面板堆石坝填筑施工质量GPS实时监控系统方案研究

1、面板堆石坝填筑施工质量GPS实时监控系统方案研究Hydropower2004面板堆石坝填筑施工质量GPS实时监控系统方案研究吴晓铭,燕乔l,湖北清江水电开发有限责任公司;2,湖北清江水电开发有限责任公司摘要:为适应高面板堆石坝填筑施工质量管理的需要,通过对堆石坝填筑施工质量管理参数和依托技术的分析,提出以全球卫星定位技术,无线数据通讯技术,计算机技术和数据处理分析技术为根底的堆石坝填筑施工质量GPS实时监控系统的总体方案.并对系统的功能,组成等进行了分析论证,为系统研制与设计奠定了理论根底.关键词:面板堆石坝;填筑施工:GPS(全球定位系统):监控系统;方案研究现代混凝土面板堆石坝是以碾压堆石

2、体(含垫层区,过渡层区,主堆石体和次堆石体)为支承构的堆石体的填筑碾压施工质量直接关系到大坝的运行平安.而堆石体的施工质量,主要与坝料级配和填筑密实度有关,因此在堆石坝的施工中,有效地控制坝料级配和填筑密实度是保证大坝施工质量的关键,本文将着重就堆石坝的填筑施工质量控制进行讨论.根据?混凝土面板堆石坝施工标准?【1,2】的有关规定,要求"施工中应严格控制填筑压实参数,并进行抽样检查.对规定的铺料厚度应经仪器检查","坝料压实质量检查,应以控制碾压等施工参数为主,试坑取样为辅",因此国内的混凝土面板堆石坝填筑碾压施工都按照标准的规定,实行碾压参数和试坑取样

3、"双控制"的质量控制方法,这种方法对于促进我国混凝土面板堆石坝的开展,控制混凝土面板坝的施工质量,发挥了重要作用,但在实施过程中,也发现了一些缺乏,如试坑尺寸,形状不规那么的问题;测量试坑体积方法不精确的问题等,同时由于工程在采用挖坑法作为根本监测工程的同时,也探索采用其他方法予以补充,希望能对挖坑检测的结果进行补充,完善.这些探索虽然有一定的效果,但没有出现根本解决问题的方法.水布垭混凝土面板堆石坝坝高达233m,是当今世界同类坝型之最,其总填筑工程量达1500填筑施工施工质量管理,如果仍然采用常规的依靠人工现场控制碾压参数(如碾压速度与遍数)和人工挖试坑取样的检测方法来

4、控制施工质量,是与其大规模机械化施工不相适应的,也很难到达世界第一高坝相应的施工质量要求.因此,有必要研究一种具有实时性,连续性,自动化,高精度等特点的大坝填筑碾压施工质量监控系统,以适应水布垭高面板堆石坝施工质量管理的要求.2大坝碾压施工质量监控系统主要检测参数选择水利水电工程施工具有规模大,工期长,施工技术复杂,自动化程度相对较低,多为露天作业等特点.因此在研究大坝碾压施工质量监控系统检测参数的选择时,必须按照施工标准的要求,对大坝填筑碾压施工的各个环节进行分析,在确保标准规定的检测工程和有利于发挥依托技术潜力的条件下,使关键施工工序的施工质量始终处于系统的监控状态,努力实现关键施工工序的

5、在线实时检测和反应控制,建立实时在线自动监测,反应控制的机制,以质量数据表达工程的施工质量状况,并通过调整施工状态来对堆石坝工程填筑施工质量的进行预先控制,使水利水电工程施工质量管理在大坝填筑施工这一关键环节,实现生产过程的质量自动控制与反应.根据混凝土面板堆石坝施工标准1,2】附录A中的混凝土面板堆石坝坝料填筑质量检查工程和技术要求表,见表1.表1坝料填筑质量检查工程和技术要求工程质量要求坝料填筑厚度符合要求,无超厚;垫层区及过渡区无颗粒别离现象加水按要求进行坝料碾压碾压机械工况,碾压遍数,行车速度应符合碾压试验所提出的要求斜坡碾压碾压机械工况,碾压遍数,行车速度应符合碾压试验所提出的要求上

6、游坡面处碾压砂浆护面的不平整度与设计线偏差为+5cm,.8cm;喷射混凝土护面不平整度理与设计线偏差为+5cm上表从施工标准的角度,对大坝碾压施工质量控制与检测提出了明确的要求,作为大坝碾压施工质量监控系统,必须严格遵守按照标准的规定.因此,大坝填筑料的铺层厚度,碾压遍数和碾压机械行进速度等是本系统的重要监控参数;为了发挥本系统实时,自动监控的特点,同时学习和借鉴近年来有关在大坝填筑施工质量检测方法探索的成功经验,将大坝填筑料的压实率也作为本系统检测参数.大坝坝面填筑料的摊铺厚度和平整度,碾压机械的速度和碾压遍数的检测来说,都存在着共同的物理量长度.大坝坝面摊铺的厚度和平整度与长度有关,碾压机

7、械的运行速度是单位时间内通过的长度,而碾压机械对堆石料的碾压遍数也可以分解为碾压机械通过同一空间位置(长度)的次数.而测量压实率的方法也是与长度有关,它主要是测量堆石料碾压前后的厚度差,通过寻求与堆石料的干容重的关系来分析堆石料的质量.因此,只要实现对有关长度检测的自动化,就可以到达大坝填筑碾压施工质量监控系统的根本目的.上述质量参数的检测要实现自动化,采取常规的技术是比拟困难的.必须依靠现代高科技,采取新技术新手段,研究探索大坝填筑碾压施工质量数据自动采集的技术,才有希望取得新的突破.3大坝填筑碾压施工质量监控系统的技术选择为实现大坝填筑碾压施工质量的自动检测,上面已分析了大坝填筑碾压施工质

8、量的主要控制参数均与长度有关,因此在技术选择上,将着重比照拟研究有关的测量技术,特别是自动化测量技术,在确保根本功能的前提下,选择功能稳定,技术先进,造价合理,使用方便的技术.通过分析研究了全球卫星定位技术,全站仪测量技术及无线电定位技术等项技术,经全面比拟,最终选择全球卫星定位技术3】,也称GPS(GlobalPositionedSystem)技术作为本系统的主要依托技术.GPS是一种以空间卫星为根底的无线电导航定位系统,它由24颗卫星及地面注入,控制监测站等局部组成,它能为世界上任何地方,包括空中,陆地,海洋甚至外层空间的用户,全天候,连续提供精确的三维位置,三维速度及时间信息,具有实时性

9、的导航,定位和授时功能.Hydropower2004GPS定位是通过跟踪作为动态参考点的人造卫星求得星站距离采用交会法获得点位坐标的,其定位精度通常在米级左右,当采取差分GPS方法后,可获得优于厘米级的测量精度.GPS定位技术具有以下突出优点:(1)监测精度高,可满足不同的功能要求:(2)观测时间短,目前,动态相对定位测量,流动站出发时观测12分钟,然后可随时定位,每站观测仅需几秒钟;(3)测站间无需通视,GPS测量不要求测站之间互相通视,只需测站上空开阔即可;(4)全天候作业,目前GPS观测可全天侯作业,不受阴天黑夜,起雾刮风,下雨下雪等气候的影响:(5)操作简便,随着GPS接收机不断改良,

10、自动化程度越来越高,接收机的体积越来越小,重量越来越轻等优点.因此,采用GPS定位技术作为大坝填筑碾压施工质量监控系统的主要依托技术是有坚实的科学根底和物质根底的,而且国内已具有GPS移动目标监控技术和GPS高精度监测技术的研究,应用根底4,在此根底上开发移动目标的高精度监测技术是能够实现的.根据混凝土面板堆石坝施工管理和施工质量控制的根本要求,大坝碾压施工质量监控系统应该具备以下根本功能:一具有全方位,全过程,自动实时监测碾压机械运行轨迹的能力,能够自动计算碾压机械在大坝坝面上的碾压遍数和运行速度,并能自动,准确地将数据记录备查;一具有全方位,全过程,自动测量大坝各区各层堆石料的摊铺厚度及碾

11、压后的压实厚度的能力,并能通过此计算出大坝各点的堆石料碾压后的压实率,从而计算出相应的大坝碾压料干容重,并能自动,准确地将数据记录备查:一根据面板堆石坝施工管理的一般规律,该系统还应具有中心控制室和现场分控站,这些控制室(站)应能对大坝坝面上运行的碾压机械等施工机械进行监控,这些控制室(站)与碾压施工机械之间的数据,信息可以自动传输,所有的数据,信息都能够按照要求保存并查询.一根据实时监测的大坝坝面碾压机械的碾压遍数和碾压机运行速度等监控结果,能够以较简单明了的提示方式,及时反映给碾压机械操作人员,特别对于漏碾的部位和超速时,应能有醒目的提示,以便碾压机械操作人员及时返工和调整运行速度,使施工

12、质量在整个施工过程中始终处于受控状态;一根据自动测量大坝堆石料的摊铺厚度和碾压后的压实率,对大坝填筑过程中的摊铺厚定或碾压后堆石料的压实率(干容重)未到达规定值,应能够自动提示大坝施工管理人员和质量监理工程师,以便他们及时指示在不合格部位补充摊铺或削减厚度以到达规定的厚度和补充碾压,以使压实率(干容重)到达规定指标等.229Hydropower2004一摊铺厚度.根据碾压式土石坝施工标准的有关规定5,大坝堆石料的摊铺厚度的误差不得超过规定摊铺厚度的10%.一碾压机械的运行速度一般不得超过4km/h.一碾压遍数应该到达规定值.目前的最新成果来看,只要在该点有一定的停留时间,GPS定位技术监测精度

13、已到达亚毫米级量检测利用施工间隙进行,即使需专门进行全面质量检查,也不宜占用施工时间过长,以免影响工程施工进度.因此,大坝填筑碾压施工质量监控系统的监测精度,必须适合现场施工要求,尽量减少对施工的直接影响.一摊铺层厚度(垂直向)根据目前GPS定位技术的监测精度,特别是利用差分GPS技术后,在大地上以较低速度运行的移动目标,只要在局部测点适当补充停留1分钟左右,其监测精度可到达5lOmm,而大坝堆石料的摊铺层厚度一般在80cmlOOcm,摊铺层厚度的误差是其厚度的10%,即8cmlOcm,系统的精度是可以满足对摊铺层厚度检测要求的.一碾压机械运行速度及碾压遍数(水平向)由于碾压机械是具有一定宽度

14、,一定重量和一定激振频率的滚轮在大坝堆石料进行往复运动,因此作为GPS定位技术来控制碾压机械对大坝堆石料的碾压遍数监控精度,与碾压机械的滚轮宽度有关,通过对国内外有关堆石坝工程施工中常用的碾压机械的调研,一般碾压机械的滚轮宽度都在2000mm以上,根据碾压机在大坝碾压中一般采用错距碾压的特点,将坝面按照间距50cm的方格布置监测网点,碾压机械在坝面运行时,必然通过该网格,系统只要统计碾压机械通过网格每一交点的次数,即可控制碾压机械对堆石料的碾压遍数:而碾压机械的运行速度,那么可根据碾压机械经过有关点的时间差,在计算机中很容易地计算出来.根据大坝填筑碾压施工及施工管理对系统的要求,大坝填筑碾压施

15、工监控系统由中心控制室,现场分控制站,GPS基准站和GPS移动监测点(碾压机械和质量监理工作车)等局部组成,大坝填筑碾压施工质量监控系统的各局部作用为:(1)中心控制室中心控制室是系统的中心,系统的数据处理,分析,储存等均在此进行,并可将计算,分析结果,通过无线数据通讯方式,发送至现场分控站和监控点,在中心控制室内还设置有电子显示屏,在该屏上能够结合施工需要,实时显示大坝各施工面上碾压机械(质量监理工作车)的精确位置和状态,为领导决策提供依据;(2)现场分控站现场分控站的任务是接收来自中心控制室的监控信息,使现场管理人员及时了解现场施工状态和施工质量情况,一旦出现质量偏差,及时提示有关管理人员

16、指示机械操作人员进行返工,整改;(3)GPS基准站GPS基准站是为了提高GPS系统的监测精度而采用差分GPS技术所需而设置的.(4)GPS移动监测点(碾压机械和质量监理工作车)安装在碾压机械上的GPS移动监测点Hydropower2004安装在碾压机械上GPS移动监测点作为移动观测点,进行GPS移动观测,其观测工程主要是碾压机械的碾压遍数,并将观测结果发送回中心控制室,同时接收中心控制室发来的本GPS移动监测点的定位数据(主要是控制碾压机械碾压遍数的数据),在碾压机械操作室的小型显示屏反映出来,指导碾压机械操作人员作业:安装在质量监理车的GPS移动监测点根据工程管理的需要,同时也为了进一步提高

17、GPS观测精度,系统为施工监理单位专门配备了质量监理工作车,其主要任务是进行GPS移动观测,主要观测工程主要是堆石料铺层碾压前后的厚度的变化,为计算压实率提供数据.并将观测结果发送回中心控制室,同时接收中心控制室发来的本GPS移动监测点的定位数据(包括控制碾压机械碾压遍数和堆石料铺层碾压前后的厚度,压实率的数据),从质量管理角度指导现场施工.可以预见,面板堆石坝填筑施工质量GPS实时监控系统方案的提出,将有可能从根本上解决实际存在的现代大规模机械化施工与人工为主的监测方式的矛盾,使堆石体填筑施工中的碾压参数等指标全方位,全过程,实时地得到有效监测和及时反应控制,从而使面板堆石坝填筑施工质量控制到达一个新的水平.目前,面板堆石坝填