龙开口碾压混凝土坝浇筑碾压施工质量实睚监控系统研究与应用.pdf

水利水电技术第4 4卷2 O l 3年第 1期 龙开 口碾压混凝土坝浇筑碾压施工质量实时 监控系统研究与应用 吴斌平 ，崔 博 ，任成功 ，钟登华 ( 1 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 3 0 ( 1 3 7 2 ； 2 华能龙开口水电有限公司，云南 鹤庆6 7 1 5 O 0 ) 摘要 ：针对碾压混凝土坝浇筑碾压施工过程现有常规施工质量控制方法中存在的人为控制偏差等种 种 不足 ，本 文提 出了基 于全 球 定位技 术 ( G P S ) 和 实时动 态差分技 术 ( R T K) 的 大坝 浇筑碾 压施 工质 量 实 时监控理论 ，通过在碾压机械上安装高精度 G P S定位设备及振动状态监控设备对碾压机械进行全过 程 、全 自动的实时监控 ，并记录该碾压机械碾压施工过程。监理单位应用该实时监控 系统可实现施_ 7 - - 过程的精细控制，并为建设单位实时了解仓面碾压施工质量提供有效信息分析平台。最后 ，针对龙开 口碾压混凝土坝浇筑碾压施工所研发的质量实时监控 系统在实际工程中的应用充分表明，该 系统实现 了对大坝碾压混凝土施工过程 中压 实质量参数的有效监控 ，从而保证 了大坝高质量 、高强度施工，促 进 了工程管理水平的提升 关键 词 ：碾压 混凝 土坝 ；浇 筑碾压施 工 质量 ；实时监 控 系统 ；龙 开 口水 电工程 中图分类号 ：T 6 4 2 2 ( 2 7 6 ) 文献标识码 ：B文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) O 1 0 0 6 2 0 4 R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f c o n c r e t e r o l l i n g - c o mp a c ti o n q u a l i t y r e a l - ti me mo n i t o r i n g s y s t e m f o r L o n g k a i k o u RCC Da m W U Bi n p i n g ， CUI Bo。 ， REN Che n g g o n g ， ZHONG De n g h ua ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g S i n ml a t i o n a n d S a f e t y ，T i a n j i n U n i v e r s i t y ，T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a ； 2 H u a n e n g L o n g k a i k o u H y d r o p o w e r C o ，L t d ，H e q i n g 6 7 1 5 0 0 ，Y u n n a n ，C h i n a ) Abs t r ac t：I n a c c o r d a ne e wi t h t h e d e f e c 【 s f r ( 1 m a r t i fic i a l c o n t r o l ，e t c i n t he e x i s t i n g e o nv e nt i on a 1 me t ho ds for c o n s t r u e t i o n q u a l i t y c o n t r o l o n t h e p r o c e s s o f c o nc r e t e r o l l i n g c o mp a c t i o n o f RCC d a m a GP S a n d RTK b a s e d e o n c r e t e r o l l i ng c omp a c t i o n q u a l i t y r e a l t i me mo n i t o r i n g t h e o r y i s p u t f o r w a r d h e r e i n，i e r e a l i z i n g t h e w h o l e p r o c e s s a n d t u l l a u t o ma t i c r e a l t i me mo n i t o r i n g o n c o n p a t t i n g n mc hi n e r y wi t h t h e h i g h p r e c i s i o n GPS po s i t i o n i n g d e v i c e a n d v i b r a t i o n s t a t e mo ni t o r i n g d e v i c e i n s t a l l e d o n i t a n d r e c o r d i ng t he r ol l i n g c o mp a e t i o n pr n e e s s o f i t Wi t h t h i s r ea l t i me mo ni t o r i n g s y s t e m， no t o n l y t h e r e l e v a n t s up e r v i s or c a n r e a l i z e t he pr e c i s e c o n m， l o f t h e c o n s t r u e t i o n p r o c e s st rot a n e f f e c t i v e i n for ma t i o n a n a l ys i s p l a t f o r m 【 a n a l s o be pr o v i d e d f o r t he e o ns t r ue t i o n c o n t r a c t o r t o c o n t r o l t he r o l l i ng c o mp a c t i o n q ua l i t y o n t h e c o n c r e t e p l a c eme n t s u r f a e e i n r e a l t i n m Fi n a l l y， t he a pp l i c a t i o n o f t he c o n c r e t e r o I l i n g c o mpa c t i o n qu a l i t y r e a l t i me mo n i t o r i ng s y s t e m de ve l o p e d for t he c o ns t r uc t i o n o f L o n g ka i k o u RCC Da m f u l l y d e m o n s t r a t e s t h a t t he e f f e c t i v e mo n i t o r i n g o n t h e c o n c r e t e r o l l i ng c omp a c t i o n p a r a me t e r s du r i n g t he e o ns t r u e t i o n o f d a m i s r e a l i z e d b y t h i s s y s t e m，a n d t h e n t h e h i g h q u a l i t y a n d h i g h i n t e n s i t y c o n s t r u c t i o n o f t h e d a m i s e n s u r e d ，me a n w h i l e ，t h e p r o j e c t m a n a g e me n t l e v e l i s i mp r o v e d a s we l 1 Ke y wo r d s ： R C C d a m；r o l l i n g c o m p a c t i o n c o n s t r u c t i o n q u a l i t y ； r e a l t i m e n mn i t o r i n g s y s t e m； L o n g k a i k o u H y d r o p o w e r P r o j e c t 当前 ，国内外针对碾压混凝土坝施工质量 实时 监控领域的研究成果较少 。在 国外 ，由于碾 压混凝 土坝建设 较少 ，相关研 究主要集 中于道路施 T压实 质量监控方 面 ，O h mf a等 。 采用全球 定位技 术开 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 6 1 1 基金 项 目：同 家 自然 科 学 基 金 创 新 研 究 群 体 科 学 基 金 资助 项 F 1 ( 5 1 0 2 1 0 0 4 ) ；天 津 市 成 用 基 础 及 前 沿 技 术 研 究 汁 划 ( 1 2 J C Z D J C 2 9 2 0 0 ) ；同家自然科学基金资助项 目( 5 1 1 7 9 1 2 1 ) 作者简介 ：吴斌平 ( I 9 8 8) ，男 ，博 士研 究生 W a t e r Re s o u r c e s a n d Hr d r o p o w e r En g i n e e r i n g V o l 4 4 No 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 发了针对沥青 路面 材料 的压实 质量 自动监 测系统 。 利用 自动监测系统 ，可有效地 防止压 实机 械欠碾和 超碾现象 ，大大缩短碾压施工时 问进 而提 高施T效 率。围内 ，施工质量实 时监 控方面 的研究正 处于起 步阶段 ，碾压实时监控技 术主要应用 于堆石 坝水 电 工程和 高速 公路 施 工 过程 中，武 汉 大学 黄声 享 等 人 针对混凝土 面板堆石坝施 _T特点 ，开发 了面板 堆 石坝 碾 压施 工 质量 全球 定 位 ( G P S ) 实 时监 控 系 统 ，并成功地应用 于清江水布垭水 电T程 ，对大坝 堆石料碾压 过程参数碾压遍 数 、行 车速度 、铺 料厚度进行实时监 控 ；钟登 华等人 针对 高心墙堆 石坝 固有施工特点研发出心墙堆石坝填筑碾压施工 质量实时监控系统 ，并成 功地应用于糯扎渡 心墙 堆 石坝工程 ，监控成果表 明该系统 的成功应用使得 大 坝碾压质量能得到极 大的保障 ；汗玉卉 针 对高速 公路传统勘测技术 的不足 ，提出了基于 G P S监 控技 术的碾压施工质量监控方法。 综上所述 ，以上研究成果都有其各 自特定 的应用 领域 ，由于碾压混凝土坝工程无论从施工工艺还是浇 筑碾压过程的控制都与堆石坝和道路施工有较大的区 别 ，现有监控技术并不能完全直接适用于碾压混凝土 坝浇筑碾压质量的监控，本文将在国内外现有研究和 课题组前期研 究成果 的基础 上 ，深入研究 碾压混 凝土坝浇筑碾压施工质量实时监控技术及其工程应用 问题 。 1 碾压混凝土坝浇筑碾压施工质量实时监控 的意义 传统碾压混凝 土施 工过程 中，诸如碾压 层平仓 厚度 、碾压机械行进速度及振动状态 、碾压 遍数等 碾压质量控制参数往往通过人 T 目测 、监督 的方法 进行控制 ，由于人 为 因素 的影 响 ，无 法做 到全 过 程 、实时 、精确控制 ，容 易造成 超厚 、超速 、欠碾 现象 ，影响碾压层压实质量 。同时 ，碾压 完成后质 检人员通过检测有 限个测点 的压实容重来判断碾压 层压实质量 的方法无法反映整个层 面的实 际压实质 量 。 龙开 口碾压混凝土 坝工程建设规模 大 、技术要 求高 ，如果依然采用常规 的质量控 制方法 ，与其大 型水 电工程相应 的质量要求 以及机械化施工要求具 有一定 差 距 ，也不 能 满 足工 程建 设 管 理创 新 的要 求 ，另外 ，这种常规方法往往在碾压施工 完成之后 方能发现质量 问题 ，而一旦发 现问题 ，返 工的工作 量 巨大 ，无法实现浇筑碾压施工质量 的及时反馈控 水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第 1期 吴斌平， 等龙开口碾压混凝士坝浇筑碾压施工质量实时监控系统研究与应用 制。针对 以上不足 ，有必 要研 发一种 具有 实 时性 、 连续性 、自动 化 、高 精 度等 特 点 的碾压 混 凝土 坝 浇筑碾压施 工 质量 实 时监 控 系统 ，对大 坝碾 压 施 工过程 进 行全 天候 的 、自动 的 、实 时 的 、连 续 的 监控 ，保证大 坝碾 压 混凝 土 施 质 量始 终处 于 受 控状态 。 2 龙开 口碾压混凝土坝浇筑碾压施工质量实 时监控系统设计 2 1 系统功能设计 通过对 压实 机 械 进行 实 时 自动 监 测 ，实 现对 大坝浇筑碾 压施 工 质量 关 键参 数 的有 效监 控 ，确 保 T程建设 质量 始 终处 于 受控 状 态。系 统 主要功 能如下 ： ( 1 ) 动态监测碾压层面上压实机械行进轨迹 、速 度和碾压高程以及振动状态等，并实时统计碾压层面 任意位置 的碾压遍数 、压实厚度及仓面 平整度等信 息。 ( 2 ) 当碾压 层铺料 厚度超 厚 、压 实机械行 驶超 速 、碾压遍数不足或激振力不达标 时，系统将 自动 、 及时以“ 报警 ” 方式通知碾压机械操作人 员 、施工人 员和现场监 理 ，以进行必 要处理 ，建立 实时反馈机 制。 2 2系统总体结构 龙开 口碾压混凝土坝浇筑碾压施T质量实时监控 系统 由碾压机流动站 、定位基准站 、G P R S无线通信 数据链路 、总控中心及现场分控站组成，系统结构见 图 1 图 1 龙 开口碾压 混凝 土坝 浇筑 碾压 施工质量 实时监控系统结构 ( 1 ) 碾压机流 动站 。碾压 机流 动站包 括安 装于 碾压机械上 的高精度卫星定位接收机 、数据传输设 备 D T U、振动状态监测设备及驾驶室报警设备 。卫 星定位接收机不间断接收 G P S卫 星信 号进行空间三 固 回 、 ， 、 ， 曩鏊运 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吴斌平， 等龙开口碾压混凝十坝浇筑碾压施工质量实时监控系统研究与应用 维定位 ；振 动状态 监测设 备 则 对碾压机 械 T作状态 进行 实时 监测 ；D T U通 过 G P R S无 线 通 信数据链 路将 监测 数据 发送 至 系统 数据库 ；报 警设 备负 责接 收碾压机 械 l 作过 程 巾产 牛 的 报警信 息从而 提醒 碾压机 驾驶 员规范作业 图2 龙开口碾压混凝土坝浇筑碾压施工质量实时监控系统监控系统工程流程 ( 2 ) 定位慕准站。利川定位 基准站的动态差分 R T K技术 ，极大地提高了 G P S定 位设备的定位精度 ，进而满足实际 r 秤的需要 。本T 程应用中，考虑实际需要和维护的便捷性 ，定位基准 站建设在施 单位现场值班楼楼顶。 ( 3 ) 总控 巾心。总控 中心主要包括 服务器系统 、 数据库系统以及实时监控应用系统等 ，是浇筑碾压施 T质量实时监控系统的核心组成部分。本T程应用 中，总控 中心设置在建设单位办公楼 ，并配置有高性 能服务器和图形工作站以实现对系统数据的有效管理 和分析廊用 。 ( 4 ) 现场分控站。现场分控站是利用监控系统实 现大坝碾压施_ _厂 过程精细监控的现场指挥中心。本： 程应用 中，分控站布置在施工单位现场值班事。监控 人员在分控站通过监控系统对大坝碾压施工质量进行 全天候的监控 ， 一 日 现质量偏差即向施工现场发布 整改指令 ，实现实时反馈机制 ，确保 混凝土压实质 量 。 3 工程应用 龙开 口水电 【 程是 国家重点建设 的大型水 电工 程 ，是金沙江 巾游河段规划的第六个梯级 电站 ，其 拦河大坝 为碾压 混凝 土重 力坝 ，最 大坝 高 1 1 6 H 1 。 龙开 门碾压混凝土坝 工程建设规模大 ，工期 紧，施 工条件复杂 ，给T程建设管理带来不小 的闲难与挑 战 ，为此 ，建设 单位委托 天津大学 开展 “ 龙 开 口碾 压混凝土坝浇筑碾 压施工质量 实时监控 系统” 的项 目研究与开发 T作 ，研 发的监控系统在施T现场 的 使用取得 了 良好 的效果并极大地促进 了大坝 的高标 准施 T 。 在龙开口水电T程中，碾压混凝土坝浇筑碾压施 工质量实时监控系统 由建设单位牵头并协调 、大坝标 监理单位和施1 单位具体操作 、系统研发单位紧密配 合负责 日常运行维护 ，参建各方共同推动监控系统在 龙开 口水电工程的实地应用 ，并建立 了以监控系统为 核心的“ 监测一分析一反馈一处理” 的浇筑碾压施T 质量监控体系。 在大坝碾乐混凝 土施 T质量监控过程 巾 ，在施 工现场设置现场分控站 ，由监理单位 、施 工单位派 专人 2 4 h值守 ，执行相 关 的监控 操作 。 以大 坝碾 压施T单 元为 监控 单元 ，以现 场 质量 管控 人 员 为 系统 反馈 信 息 接 收 方 ，构建 监 控 系 统 工 作 流程 ， 图 2 。 3 1 监控准备 在监控单元施工正式开始前 ，施T单位 将 该单 元设计资料提交至现场分控站 ，分控站监 理据此进 行监控参数设定 ，包括碾压参数 、监控 区域 、碾压 机械配置等 ，作为系统 对此单 元进 行监控 的基础数 据 。 3 2 过 程监控 监控准备完成后 ，分控站监理方可允许 现场开 始施工 ，同时启动系统对该单元进行监控 。在监控 过程 巾，分控站监理可以通过监控客户端进行实 时 监控 。 在碾压过程监控 巾 ，当出现超 速 、超厚 、碾压 机械振动状态等不达标情况时 ，系统可及时提醒分 控站监理以及现场施_ 管理人 员，及时进行处理 以 纠正偏差 ，同时 ，分控 站 监 理 可指 导 现 场作 业 人 员 ，对系统监测到的明显漏碾 区域采取补碾等处理 措施 。 3 3监控报告输出 当监控过程中的问题全部处理完毕后 ，分控站监 理根据现场施工情况结束对于该单元的监控 ，并输出 该单元的监控成果报告，包括碾压轨迹图、碾压遍数 图 、压实厚度图和压实后高程图等。 龙开 口碾压混凝土坝浇筑碾压施T 质量实时监 控系统极大地提高 了碾压混凝土碾 压质量 ，应用结 果表明龙开 口碾压混凝土坝浇筑碾压施 工质量 实时 监控 系统正式运行之后 ，碾压层面碾压遍数一次达 标率 由原先的 7 5 9 提高为 9 0 6 ，同时 ，碾压混 凝土压 实 度 一 次 合 格 率 由 原 先 的 9 5 2 提 高 到 水利水电技术第4 4卷2 0 l 3年第1期 - 1 一 J 一 一 乜 一 一 一 一 军 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 9 ，有效地减少仓面补碾次数和时间 ，大大提高 了碾压施工效率，从而为保证工程按计划进行发电创 造 了必要条件。 4 结语 碾压混凝土坝浇筑碾压施 工质量实 时监控系统 在龙开 口水 电工程建设 中的应用 ，一方 面实现 了对 大坝浇筑碾压施工过程 中主要环节 的有效控制 ；另 一 方面 ，浇筑碾压施 工质量实 时监控技 术为实现大 坝高质量 、高效率 的施工提供 了保证 ，为大坝浇筑 碾压施工提供 了新型 、先进 的质量控 制手段 ，促进 了工程管理水平 的提升 。龙开 口水 电工 程建设 单位 联合研发单 位开发 的“ 碾压混凝 土坝 浇筑碾压施 工 质量实时监控 系统”，对 提高龙 开 口碾压 混凝 土坝 施工质量起 到 了积极促进作 用 ，真正 实现 了“ 企 校 联合 ，科技 创新 ，提升 大坝建设 质量 管理水 平”的 最终 目标。事 实 上 ，依 托 当前 高 新技 术 的飞 速 发 展 ，以互联 网为基础 ，借助于现代测绘 技术 、电子 信息技术等 ，实现工程建设管理 的精 细化 、可视化 与数字 化 ，成 为工 程 管理 者 实 时控 制工 程建 设 过 吴斌平， 等龙开口碾压混凝土坝浇筑碾压施工质量实时监控系统研究与应用 程 、提高管理水平与效率 的重要途径 ，在水 电工程 建设领域具有广阔的推广应用前景 。 参考文献 ： ( 责任编辑欧阳越) ( 上接 第 6 1页) 果进行 了检查 。检查结果 显示 ：施工 1年后 ，喷涂 聚脲防护 区域基本完好 ，表 面平顺 、光 滑 ，未见较 为明显的老化 等缺 陷。 由于 2 0 1 1年 度汛期 三峡 大 坝上游来水 偏少 ，该 年 度 6 泄洪 深 孔 未过 流 ，因 此暂无法观 察 聚脲 防水 层 在应 对 高速 水 流 冲刷 等 情况 的防护效 果 。待 2 0 1 2年 度汛期 过后 继续跟 踪 观察 。 7结语 ( 1 ) 同等施工条件下 ，聚脲较环氧胶泥对施工及 养护期间的湿度 、温度等 因素更 不敏感 ，施工效率 高 ，施工质量稳定 。 ( 2 ) 聚脲作为弹性防水材料 ，对活缝 的防护性能 较环氧胶泥更佳。 ( 3 ) 目前 ，三峡电站 1 2 3 泄洪深孔左 、右侧 墙距底板 4 m以下 的区域 已基本 防护完 成 ，但 4 m 以上 的区域仍 存 在较多 蜂窝 、麻 面 、裂 缝 等缺 陷。 采用传统的人工涂刮环氧胶泥 的检修方式进行高位 处理时 ，检 修 工期 较 长 、施 工 效 率低 、检 修 质量 无法保证 。而 基 于 聚脲 采 用喷 涂 的施 工方 式 及 固 化快 的特性 ，在 对 高位 区域 进 行 防护 时采 用 喷涂 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第1期 聚脲施工工 艺在 提高 检修 效 率 和质量 方 面更 有 优 势 。 参考文献 ： 1 刘广胜 浆砌石拱坝 坝体防渗 加固设计 与施工 J 中 国建 筑 防水 ，2 0 1 0 ( z 2 ) ：9 9 1 0 2 (责 任 编 辑 陈 小 敏 ) 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m