閆攀 李學(xué)斌

摘 要：近年來，抽水蓄能電站作為主要的儲(chǔ)能、調(diào)峰設(shè)施，迎來了高速發(fā)展。面板堆石壩作為抽水蓄能電站的主要壩型，具有高開挖、高填筑的施工特征，同時(shí)填筑質(zhì)量要求嚴(yán)格，傳統(tǒng)的施工管理方法已不能滿足面板堆石壩填筑碾壓質(zhì)量的要求，迫切需要新的動(dòng)態(tài)質(zhì)量管理方法。智慧碾壓監(jiān)控系統(tǒng)以BIM平臺(tái)為基礎(chǔ)，融合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、BDS北斗定位技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了面板堆石壩填筑碾壓施工過程的數(shù)字化監(jiān)控，保障堆石壩填筑施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩；填筑碾壓質(zhì)量；數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TV53+7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近來年，5G[1]、物聯(lián)網(wǎng)[2]、智慧工地[3]等新技術(shù)逐步應(yīng)用在建筑工程領(lǐng)域，在項(xiàng)目管理、安全監(jiān)管中發(fā)揮了重要作用。堤防碾壓施工中引用智慧碾壓[4]技術(shù)，發(fā)揮了很好的質(zhì)量監(jiān)管作用。5G、物聯(lián)網(wǎng)、智慧工地、智慧碾壓對(duì)堆石壩智慧碾壓施工具有借鑒意義。本文主要介紹智慧碾壓監(jiān)控系統(tǒng)在堆石壩施工中的應(yīng)用。

面板堆石壩屬于當(dāng)?shù)夭牧蠅危蚤_挖料源作為壩體材料，主要填筑料為墊層料、過渡料、主堆石、次堆石等。通常先由小批次碾壓試驗(yàn)確定壩料的填筑參數(shù)，以確定的碾壓參數(shù)作為大壩填筑施工的控制要素。由于堆石壩料源種類多、各料源碾壓參數(shù)（灑水量、碾壓機(jī)具、碾壓方式、行走遍數(shù)等）要求不同，碾壓質(zhì)量較難控制，碾壓不均或碾壓質(zhì)量不合格，將會(huì)導(dǎo)致堆石壩的不均勻沉降，影響后期面板質(zhì)量及大壩整體穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的填筑碾壓通過碾壓試驗(yàn)確定碾壓參數(shù)后，依靠人工操作機(jī)具控制灑水量、碾壓遍數(shù)、行走速度、激振力等參數(shù)，碾壓后通過試坑法等方式取樣檢測碾壓質(zhì)量，具有一定的主觀性和不可控性，易產(chǎn)生相鄰作業(yè)面間漏碾、超碾、交叉及過壓等問題，無法全面、科學(xué)地保證填筑碾壓質(zhì)量。某抽蓄電站利用BIM技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，建立面向工程建設(shè)過程的大數(shù)據(jù)中心，通過運(yùn)料車定位監(jiān)控、智慧精準(zhǔn)加水稱量系統(tǒng)、碾壓設(shè)備監(jiān)控和反饋指揮等，實(shí)現(xiàn)面板堆石壩工程填筑碾壓施工過程的智慧化，有效提升了壩體填筑施工的質(zhì)量管控能力。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某抽水蓄能電站，屬一類大（1）型工程，上水庫正常蓄水位為267.0 m，相應(yīng)庫容為1 702.7萬m3，主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程272.4 m，最大壩高182.3 m。壩頂長811.45 m，壩頂寬10.0 m，壩體上游壩面坡面比例為1∶1.7，下游地表高程240 m以上的坡比為1∶1.9，高程240 m以下的坡比為1∶1.8，下游壩坡每隔35 m設(shè)置1級(jí)寬3 m的馬道；庫盆是庫底的大平臺(tái)，庫盆邊坡按1∶1.7開挖成型，庫底平臺(tái)鋪設(shè)厚1.5 mm的HDPE土工膜，采用半掘半填的方式進(jìn)行高程23 m平臺(tái)的防滲處理。

1.2 地質(zhì)情況

上水庫為白云巖層，即觀音臺(tái)群，多為中厚層狀，致密堅(jiān)硬，節(jié)理發(fā)育較好，巖體較完整，巖石抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，巖體風(fēng)化程度較淺，地表多為白云巖、灰質(zhì)白云巖、細(xì)晶白云巖、硅質(zhì)灰?guī)r，巖體較弱～微風(fēng)化，風(fēng)化程度較低，巖體閃長巖脈抗風(fēng)化能力較差，受風(fēng)化程度較深的巖體侵蝕強(qiáng)度更大。評(píng)定弱～微風(fēng)化白云巖的類干極限抗壓強(qiáng)度為40～80 MPa，干密度為2.71～2.76 g/cm3，按《水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程（NB/T 10235—2019）》石料質(zhì)量要求為中硬巖，平均軟化系數(shù)為0.66～0.71，不易軟化。弱、微風(fēng)化巖各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)程技術(shù)要求，石質(zhì)優(yōu)良，可作為面板主堆石壩中的堆石料使用；泥質(zhì)白云巖巖體力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度不高，表層強(qiáng)風(fēng)化巖抗壓強(qiáng)度為5～10 MPa，弱風(fēng)化抗壓強(qiáng)度為25～40 MPa，可填筑壩體次堆石區(qū)；閃長型巖脈巖體為強(qiáng)～弱風(fēng)化的巖體，物理力學(xué)性質(zhì)較差，抗壓強(qiáng)度不高，可用于庫底回填。

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

上水庫大壩主要填筑物為墊層料、過渡料、主堆石料、次堆石料。其中堆石料為大壩主體結(jié)構(gòu)，方量巨大，一般稱為大區(qū)料，墊層料、過渡料填筑水平寬度分別為2 m、3 m，又稱小區(qū)料。壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)及施工參數(shù)見表1。

庫內(nèi)開挖料作料源，不另設(shè)料場，具有料源巖性復(fù)雜、無備用料場、以填定挖、挖填需精準(zhǔn)平衡的特點(diǎn)，并且填筑施工強(qiáng)度高、持續(xù)時(shí)間長，上庫填筑總工期約為49個(gè)月，填筑強(qiáng)度超過80萬m3/月的時(shí)間持續(xù)約16個(gè)月，其中月平均高峰填筑強(qiáng)度超過90萬m3/月的歷時(shí)8個(gè)月，填筑區(qū)域?yàn)楦叱?10～234.8 m。

3 填筑碾壓質(zhì)量數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過在碾壓壓路機(jī)上安裝北斗定位及振動(dòng)采集裝置，實(shí)時(shí)接收北斗基準(zhǔn)站差分信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并將碾壓壓路機(jī)位置信息、振動(dòng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到施工監(jiān)控中心系統(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部署見圖1。

3.2 系統(tǒng)功能

采用北斗 RTK 高精密度定位技術(shù)和智能傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場碾壓路機(jī)施工過程數(shù)據(jù)采集，對(duì)施工過程軌跡進(jìn)行跟蹤，對(duì)碾壓遍數(shù)、振動(dòng)行走速度、激振力等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并對(duì)現(xiàn)場施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)超標(biāo)報(bào)警。根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果，通過系統(tǒng)設(shè)置各區(qū)填筑料碾壓參數(shù)，現(xiàn)場實(shí)時(shí)碾壓數(shù)據(jù)經(jīng)北斗 RTK高精度定位技術(shù)傳導(dǎo)至系統(tǒng)，形成碾壓云圖，碾壓次數(shù)不足、漏碾的區(qū)域在云圖上高亮顯示。系統(tǒng)報(bào)警后，監(jiān)測中心管理人員反饋至作業(yè)現(xiàn)場，作業(yè)現(xiàn)場人員按要求進(jìn)行補(bǔ)充碾壓，直到碾壓合格。數(shù)字化監(jiān)控流程見圖2。

3.3 系統(tǒng)方法

3.3.1 智慧加水系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)、智能界面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別車輛、自動(dòng)稱重、自動(dòng)計(jì)算。按物料自重自動(dòng)加水，實(shí)現(xiàn)全過程無人值守（見圖3）。

3.3.2 智慧碾壓系統(tǒng)

壓路機(jī)通過滾筒自重和重載軸承上的偏心重量塊，使振動(dòng)輪產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，形成對(duì)料源壓實(shí)的激振力，振動(dòng)輪的振動(dòng)頻率不是越大越好，而是由料源壓實(shí)的共振理論得出，當(dāng)振動(dòng)輪的振動(dòng)頻率與被壓料源的固有頻率趨近時(shí)，壓實(shí)效果最好。具體方法如下：碾壓路機(jī)前端安裝了北斗移動(dòng)接收站（見圖4）；振動(dòng)輪側(cè)安裝振動(dòng)頻率采集裝置（見圖5）；駕駛室安裝工業(yè)智能平板（見圖6）。工業(yè)智能平板采用觸摸屏，可以實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場碾壓情況，駕駛員利用工業(yè)智能平板觀察運(yùn)行單元碾壓情況，可視性強(qiáng)，避免因駕駛員操作不當(dāng)而產(chǎn)生漏碾、過碾等現(xiàn)象，從而提升碾壓施工質(zhì)量（見圖7）。

碾壓施工作業(yè)前，測量人員通過手持機(jī)進(jìn)行碾壓區(qū)域單元實(shí)時(shí)建模，并將單元模型數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器，監(jiān)控中心管理人員把建好的單元模塊反饋到現(xiàn)場各碾壓壓路機(jī)的工業(yè)智能平板上，駕駛?cè)藛T通過工業(yè)智能平板調(diào)出碾壓單元進(jìn)行碾壓同步作業(yè)，碾壓路機(jī)數(shù)據(jù)同步共享，采集并傳輸相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（行走速度、碾壓遍數(shù)、激振力、碾壓軌跡等）到監(jiān)控中心服務(wù)器，對(duì)同一區(qū)域、不同碾壓次數(shù)進(jìn)行不同顏色的標(biāo)注，管理人員在監(jiān)控中心就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控碾壓質(zhì)量是否達(dá)到要求，并及時(shí)反饋至作業(yè)現(xiàn)場（見圖8）。

4 應(yīng)用分析

水利水電行業(yè)屬于勞力密集、作業(yè)人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大的行業(yè)，駕駛員技術(shù)參差不齊，人為因素影響工程施工質(zhì)量的情況時(shí)有發(fā)生。填筑碾壓質(zhì)量數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)將行走速度、碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、碾壓質(zhì)量過程控制指標(biāo)中激振力狀態(tài)等作為監(jiān)控指標(biāo)，對(duì)碾壓路機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。歷史單位碾壓工藝、碾壓次數(shù)、碾壓厚度等內(nèi)容可上網(wǎng)查詢；系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息，在監(jiān)控中心終端上醒目提示碾壓路機(jī)行走速度、激振力等不符合要求的碾壓參數(shù)，并反饋給碾壓路機(jī)操作員及時(shí)調(diào)整，同時(shí)將信息寫入異常數(shù)據(jù)庫備查。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天侯、實(shí)時(shí)、在線三大目標(biāo)，在填筑和碾壓過程中有效避免漏壓、交叉或過壓等情況，同時(shí)生成作為單元驗(yàn)收輔助材料的單元質(zhì)量監(jiān)控成果報(bào)告（包括碾壓軌跡、遍數(shù)、高程和壓實(shí)厚度），為填筑和碾壓質(zhì)量控制提供依據(jù)。

通過壩體填筑數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，所有填筑的數(shù)據(jù)均可記錄，所有單元工程的施工記錄也都有存儲(chǔ)，碾壓的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化程度得到提升，實(shí)現(xiàn)了全過程的可控、可跟蹤。該系統(tǒng)目前應(yīng)用于江蘇某抽水蓄能電站上庫大壩，運(yùn)行狀態(tài)良好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場施工質(zhì)量的全方位、全過程控制，為大壩填筑質(zhì)量提供了新的控制手段，是一次智慧大壩[5]施工的嘗試。但系統(tǒng)信號(hào)接收基站在實(shí)際施工中易受外界電磁波干擾以及現(xiàn)場地形地貌或大風(fēng)陰雨等惡劣天氣因素的影響，穩(wěn)定性問題較為突出，導(dǎo)致無法及時(shí)采集數(shù)據(jù)，無法同步共享多臺(tái)壓路機(jī)數(shù)據(jù)，僅靠碾壓壓路機(jī)獨(dú)自操作，各自存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，影響數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

5 結(jié)束語

大壩填筑碾壓質(zhì)量數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)以BIM平臺(tái)為基礎(chǔ)，集移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、BDS北斗定位技術(shù)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)于一體，是水利水電施工行業(yè)與“互聯(lián)網(wǎng)+”跨界融合的應(yīng)用案例。該系統(tǒng)通過數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，使壩體填筑施工質(zhì)量得到有效提升，為工程提供了“標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化”的壩體填筑施工技術(shù)手段。加速了我國抽蓄電站大壩施工的數(shù)字化、智慧化。

下一步，還需要進(jìn)一步完善填筑碾壓質(zhì)量數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，優(yōu)化和提升信號(hào)接收基站的穩(wěn)定性，比如當(dāng)信號(hào)受到干擾時(shí)，單臺(tái)碾壓壓路機(jī)操作的數(shù)據(jù)在信號(hào)恢復(fù)順暢后可反饋同步共享等，以便更好地應(yīng)用于面板堆石壩填筑碾壓的施工實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱玲紅，龍一玢，朱浩. 基于5G與大數(shù)據(jù)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智慧工地平臺(tái)初探[J]. 江西通信科技，2020（4）：26-29.

[2]張昊天.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工地集成系統(tǒng)構(gòu)建[J].數(shù)字通信世界，2020（12）：71-73.

[3]李潤，董列飛，王耀，等.基于"互聯(lián)網(wǎng)+智能化"的智慧工地管理系統(tǒng)研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2018，45（22）：59-61.

[4]張炳初，曾章波.智慧碾壓在堤防填筑施工控制中的研究與應(yīng)用[J].大壩與安全，2019（6）：38-41.

[5]鐘登華，王飛，吳斌平，等.從數(shù)字大壩到智慧大壩[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34（10）：1-13.

Application of Monitoring System for the Rolling Compaction of Rockfill Dams

YAN Pan1，LI Xuebin2

（1.China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2.CGN New Energy Tiandong Co.，Ltd.，Baise 533000，China）

Abstract：In recent years，as the main energy storage and peaking facilities，pumped storage power plants have witnessed rapid development. As the dominant dam type of pumped storage power plants，panel rockfill dams are featured with excavation and filling at high，demanding stringent quality control measures. Traditional construction management methods can hardly meet the requirements of filling and rolling compaction quality for panel rock fill dams，necessitating the adoption of innovative dynamic quality management methods. Based on the BIM platform，we integrate mobile network technology，Internet of Things technology，BDS Beidou positioning technology，big data and other technologies to realize the digital monitoring of the filling and rolling compaction process of panel rockfill dam，thereby ensuring the quality of rockfill dam filling construction.

Key words：panel rockfill dam；quality of filling and compaction；digital monitoring system

作者簡介：閆 攀，女，工程師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)工作。E-mail：yan_pan2@ctg.com.cn

通信作者：李學(xué)斌，男，工程師，碩士，主要從事水利水電工程施工方法研究工作。E-mail：807941677@qq.com