旁站方式控制大壩填筑碾壓的節(jié)奏緩慢，經常與機械作業(yè)相互干擾，影響工期。

（2） 大壩施工過程中，由于缺乏自動化控制手段，常規(guī)人工控制碾壓填筑的方法受人為和外界因素干擾較大，質量控制盲點較多，實現碾壓參數嚴格控制較為困難。

（3） 常規(guī)的事后試坑法檢測大壩填筑質量的手段無法實現大壩質量控制的實時性和及時性，對大壩施工質量偏差難以做出快速反應和實時糾偏，且常規(guī)試坑檢測手段對大壩連續(xù)快速施工造成一定的干擾，影響大壩填筑施工效率。

（4） 夾巖水庫大壩在建設過程中涉及非常龐大的信息數據，其中進度、質量、安全監(jiān)測等動靜態(tài)信息尤為重要，因此把這些信息進行收集、整理、分類、歸檔成為工程建設管理中需要解決的技術難題［5］。

基于上述存在問題，夾巖水庫大壩工程聯(lián)合天津大學，結合堆石壩碾壓現場實際情況，共同研發(fā)了1套填筑碾壓過程質量實時監(jiān)控系統(tǒng)，即數字化大壩填筑監(jiān)控信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用GPS全球定位系統(tǒng)監(jiān)控上料、碾壓等施工過程［3］，能夠按設定的參數對大壩的施工進度和質量進行全天候的監(jiān)控［6］，對大壩填筑碾壓施工的全過程進行實時跟蹤監(jiān)控并及時反饋碾壓數據成果，可在確保碾壓施工質量的同時加快施工進度，并為后期的工程驗收、安全鑒定和施工期、運行期安全評價提供強大的信息服務平臺，提高建設管理水平。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 “數字大壩”信息采集系統(tǒng)

“數字大壩”由碾壓質量數字化系統(tǒng)、安全監(jiān)測數字化系統(tǒng)、施工進度數字化系統(tǒng)、樞紐布置數字化系統(tǒng)、工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、RTK一體化測量系統(tǒng)等6個子系統(tǒng)構成，如圖1所示。

2.2 堆石壩碾壓過程質量實時監(jiān)控系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)總體結構與功能

通過在碾壓機械上安裝高精度GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機，可以對大壩的各種壓實參數進行反饋和監(jiān)控；同時，依托夾巖壩區(qū)已形成的視頻監(jiān)控網絡系統(tǒng)，實現數字監(jiān)控與視頻場景的聯(lián)合匹配監(jiān)控，如圖2所示。該技術包括以下功能。

（1） 動態(tài)監(jiān)測倉面碾壓機械軌跡、速度、狀態(tài)及頻率和碾壓厚度等，并在監(jiān)控系統(tǒng)頁面及時顯示，同時可供在線查詢。

（2） 實現任意分區(qū)分段倉面各點的碾壓遍數和壓實厚度的自動計算和分析統(tǒng)計，將各類參數信息分類并自動存檔。

（3） 當碾壓機械的各種參數不符合設計及規(guī)范要求時，系統(tǒng)會及時發(fā)出預警機制，將不合格的參數信息以及所在空間區(qū)域位置通過聲光控制報警、短信等形式自動反饋給車輛駕駛員、施工和監(jiān)理人員，以便及時調整或返工處理，并且這些報警信息同時記入施工異常數據庫備查。

（4） 在每分區(qū)分段倉面碾壓合格后，自動打印相關圖形報表，如碾壓軌跡、碾壓遍數、壓實厚度、壓實高程以及碾壓速度和振動狀態(tài)等，作為單元工程質量評定的附件資料。

（5） 匹配壩區(qū)多角度視頻監(jiān)控，全過程監(jiān)控大壩填筑施工，尤其可對異常填筑碾壓作業(yè)進行特殊標識和清晰觀察。

2.2.2 壓實監(jiān)測與評估

壓實監(jiān)測值（CV）可以實時反映堆石壩料的壓實質量（如孔隙率和干密度）；車載壓實監(jiān)測裝置CV儀由碾振加速度傳感器、車載集成控制器、無線通訊模塊、GNSS定位模塊及碾壓機電源模塊共5個部分組成［3］，如圖3所示。

通過實時監(jiān)控大壩碾壓過程中各種參數，開發(fā)大壩壓實質量實時監(jiān)測與快速評估模塊，具體包括如下功能：

（1） 通過各種傳感器，實時采集碾輪振動頻率與壓實監(jiān)測值（CV）并在監(jiān)控頁面實時顯示，并可實現在線查詢；

（2） 根據建立的大壩壩料干密度與壓實監(jiān)測值（CV）之間的定量關系，以及實時采集的CV值，快速評估全倉面的被壓壩料干密度；

（3） 在每分區(qū)分段倉面施工結束后，輸出壓實監(jiān)測值（CV）圖和壓實質量（干密度）圖，根據相關標準，自動監(jiān)測并控制壓實質量。

2.3 手持式施工倉面一體化RTK量測系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以避免人工記錄及不同系統(tǒng)之間數據傳送低效的弊端，實現碾壓開倉-倉面高程-壓實工程量的一體化量測和全流程數字化系統(tǒng)無縫銜接［7-8］。系統(tǒng)構成如圖4所示。

（1） 利用手持式RTK測量裝置以及定制開發(fā)的手簿APP，快速采集大壩施工倉面開倉邊界的高精度坐標，編輯施工單元屬性（如單元編號等），生成數字施工倉面，并同步將生成的倉面?zhèn)魉偷竭h程數據庫，供后續(xù)碾壓監(jiān)控系統(tǒng)應用。

（2） 當運輸車輛送料完成后，利用手持式RTK測量裝置，實現壩料松鋪高程和壓實高程的高精度快速采集（高程精度2 cm，平面精度1 cm），并同步將采集的高程點云數據傳送到遠程數據庫，供后續(xù)客戶端分析應用。

（3） 利用采集的高程點云數據，采用空間插值擬合算法，生成松鋪高程和壓實高程三維DEM（數字高程模型），統(tǒng)計平均松鋪高程和壓實高程、高程偏差等，并可在監(jiān)控客戶端查詢和顯示。

（4） 利用上、下層施工倉面生成的DEM，可以計算壓實厚度及壓實方量，將該數據存儲在數據庫中，并集成在碾壓監(jiān)控系統(tǒng)中以供查詢，從而實現碾壓建倉-松鋪高程-壓實高程-壓實方量的一體化快速量測。

3 應用成果

大壩碾壓質量實時監(jiān)控及數字大壩系統(tǒng)，實現了碾壓質量遠程、自動、全過程監(jiān)控；通過對大壩建設質量、進度及安全監(jiān)測等動態(tài)信息進行可視化管理和數字化歸檔，為參建各方對工程建設質量的精細管理和創(chuàng)新管理提供了強有力的技術手段。

3.1 施工質量控制成果

大壩碾壓質量實時監(jiān)控與數字大壩系統(tǒng)于2017年12月在夾巖水利樞紐工程正式投入運行，2019年10月，大壩填筑完成。通過該技術應用，實現了大壩碾壓24 h實時在線監(jiān)控，有效避免了質量管理的盲點，加快了碾壓施工進度，通過現場挖坑的濕密度值和壓實CV值雙重標準進行質量控制，提高了參建各方的質量控制效果。

夾巖水利樞紐工程堆石壩運用該技術，全面完整地監(jiān)控了1 691個倉面的碾壓施工過程情況，超速行駛、振動異常、壓實厚度等均處于受控狀態(tài)，所有倉面碾壓參數均滿足設計要求。從試坑試驗抽檢情況數據分析，各分區(qū)一次檢測干密度與孔隙率合格率均在99.5%以上。

夾巖水庫最大壩高154 m，2019年10月完成大壩填筑施工，2020年2月，大壩整體沉降率趨于穩(wěn)定狀態(tài)，填筑期間（2017年12月至2019年10月）平均月沉降量在1.51～4.97 cm之間，填筑完成后到蓄水前（2019年10月至2021年12月）平均月沉降量在0.16～0.24 cm之間；截至2022年8月，水庫已蓄水至1 305 m死水位高程，蓄水后（2018年12月至2022年8月）平均月沉降量在0.04～0.18 cm之間，趨于穩(wěn)定；最大水平位移70.41 mm，未見明顯異常情況；壩體最大沉降量為52.69 cm（2018年12月至2022年8月，在壩高86 m處），占最大壩高（154 m）的0.34%。經過比較：水布埡水電站截至2010年4月的沉降量為250.18 cm，占最大壩高（233 m）的1.07%［9］；蒲石河水電站截至2012年4月，沉降量為40.75 cm，占最大壩高（78.5 m）的0.51%［10］；洪家渡水電站截至2004年12月，沉降量為129.68 cm，占最大壩高（179.5 m）的0.72%。綜上所述，夾巖大壩沉降量遠低于國內同類型大壩。

由于夾巖水利樞紐工程各項監(jiān)控信息及數據非常龐大，因此本文只取下游堆石區(qū)（3C2）和主堆石區(qū)（3B）的碾壓遍數、壓實厚度、平均干密度及孔隙率以及安全監(jiān)測信息統(tǒng)計數據進行展示分析。

3.1.1 倉面碾壓遍數控制情況

運用該技術對大壩填筑碾壓參數進行監(jiān)控。排除施工區(qū)域斷電、斷網及設備故障等特殊情況，已完成監(jiān)控的所有施工1 691個倉面的碾壓遍數統(tǒng)計（表1），均滿足設計要求（圖5～6）。

3.1.2 倉面壓實厚度控制情況

完整監(jiān)控的各分區(qū)施工倉面的壓實厚度情況見表2，可見各分區(qū)的平均壓實厚度基本處于受控狀態(tài)。統(tǒng)計結果如圖7～8所示。

3.1.3 倉面平均干密度和孔隙率控制情況

共錄入1 228條試坑檢測數據，各倉面分區(qū)的平均干密度和孔隙率都符合要求，其干密度及孔隙率統(tǒng)計曲線如圖9～12所示。

3.1.4 安全監(jiān)測數字化信息統(tǒng)計情況

安全監(jiān)測信息共錄入128套監(jiān)測設備的6 834條監(jiān)測數據，為安全運行提供了數據保障。各沉降儀監(jiān)測到的沉降量統(tǒng)計曲線如圖13～14所示。

3.2 施工進度控制成果

夾巖水利樞紐工程混凝土面板堆石壩共錄入21個月的數據，為大壩施工進度分析提供信息支撐。圖15～16是典型時刻的大壩施工進度的二維和三維面貌及相應工程量信息。通過對比分析，可以看出下游堆石區(qū)施工超前完成了進度任務，而主堆石區(qū)施工明顯滯后進度任務。滯后的原因是壩踵凹槽處地質情況較差，導致基坑開挖處理困難［2］。

4 結 論

夾巖水利樞紐工程大壩施工采用3D數字大壩、數據自動監(jiān)測和廠區(qū)視頻監(jiān)控相結合的系統(tǒng)，不僅為工程施工和工程建設管理提供了技術保障，還為后續(xù)大壩安全運行與檔案信息查找等提供了支撐平臺。該技術通過大壩碾壓質量實時監(jiān)控與3D數字大壩系統(tǒng)的有效結合，實現了如下目標：

（1） 實時在線監(jiān)控填筑碾壓施工過程質量等情況，滿足大壩快速填筑施工要求，提前20 d完成大壩填筑目標，并且滿足大壩快速填筑、碾壓施工要求；

（2） 在大壩建設過程中形成了相應的數字化大壩，與鋪填、壓實工序及評定資料可相互佐證，并保存了相關原始數據；

（3） 參建各方通過移動網絡可實時察看大壩填筑和碾壓進度、碾壓設備運行狀態(tài)、分區(qū)分倉情況等信息，更直觀、清晰地展示了大壩填筑質量；

（4） 實現工程建設全方位、無盲點管理，打造了一支夾巖水利樞紐工程建設優(yōu)秀管理團隊；

（5） 截至2022年8月，夾巖水利樞紐工程壩體最大沉降量為52.69 cm，占最大壩高（154 m）的0.34%，沉降趨于穩(wěn)定，沉降量遠低于國內同類型大壩。

2020年5月，夾巖水利樞紐工程數字大壩及碾壓質量實時監(jiān)控技術驗收，驗收組專家認為該項目在2 a多的大壩填筑施工過程中，采用了先進的國內技術手段，降低了人為因素及外部環(huán)境因素對施工質量的干擾影響，大大提高了工程建設質量管理水平，實現了工程建設的創(chuàng)新管理，也為國內同類工程建設質量控制提供了借鑒依據。

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（編輯：江 燾，高小雲）

Technology of real-time monitoring for compaction quality of rock-fill dam and digital dam in Jiayan Water Conservancy Project

LI Guoru，KANG Jianfeng

（Engineering Construction Supervision Center of Changjiang Water Resources Commission，Yangtze River Water Conservancy and Hydropower Development Group （Hubei） Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to reduce the interference of human factors on the construction quality of the roller compacted rockfill dam，and improve the working efficiency and raise the standard construction level of safety of Water Conservancy Project，the digital dam with compaction real-time monitoring system was used in the face rock-fill dam of Jiayan Water Conservancy Project.By installing a high-precision GNSS receiver on the rolling equipment，the system could automatically record the compaction data of the rockfill dam during the compaction construction，such as the travel speed of the rolling machine，the vibration frequency，the rolling times and the compaction thickness，thus the construction quality of roller compacted rock-fill dam could be controlled automatically.Through the network and digital technology，the construction quality was controlled during the whole process，and the construction management was improved effectively．

Key words：

digital dam； rock-fill dam； compaction construction； real-time monitoring； quality control； progress control； Jiayan Water Conservancy Project