面板堆石壩填筑施工質(zhì)量GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)方案研究

1、面板堆石壩填筑施工質(zhì)量GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)方案研究Hydropower2004面板堆石壩填筑施工質(zhì)量GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)方案研究吳曉銘,燕喬l,湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司;2,湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司摘要:為適應(yīng)高面板堆石壩填筑施工質(zhì)量管理的需要,通過(guò)對(duì)堆石壩填筑施工質(zhì)量管理參數(shù)和依托技術(shù)的分析,提出以全球衛(wèi)星定位技術(shù),無(wú)線數(shù)據(jù)通訊技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)為根底的堆石壩填筑施工質(zhì)量GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案.并對(duì)系統(tǒng)的功能,組成等進(jìn)行了分析論證,為系統(tǒng)研制與設(shè)計(jì)奠定了理論根底.關(guān)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(guò)渡層區(qū),主堆石體和次堆石體)為支承構(gòu)的堆石體的填筑碾壓施工質(zhì)量直接關(guān)系到大壩的運(yùn)行平安.而堆石體的施工質(zhì)量,主要與壩料級(jí)配和填筑密實(shí)度有關(guān),因此在堆石壩的施工中,有效地控制壩料級(jí)配和填筑密實(shí)度是保證大壩施工質(zhì)量的關(guān)鍵,本文將著重就堆石壩的填筑施工質(zhì)量控制進(jìn)行討論.根據(jù)?混凝土面板堆石壩施工標(biāo)準(zhǔn)?【1,2】的有關(guān)規(guī)定,要求"施工中應(yīng)嚴(yán)格控制填筑壓實(shí)參數(shù),并進(jìn)行抽樣檢查.對(duì)規(guī)定的鋪料厚度應(yīng)經(jīng)儀器檢查","壩料壓實(shí)質(zhì)量檢查,應(yīng)以控制碾壓等施工參數(shù)為主,試坑取樣為輔",因此國(guó)內(nèi)的混凝土面板堆石壩填筑碾壓施工都按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,實(shí)行碾壓參數(shù)和試坑取樣

3、"雙控制"的質(zhì)量控制方法,這種方法對(duì)于促進(jìn)我國(guó)混凝土面板堆石壩的開(kāi)展,控制混凝土面板壩的施工質(zhì)量,發(fā)揮了重要作用,但在實(shí)施過(guò)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(wèn)題;測(cè)量試坑體積方法不精確的問(wèn)題等,同時(shí)由于工程在采用挖坑法作為根本監(jiān)測(cè)工程的同時(shí),也探索采用其他方法予以補(bǔ)充,希望能對(duì)挖坑檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充,完善.這些探索雖然有一定的效果,但沒(méi)有出現(xiàn)根本解決問(wèn)題的方法.水布埡混凝土面板堆石壩壩高達(dá)233m,是當(dāng)今世界同類壩型之最,其總填筑工程量達(dá)1500填筑施工施工質(zhì)量管理,如果仍然采用常規(guī)的依靠人工現(xiàn)場(chǎng)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(cè)方法來(lái)

4、控制施工質(zhì)量,是與其大規(guī)模機(jī)械化施工不相適應(yīng)的,也很難到達(dá)世界第一高壩相應(yīng)的施工質(zhì)量要求.因此,有必要研究一種具有實(shí)時(shí)性,連續(xù)性,自動(dòng)化,高精度等特點(diǎn)的大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng),以適應(yīng)水布埡高面板堆石壩施工質(zhì)量管理的要求.2大壩碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要檢測(cè)參數(shù)選擇水利水電工程施工具有規(guī)模大,工期長(zhǎng),施工技術(shù)復(fù)雜,自動(dòng)化程度相對(duì)較低,多為露天作業(yè)等特點(diǎn).因此在研究大壩碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)的選擇時(shí),必須按照施工標(biāo)準(zhǔn)的要求,對(duì)大壩填筑碾壓施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析,在確保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)工程和有利于發(fā)揮依托技術(shù)潛力的條件下,使關(guān)鍵施工工序的施工質(zhì)量始終處于系統(tǒng)的監(jiān)控狀態(tài),努力實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵施工工序的

5、在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和反應(yīng)控制,建立實(shí)時(shí)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè),反應(yīng)控制的機(jī)制,以質(zhì)量數(shù)據(jù)表達(dá)工程的施工質(zhì)量狀況,并通過(guò)調(diào)整施工狀態(tài)來(lái)對(duì)堆石壩工程填筑施工質(zhì)量的進(jìn)行預(yù)先控制,使水利水電工程施工質(zhì)量管理在大壩填筑施工這一關(guān)鍵環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量自動(dòng)控制與反應(yīng).根據(jù)混凝土面板堆石壩施工標(biāo)準(zhǔn)1,2】附錄A中的混凝土面板堆石壩壩料填筑質(zhì)量檢查工程和技術(shù)要求表,見(jiàn)表1.表1壩料填筑質(zhì)量檢查工程和技術(shù)要求工程質(zhì)量要求壩料填筑厚度符合要求,無(wú)超厚;墊層區(qū)及過(guò)渡區(qū)無(wú)顆粒別離現(xiàn)象加水按要求進(jìn)行壩料碾壓碾壓機(jī)械工況,碾壓遍數(shù),行車速度應(yīng)符合碾壓試驗(yàn)所提出的要求斜坡碾壓碾壓機(jī)械工況,碾壓遍數(shù),行車速度應(yīng)符合碾壓試驗(yàn)所提出的要求上

6、游坡面處碾壓砂漿護(hù)面的不平整度與設(shè)計(jì)線偏差為+5cm,.8cm;噴射混凝土護(hù)面不平整度理與設(shè)計(jì)線偏差為+5cm上表從施工標(biāo)準(zhǔn)的角度,對(duì)大壩碾壓施工質(zhì)量控制與檢測(cè)提出了明確的要求,作為大壩碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng),必須嚴(yán)格遵守按照標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械行進(jìn)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(shí)時(shí),自動(dòng)監(jiān)控的特點(diǎn),同時(shí)學(xué)習(xí)和借鑒近年來(lái)有關(guān)在大壩填筑施工質(zhì)量檢測(cè)方法探索的成功經(jīng)驗(yàn),將大壩填筑料的壓實(shí)率也作為本系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù).大壩壩面填筑料的攤鋪厚度和平整度,碾壓機(jī)械的速度和碾壓遍數(shù)的檢測(cè)來(lái)說(shuō),都存在著共同的物理量長(zhǎng)度.大壩壩面攤鋪的厚度和平整度與長(zhǎng)度有關(guān),碾壓機(jī)

7、械的運(yùn)行速度是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的長(zhǎng)度,而碾壓機(jī)械對(duì)堆石料的碾壓遍數(shù)也可以分解為碾壓機(jī)械通過(guò)同一空間位置(長(zhǎng)度)的次數(shù).而測(cè)量壓實(shí)率的方法也是與長(zhǎng)度有關(guān),它主要是測(cè)量堆石料碾壓前后的厚度差,通過(guò)尋求與堆石料的干容重的關(guān)系來(lái)分析堆石料的質(zhì)量.因此,只要實(shí)現(xiàn)對(duì)有關(guān)長(zhǎng)度檢測(cè)的自動(dòng)化,就可以到達(dá)大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的根本目的.上述質(zhì)量參數(shù)的檢測(cè)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,采取常規(guī)的技術(shù)是比擬困難的.必須依靠現(xiàn)代高科技,采取新技術(shù)新手段,研究探索大壩填筑碾壓施工質(zhì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的技術(shù),才有希望取得新的突破.3大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)選擇為實(shí)現(xiàn)大壩填筑碾壓施工質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè),上面已分析了大壩填筑碾壓施工質(zhì)

8、量的主要控制參數(shù)均與長(zhǎng)度有關(guān),因此在技術(shù)選擇上,將著重比照擬研究有關(guān)的測(cè)量技術(shù),特別是自動(dòng)化測(cè)量技術(shù),在確保根本功能的前提下,選擇功能穩(wěn)定,技術(shù)先進(jìn),造價(jià)合理,使用方便的技術(shù).通過(guò)分析研究了全球衛(wèi)星定位技術(shù),全站儀測(cè)量技術(shù)及無(wú)線電定位技術(shù)等項(xiàng)技術(shù),經(jīng)全面比擬,最終選擇全球衛(wèi)星定位技術(shù)3】,也稱GPS(GlobalPositionedSystem)技術(shù)作為本系統(tǒng)的主要依托技術(shù).GPS是一種以空間衛(wèi)星為根底的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng),它由24顆衛(wèi)星及地面注入,控制監(jiān)測(cè)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(shí)間信息,具有實(shí)時(shí)性

9、的導(dǎo)航,定位和授時(shí)功能.Hydropower2004GPS定位是通過(guò)跟蹤作為動(dòng)態(tài)參考點(diǎn)的人造衛(wèi)星求得星站距離采用交會(huì)法獲得點(diǎn)位坐標(biāo)的,其定位精度通常在米級(jí)左右,當(dāng)采取差分GPS方法后,可獲得優(yōu)于厘米級(jí)的測(cè)量精度.GPS定位技術(shù)具有以下突出優(yōu)點(diǎn):(1)監(jiān)測(cè)精度高,可滿足不同的功能要求:(2)觀測(cè)時(shí)間短,目前,動(dòng)態(tài)相對(duì)定位測(cè)量,流動(dòng)站出發(fā)時(shí)觀測(cè)12分鐘,然后可隨時(shí)定位,每站觀測(cè)僅需幾秒鐘;(3)測(cè)站間無(wú)需通視,GPS測(cè)量不要求測(cè)站之間互相通視,只需測(cè)站上空開(kāi)闊即可;(4)全天候作業(yè),目前GPS觀測(cè)可全天侯作業(yè),不受陰天黑夜,起霧刮風(fēng),下雨下雪等氣候的影響:(5)操作簡(jiǎn)便,隨著GPS接收機(jī)不斷改良,

10、自動(dòng)化程度越來(lái)越高,接收機(jī)的體積越來(lái)越小,重量越來(lái)越輕等優(yōu)點(diǎn).因此,采用GPS定位技術(shù)作為大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的主要依托技術(shù)是有堅(jiān)實(shí)的科學(xué)根底和物質(zhì)根底的,而且國(guó)內(nèi)已具有GPS移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控技術(shù)和GPS高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究,應(yīng)用根底4,在此根底上開(kāi)發(fā)移動(dòng)目標(biāo)的高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)是能夠?qū)崿F(xiàn)的.根據(jù)混凝土面板堆石壩施工管理和施工質(zhì)量控制的根本要求,大壩碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下根本功能:一具有全方位,全過(guò)程,自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碾壓機(jī)械運(yùn)行軌跡的能力,能夠自動(dòng)計(jì)算碾壓機(jī)械在大壩壩面上的碾壓遍數(shù)和運(yùn)行速度,并能自動(dòng),準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)記錄備查;一具有全方位,全過(guò)程,自動(dòng)測(cè)量大壩各區(qū)各層堆石料的攤鋪厚度及碾

11、壓后的壓實(shí)厚度的能力,并能通過(guò)此計(jì)算出大壩各點(diǎn)的堆石料碾壓后的壓實(shí)率,從而計(jì)算出相應(yīng)的大壩碾壓料干容重,并能自動(dòng),準(zhǔn)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(yīng)具有中心控制室和現(xiàn)場(chǎng)分控站,這些控制室(站)應(yīng)能對(duì)大壩壩面上運(yùn)行的碾壓機(jī)械等施工機(jī)械進(jìn)行監(jiān)控,這些控制室(站)與碾壓施工機(jī)械之間的數(shù)據(jù),信息可以自動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的大壩壩面碾壓機(jī)械的碾壓遍數(shù)和碾壓機(jī)運(yùn)行速度等監(jiān)控結(jié)果,能夠以較簡(jiǎn)單明了的提示方式,及時(shí)反映給碾壓機(jī)械操作人員,特別對(duì)于漏碾的部位和超速時(shí),應(yīng)能有醒目的提示,以便碾壓機(jī)械操作人員及時(shí)返工和調(diào)整運(yùn)行速度,使施工

12、質(zhì)量在整個(gè)施工過(guò)程中始終處于受控狀態(tài);一根據(jù)自動(dòng)測(cè)量大壩堆石料的攤鋪厚度和碾壓后的壓實(shí)率,對(duì)大壩填筑過(guò)程中的攤鋪厚定或碾壓后堆石料的壓實(shí)率(干容重)未到達(dá)規(guī)定值,應(yīng)能夠自動(dòng)提示大壩施工管理人員和質(zhì)量監(jiān)理工程師,以便他們及時(shí)指示在不合格部位補(bǔ)充攤鋪或削減厚度以到達(dá)規(guī)定的厚度和補(bǔ)充碾壓,以使壓實(shí)率(干容重)到達(dá)規(guī)定指標(biāo)等.229Hydropower2004一攤鋪厚度.根據(jù)碾壓式土石壩施工標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定5,大壩堆石料的攤鋪厚度的誤差不得超過(guò)規(guī)定攤鋪厚度的10%.一碾壓機(jī)械的運(yùn)行速度一般不得超過(guò)4km/h.一碾壓遍數(shù)應(yīng)該到達(dá)規(guī)定值.目前的最新成果來(lái)看,只要在該點(diǎn)有一定的停留時(shí)間,GPS定位技術(shù)監(jiān)測(cè)精度

13、已到達(dá)亞毫米級(jí)量檢測(cè)利用施工間隙進(jìn)行,即使需專門進(jìn)行全面質(zhì)量檢查,也不宜占用施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng),以免影響工程施工進(jìn)度.因此,大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度,必須適合現(xiàn)場(chǎng)施工要求,盡量減少對(duì)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(shù)的監(jiān)測(cè)精度,特別是利用差分GPS技術(shù)后,在大地上以較低速度運(yùn)行的移動(dòng)目標(biāo),只要在局部測(cè)點(diǎn)適當(dāng)補(bǔ)充停留1分鐘左右,其監(jiān)測(cè)精度可到達(dá)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(duì)攤鋪層厚度檢測(cè)要求的.一碾壓機(jī)械運(yùn)行速度及碾壓遍數(shù)(水平向)由于碾壓機(jī)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(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此作為GPS定位技術(shù)來(lái)控制碾壓機(jī)械對(duì)大壩堆石料的碾壓遍數(shù)監(jiān)控精度,與碾壓機(jī)械的滾輪寬度有關(guān),通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)堆石壩工程施工中常用的碾壓機(jī)械的調(diào)研,一般碾壓機(jī)械的滾輪寬度都在2000mm以上,根據(jù)碾壓機(jī)在大壩碾壓中一般采用錯(cuò)距碾壓的特點(diǎn),將壩面按照間距50cm的方格布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn),碾壓機(jī)械在壩面運(yùn)行時(shí),必然通過(guò)該網(wǎng)格,系統(tǒng)只要統(tǒng)計(jì)碾壓機(jī)械通過(guò)網(wǎng)格每一交點(diǎn)的次數(shù),即可控制碾壓機(jī)械對(duì)堆石料的碾壓遍數(shù):而碾壓機(jī)械的運(yùn)行速度,那么可根據(jù)碾壓機(jī)械經(jīng)過(guò)有關(guān)點(diǎn)的時(shí)間差,在計(jì)算機(jī)中很容易地計(jì)算出來(lái).根據(jù)大壩填筑碾壓施工及施工管理對(duì)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(chǎng)分控制站,GPS基準(zhǔn)站和GPS移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(碾壓機(jī)械和質(zhì)量監(jiān)理工作車)等局部組成,大壩填筑碾壓施工質(zhì)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(chǔ)存等均在此進(jìn)行,并可將計(jì)算,分析結(jié)果,通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通訊方式,發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)分控站和監(jiān)控點(diǎn),在中心控制室內(nèi)還設(shè)置有電子顯示屏,在該屏上能夠結(jié)合施工需要,實(shí)時(shí)顯示大壩各施工面上碾壓機(jī)械(質(zhì)量監(jiān)理工作車)的精確位置和狀態(tài),為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù);(2)現(xiàn)場(chǎng)分控站現(xiàn)場(chǎng)分控站的任務(wù)是接收來(lái)自中心控制室的監(jiān)控信息,使現(xiàn)場(chǎng)管理人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)和施工質(zhì)量情況,一旦出現(xiàn)質(zhì)量偏差,及時(shí)提示有關(guān)管理人員

16、指示機(jī)械操作人員進(jìn)行返工,整改;(3)GPS基準(zhǔn)站GPS基準(zhǔn)站是為了提高GPS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度而采用差分GPS技術(shù)所需而設(shè)置的.(4)GPS移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(碾壓機(jī)械和質(zhì)量監(jiān)理工作車)安裝在碾壓機(jī)械上的GPS移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Hydropower2004安裝在碾壓機(jī)械上GPS移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn),進(jìn)行GPS移動(dòng)觀測(cè),其觀測(cè)工程主要是碾壓機(jī)械的碾壓遍數(shù),并將觀測(cè)結(jié)果發(fā)送回中心控制室,同時(shí)接收中心控制室發(fā)來(lái)的本GPS移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)(主要是控制碾壓機(jī)械碾壓遍數(shù)的數(shù)據(jù)),在碾壓機(jī)械操作室的小型顯示屏反映出來(lái),指導(dǎo)碾壓機(jī)械操作人員作業(yè):安裝在質(zhì)量監(jiān)理車的GPS移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)工程管理的需要,同時(shí)也為了進(jìn)一步提高

17、GPS觀測(cè)精度,系統(tǒng)為施工監(jiān)理單位專門配備了質(zhì)量監(jiān)理工作車,其主要任務(wù)是進(jìn)行GPS移動(dòng)觀測(cè),主要觀測(cè)工程主要是堆石料鋪層碾壓前后的厚度的變化,為計(jì)算壓實(shí)率提供數(shù)據(jù).并將觀測(cè)結(jié)果發(fā)送回中心控制室,同時(shí)接收中心控制室發(fā)來(lái)的本GPS移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)(包括控制碾壓機(jī)械碾壓遍數(shù)和堆石料鋪層碾壓前后的厚度,壓實(shí)率的數(shù)據(jù)),從質(zhì)量管理角度指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工.可以預(yù)見(jiàn),面板堆石壩填筑施工質(zhì)量GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)方案的提出,將有可能從根本上解決實(shí)際存在的現(xiàn)代大規(guī)模機(jī)械化施工與人工為主的監(jiān)測(cè)方式的矛盾,使堆石體填筑施工中的碾壓參數(shù)等指標(biāo)全方位,全過(guò)程,實(shí)時(shí)地得到有效監(jiān)測(cè)和及時(shí)反應(yīng)控制,從而使面板堆石壩填筑施工質(zhì)量控制到達(dá)一個(gè)新的水平.目前,面板堆石壩填