面板堆石壩填筑施工質量GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)方案研究

1、面板堆石壩填筑施工質量GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)方案研究Hydropower2004面板堆石壩填筑施工質量GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)方案研究吳曉銘,燕喬l,湖北清江水電開發(fā)有限責任公司;2,湖北清江水電開發(fā)有限責任公司摘要:為適應高面板堆石壩填筑施工質量管理的需要,通過對堆石壩填筑施工質量管理參數(shù)和依托技術的分析,提出以全球衛(wèi)星定位技術,無線數(shù)據(jù)通訊技術,計算機技術和數(shù)據(jù)處理分析技術為根底的堆石壩填筑施工質量GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案.并對系統(tǒng)的功能,組成等進行了分析論證,為系統(tǒng)研制與設計奠定了理論根底.關鍵詞:面板堆石壩;填筑施工:GPS(全球定位系統(tǒng)):監(jiān)控系統(tǒng);方案研究現(xiàn)代混凝土面板堆石壩是以碾壓堆石

2、體(含墊層區(qū),過渡層區(qū),主堆石體和次堆石體)為支承構的堆石體的填筑碾壓施工質量直接關系到大壩的運行平安.而堆石體的施工質量,主要與壩料級配和填筑密實度有關,因此在堆石壩的施工中,有效地控制壩料級配和填筑密實度是保證大壩施工質量的關鍵,本文將著重就堆石壩的填筑施工質量控制進行討論.根據(jù)?混凝土面板堆石壩施工標準?【1,2】的有關規(guī)定,要求"施工中應嚴格控制填筑壓實參數(shù),并進行抽樣檢查.對規(guī)定的鋪料厚度應經(jīng)儀器檢查","壩料壓實質量檢查,應以控制碾壓等施工參數(shù)為主,試坑取樣為輔",因此國內(nèi)的混凝土面板堆石壩填筑碾壓施工都按照標準的規(guī)定,實行碾壓參數(shù)和試坑取樣

3、"雙控制"的質量控制方法,這種方法對于促進我國混凝土面板堆石壩的開展,控制混凝土面板壩的施工質量,發(fā)揮了重要作用,但在實施過程中,也發(fā)現(xiàn)了一些缺乏,如試坑尺寸,形狀不規(guī)那么的問題;測量試坑體積方法不精確的問題等,同時由于工程在采用挖坑法作為根本監(jiān)測工程的同時,也探索采用其他方法予以補充,希望能對挖坑檢測的結果進行補充,完善.這些探索雖然有一定的效果,但沒有出現(xiàn)根本解決問題的方法.水布埡混凝土面板堆石壩壩高達233m,是當今世界同類壩型之最,其總填筑工程量達1500填筑施工施工質量管理,如果仍然采用常規(guī)的依靠人工現(xiàn)場控制碾壓參數(shù)(如碾壓速度與遍數(shù))和人工挖試坑取樣的檢測方法來

4、控制施工質量,是與其大規(guī)模機械化施工不相適應的,也很難到達世界第一高壩相應的施工質量要求.因此,有必要研究一種具有實時性,連續(xù)性,自動化,高精度等特點的大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng),以適應水布埡高面板堆石壩施工質量管理的要求.2大壩碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng)主要檢測參數(shù)選擇水利水電工程施工具有規(guī)模大,工期長,施工技術復雜,自動化程度相對較低,多為露天作業(yè)等特點.因此在研究大壩碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng)檢測參數(shù)的選擇時,必須按照施工標準的要求,對大壩填筑碾壓施工的各個環(huán)節(jié)進行分析,在確保標準規(guī)定的檢測工程和有利于發(fā)揮依托技術潛力的條件下,使關鍵施工工序的施工質量始終處于系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài),努力實現(xiàn)關鍵施工工序的

5、在線實時檢測和反應控制,建立實時在線自動監(jiān)測,反應控制的機制,以質量數(shù)據(jù)表達工程的施工質量狀況,并通過調(diào)整施工狀態(tài)來對堆石壩工程填筑施工質量的進行預先控制,使水利水電工程施工質量管理在大壩填筑施工這一關鍵環(huán)節(jié),實現(xiàn)生產(chǎn)過程的質量自動控制與反應.根據(jù)混凝土面板堆石壩施工標準1,2】附錄A中的混凝土面板堆石壩壩料填筑質量檢查工程和技術要求表,見表1.表1壩料填筑質量檢查工程和技術要求工程質量要求壩料填筑厚度符合要求,無超厚;墊層區(qū)及過渡區(qū)無顆粒別離現(xiàn)象加水按要求進行壩料碾壓碾壓機械工況,碾壓遍數(shù),行車速度應符合碾壓試驗所提出的要求斜坡碾壓碾壓機械工況,碾壓遍數(shù),行車速度應符合碾壓試驗所提出的要求上

6、游坡面處碾壓砂漿護面的不平整度與設計線偏差為+5cm,.8cm;噴射混凝土護面不平整度理與設計線偏差為+5cm上表從施工標準的角度,對大壩碾壓施工質量控制與檢測提出了明確的要求,作為大壩碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng),必須嚴格遵守按照標準的規(guī)定.因此,大壩填筑料的鋪層厚度,碾壓遍數(shù)和碾壓機械行進速度等是本系統(tǒng)的重要監(jiān)控參數(shù);為了發(fā)揮本系統(tǒng)實時,自動監(jiān)控的特點,同時學習和借鑒近年來有關在大壩填筑施工質量檢測方法探索的成功經(jīng)驗,將大壩填筑料的壓實率也作為本系統(tǒng)檢測參數(shù).大壩壩面填筑料的攤鋪厚度和平整度,碾壓機械的速度和碾壓遍數(shù)的檢測來說,都存在著共同的物理量長度.大壩壩面攤鋪的厚度和平整度與長度有關,碾壓機

7、械的運行速度是單位時間內(nèi)通過的長度,而碾壓機械對堆石料的碾壓遍數(shù)也可以分解為碾壓機械通過同一空間位置(長度)的次數(shù).而測量壓實率的方法也是與長度有關,它主要是測量堆石料碾壓前后的厚度差,通過尋求與堆石料的干容重的關系來分析堆石料的質量.因此,只要實現(xiàn)對有關長度檢測的自動化,就可以到達大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng)的根本目的.上述質量參數(shù)的檢測要實現(xiàn)自動化,采取常規(guī)的技術是比擬困難的.必須依靠現(xiàn)代高科技,采取新技術新手段,研究探索大壩填筑碾壓施工質量數(shù)據(jù)自動采集的技術,才有希望取得新的突破.3大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng)的技術選擇為實現(xiàn)大壩填筑碾壓施工質量的自動檢測,上面已分析了大壩填筑碾壓施工質

8、量的主要控制參數(shù)均與長度有關,因此在技術選擇上,將著重比照擬研究有關的測量技術,特別是自動化測量技術,在確保根本功能的前提下,選擇功能穩(wěn)定,技術先進,造價合理,使用方便的技術.通過分析研究了全球衛(wèi)星定位技術,全站儀測量技術及無線電定位技術等項技術,經(jīng)全面比擬,最終選擇全球衛(wèi)星定位技術3】,也稱GPS(GlobalPositionedSystem)技術作為本系統(tǒng)的主要依托技術.GPS是一種以空間衛(wèi)星為根底的無線電導航定位系統(tǒng),它由24顆衛(wèi)星及地面注入,控制監(jiān)測站等局部組成,它能為世界上任何地方,包括空中,陸地,海洋甚至外層空間的用戶,全天候,連續(xù)提供精確的三維位置,三維速度及時間信息,具有實時性

9、的導航,定位和授時功能.Hydropower2004GPS定位是通過跟蹤作為動態(tài)參考點的人造衛(wèi)星求得星站距離采用交會法獲得點位坐標的,其定位精度通常在米級左右,當采取差分GPS方法后,可獲得優(yōu)于厘米級的測量精度.GPS定位技術具有以下突出優(yōu)點:(1)監(jiān)測精度高,可滿足不同的功能要求:(2)觀測時間短,目前,動態(tài)相對定位測量,流動站出發(fā)時觀測12分鐘,然后可隨時定位,每站觀測僅需幾秒鐘;(3)測站間無需通視,GPS測量不要求測站之間互相通視,只需測站上空開闊即可;(4)全天候作業(yè),目前GPS觀測可全天侯作業(yè),不受陰天黑夜,起霧刮風,下雨下雪等氣候的影響:(5)操作簡便,隨著GPS接收機不斷改良,

10、自動化程度越來越高,接收機的體積越來越小,重量越來越輕等優(yōu)點.因此,采用GPS定位技術作為大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng)的主要依托技術是有堅實的科學根底和物質根底的,而且國內(nèi)已具有GPS移動目標監(jiān)控技術和GPS高精度監(jiān)測技術的研究,應用根底4,在此根底上開發(fā)移動目標的高精度監(jiān)測技術是能夠實現(xiàn)的.根據(jù)混凝土面板堆石壩施工管理和施工質量控制的根本要求,大壩碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng)應該具備以下根本功能:一具有全方位,全過程,自動實時監(jiān)測碾壓機械運行軌跡的能力,能夠自動計算碾壓機械在大壩壩面上的碾壓遍數(shù)和運行速度,并能自動,準確地將數(shù)據(jù)記錄備查;一具有全方位,全過程,自動測量大壩各區(qū)各層堆石料的攤鋪厚度及碾

11、壓后的壓實厚度的能力,并能通過此計算出大壩各點的堆石料碾壓后的壓實率,從而計算出相應的大壩碾壓料干容重,并能自動,準確地將數(shù)據(jù)記錄備查:一根據(jù)面板堆石壩施工管理的一般規(guī)律,該系統(tǒng)還應具有中心控制室和現(xiàn)場分控站,這些控制室(站)應能對大壩壩面上運行的碾壓機械等施工機械進行監(jiān)控,這些控制室(站)與碾壓施工機械之間的數(shù)據(jù),信息可以自動傳輸,所有的數(shù)據(jù),信息都能夠按照要求保存并查詢.一根據(jù)實時監(jiān)測的大壩壩面碾壓機械的碾壓遍數(shù)和碾壓機運行速度等監(jiān)控結果,能夠以較簡單明了的提示方式,及時反映給碾壓機械操作人員,特別對于漏碾的部位和超速時,應能有醒目的提示,以便碾壓機械操作人員及時返工和調(diào)整運行速度,使施工

12、質量在整個施工過程中始終處于受控狀態(tài);一根據(jù)自動測量大壩堆石料的攤鋪厚度和碾壓后的壓實率,對大壩填筑過程中的攤鋪厚定或碾壓后堆石料的壓實率(干容重)未到達規(guī)定值,應能夠自動提示大壩施工管理人員和質量監(jiān)理工程師,以便他們及時指示在不合格部位補充攤鋪或削減厚度以到達規(guī)定的厚度和補充碾壓,以使壓實率(干容重)到達規(guī)定指標等.229Hydropower2004一攤鋪厚度.根據(jù)碾壓式土石壩施工標準的有關規(guī)定5,大壩堆石料的攤鋪厚度的誤差不得超過規(guī)定攤鋪厚度的10%.一碾壓機械的運行速度一般不得超過4km/h.一碾壓遍數(shù)應該到達規(guī)定值.目前的最新成果來看,只要在該點有一定的停留時間,GPS定位技術監(jiān)測精度

13、已到達亞毫米級量檢測利用施工間隙進行,即使需專門進行全面質量檢查,也不宜占用施工時間過長,以免影響工程施工進度.因此,大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測精度,必須適合現(xiàn)場施工要求,盡量減少對施工的直接影響.一攤鋪層厚度(垂直向)根據(jù)目前GPS定位技術的監(jiān)測精度,特別是利用差分GPS技術后,在大地上以較低速度運行的移動目標,只要在局部測點適當補充停留1分鐘左右,其監(jiān)測精度可到達5lOmm,而大壩堆石料的攤鋪層厚度一般在80cmlOOcm,攤鋪層厚度的誤差是其厚度的10%,即8cmlOcm,系統(tǒng)的精度是可以滿足對攤鋪層厚度檢測要求的.一碾壓機械運行速度及碾壓遍數(shù)(水平向)由于碾壓機械是具有一定寬度

14、,一定重量和一定激振頻率的滾輪在大壩堆石料進行往復運動,因此作為GPS定位技術來控制碾壓機械對大壩堆石料的碾壓遍數(shù)監(jiān)控精度,與碾壓機械的滾輪寬度有關,通過對國內(nèi)外有關堆石壩工程施工中常用的碾壓機械的調(diào)研,一般碾壓機械的滾輪寬度都在2000mm以上,根據(jù)碾壓機在大壩碾壓中一般采用錯距碾壓的特點,將壩面按照間距50cm的方格布置監(jiān)測網(wǎng)點,碾壓機械在壩面運行時,必然通過該網(wǎng)格,系統(tǒng)只要統(tǒng)計碾壓機械通過網(wǎng)格每一交點的次數(shù),即可控制碾壓機械對堆石料的碾壓遍數(shù):而碾壓機械的運行速度,那么可根據(jù)碾壓機械經(jīng)過有關點的時間差,在計算機中很容易地計算出來.根據(jù)大壩填筑碾壓施工及施工管理對系統(tǒng)的要求,大壩填筑碾壓施

15、工監(jiān)控系統(tǒng)由中心控制室,現(xiàn)場分控制站,GPS基準站和GPS移動監(jiān)測點(碾壓機械和質量監(jiān)理工作車)等局部組成,大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統(tǒng)的各局部作用為:(1)中心控制室中心控制室是系統(tǒng)的中心,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理,分析,儲存等均在此進行,并可將計算,分析結果,通過無線數(shù)據(jù)通訊方式,發(fā)送至現(xiàn)場分控站和監(jiān)控點,在中心控制室內(nèi)還設置有電子顯示屏,在該屏上能夠結合施工需要,實時顯示大壩各施工面上碾壓機械(質量監(jiān)理工作車)的精確位置和狀態(tài),為領導決策提供依據(jù);(2)現(xiàn)場分控站現(xiàn)場分控站的任務是接收來自中心控制室的監(jiān)控信息,使現(xiàn)場管理人員及時了解現(xiàn)場施工狀態(tài)和施工質量情況,一旦出現(xiàn)質量偏差,及時提示有關管理人員

16、指示機械操作人員進行返工,整改;(3)GPS基準站GPS基準站是為了提高GPS系統(tǒng)的監(jiān)測精度而采用差分GPS技術所需而設置的.(4)GPS移動監(jiān)測點(碾壓機械和質量監(jiān)理工作車)安裝在碾壓機械上的GPS移動監(jiān)測點Hydropower2004安裝在碾壓機械上GPS移動監(jiān)測點作為移動觀測點,進行GPS移動觀測,其觀測工程主要是碾壓機械的碾壓遍數(shù),并將觀測結果發(fā)送回中心控制室,同時接收中心控制室發(fā)來的本GPS移動監(jiān)測點的定位數(shù)據(jù)(主要是控制碾壓機械碾壓遍數(shù)的數(shù)據(jù)),在碾壓機械操作室的小型顯示屏反映出來,指導碾壓機械操作人員作業(yè):安裝在質量監(jiān)理車的GPS移動監(jiān)測點根據(jù)工程管理的需要,同時也為了進一步提高

17、GPS觀測精度,系統(tǒng)為施工監(jiān)理單位專門配備了質量監(jiān)理工作車,其主要任務是進行GPS移動觀測,主要觀測工程主要是堆石料鋪層碾壓前后的厚度的變化,為計算壓實率提供數(shù)據(jù).并將觀測結果發(fā)送回中心控制室,同時接收中心控制室發(fā)來的本GPS移動監(jiān)測點的定位數(shù)據(jù)(包括控制碾壓機械碾壓遍數(shù)和堆石料鋪層碾壓前后的厚度,壓實率的數(shù)據(jù)),從質量管理角度指導現(xiàn)場施工.可以預見,面板堆石壩填筑施工質量GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)方案的提出,將有可能從根本上解決實際存在的現(xiàn)代大規(guī)模機械化施工與人工為主的監(jiān)測方式的矛盾,使堆石體填筑施工中的碾壓參數(shù)等指標全方位,全過程,實時地得到有效監(jiān)測和及時反應控制,從而使面板堆石壩填筑施工質量控制到達一個新的水平.目前,面板堆石壩填