李国儒 康建峰
摘要：
为减少人为因素对堆石坝碾压工程施工质量的干扰，提高工作效率、提升水利工程安全生产标准化建设水平，夹岩水利枢纽工程面板堆石坝运用了“数字大坝”碾压质量实时监控系统。通过在碾压设备上安装高精度GNSS接收机，自动记录堆石坝在碾压施工过程中的碾压机械行走速度、振动频率、碾压遍数和压实厚度等数据，实现了碾压堆石坝施工质量的全自动控制。运用网络与数字化技术，研究成果实现了施工质量全过程控制，有效提高了工程建设管理水平。
关键词：
数字大坝；
堆石坝；
碾压施工；
实时监控；
质量控制；
进度控制；
夹岩水利枢纽工程
中图法分类号：TV51
文献标志码：A
DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.021
文章编号：1006-0081（2023）06-0111-07
0 引 言
在传统的碾压施工过程中，通常通过人工现场旁站、人工记录碾压数据（碾压机械行走速度、振动频率、碾压遍数和压实厚度），并在碾压结束用试坑法检测控制干密度和孔隙率，以实现堆石坝的碾压施工质量管理。这种常规的施工质量管理模式与当前堆石坝碾压施工机械化程度、施工进度、强度要求不相适应，同时压实施工质量也很难一次性达到碾压堆石坝所需的质量标准要求［1］。随着水利工程碾压坝型施工机械自动化的快速发展，自动监测系统进一步应用于水利工程堆石坝以及碾压混凝土坝的碾压施工过程中，如长河大坝、龙开口大坝等，均采用了大坝碾压自动监测系统［2］。然而，大部分水利工程尚未形成3D数字大坝可视化、全自动碾压监测系统以及厂区视频监控全方位整合的可视化施工管理。夹岩水利枢纽工程在面板堆石坝的施工过程中，采用了3D数字大坝可视化系统+全自动碾压监测系统+厂区视频全方位监控的技术手段进行碾压堆石坝施工质量的控制。该系统通过在碾压设备上安装高精度GNSS接收机［3］，可以自动记录堆石坝在碾压施工时碾压机械行走速度、振动频率、碾压遍数和压实厚度等碾压数据［4］，结合施工厂区内的视频监控系统和网络，整理数据并在电脑或手机终端形成3D数字大坝模型，直观展示大坝填筑的高程、方量、坡比等工程信息，也可以随时调取、查阅各碾压单元的碾压施工质量，实现了全员、全过程参与施工质量管理和碾压堆石坝全自动控制施工质量，有效提高了建设管理水平。在夹岩水利枢纽面板堆石坝施工过程中，通过该套系统的控制管理，提高了施工质量、加快了施工进度，避免了人为因素的干扰，使夹岩大坝提前20 d实现封顶。
1 工程概况及系统建设目标
夹岩水利枢纽工程为I等大（1）型工程，其中水源工程主要挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，大坝基础高程1 174.0 m，坝顶高程1 328.0 m，最大坝高154.0 m，最大坝宽454.085 m，坝顶长428.93 m，坝体填筑设计总方量约471万m3。堆石坝的安全稳定运行是实现供水、灌溉及发电等综合利用的关键，而实现大坝安全稳定运行的前提是保证大坝施工质量。因此，碾压施工质量控制至关重要。
夹岩水库混凝土面板堆石坝具有施工条件复杂、填筑难度大等特点，在大坝施工过程中存在以下困难。
（1） 工程工期紧，大坝填筑碾压快速施工与高标准质量控制之间的矛盾突出。过去人为旁站方式控制大坝填筑碾压的节奏缓慢，经常与机械作业相互干扰，影响工期。
（2） 大坝施工过程中，由于缺乏自动化控制手段，常规人工控制碾压填筑的方法受人为和外界因素干扰较大，质量控制盲点较多，实现碾压参数严格控制较为困难。
（3） 常规的事后试坑法检测大坝填筑质量的手段无法实现大坝质量控制的实时性和及时性，对大坝施工质量偏差难以做出快速反应和实时纠偏，且常规试坑检测手段对大坝连续快速施工造成一定的干扰，影响大坝填筑施工效率。
（4） 夹岩水库大坝在建设过程中涉及非常庞大的信息数据，其中进度、质量、安全监测等动静态信息尤为重要，因此把这些信息进行收集、整理、分类、归档成为工程建设管理中需要解决的技术难题［5］。
基于上述存在问题，夹岩水库大坝工程联合天津大学，结合堆石坝碾压现场实际情况，共同研发了1套填筑碾压过程质量实时监控系统，即数字化大坝填筑监控信息系统。该系统应用GPS全球定位系统监控上料、碾压等施工过程［3］，能够按设定的参数对大坝的施工进度和质量进行全天候的监控［6］，对大坝填筑碾压施工的全过程进行实时跟踪监控并及时反馈碾压数据成果，可在确保碾压施工质量的同时加快施工进度，并为后期的工程验收、安全鉴定和施工期、运行期安全评价提供强大的信息服务平台，提高建设管理水平。
2 系统主要功能
2.1 “数字大坝”信息采集系统
“数字大坝”由碾压质量数字化系统、安全监测数字化系统、施工进度数字化系统、枢纽布置数字化系统、工程视频监控系统、RTK一体化测量系统等6个子系统构成，如图1所示。
2.2 堆石坝碾压过程质量实时监控系统
2.2.1 系统总体结构与功能
通过在碾压机械上安装高精度GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機，可以对大坝的各种压实参数进行反馈和监控；
同时，依托夹岩坝区已形成的视频监控网络系统，实现数字监控与视频场景的联合匹配监控，如图2所示。该技术包括以下功能。
（1） 动态监测仓面碾压机械轨迹、速度、状态及频率和碾压厚度等，并在监控系统页面及时显示，同时可供在线查询。
（2） 实现任意分区分段仓面各点的碾压遍数和压实厚度的自动计算和分析统计，将各类参数信息分类并自动存档。
（3） 当碾压机械的各种参数不符合设计及规范要求时，系统会及时发出预警机制，将不合格的参数信息以及所在空间区域位置通过声光控制报警、短信等形式自动反馈给车辆驾驶员、施工和监理人员，以便及时调整或返工处理，并且这些报警信息同时记入施工异常数据库备查。
（4） 在每分区分段仓面碾压合格后，自动打印相关图形报表，如碾压轨迹、碾压遍数、压实厚度、压实高程以及碾压速度和振动状态等，作为单元工程质量评定的附件资料。
（5） 匹配坝区多角度视频监控，全过程监控大坝填筑施工，尤其可对异常填筑碾压作业进行特殊标识和清晰观察。
2.2.2 压实监测与评估
压实监测值（CV）可以实时反映堆石坝料的压实质量（如孔隙率和干密度）；
车载压实监测装置CV仪由碾振加速度传感器、车载集成控制器、无线通讯模块、GNSS定位模块及碾压机电源模块共5个部分组成［3］，如图3所示。
通过实时监控大坝碾压过程中各种参数，开发大坝压实质量实时监测与快速评估模块，具体包括如下功能：
（1） 通过各种传感器，实时采集碾轮振动频率与压实监测值（CV）并在监控页面实时显示，并可实现在线查询；
（2） 根据建立的大坝坝料干密度与压实监测值（CV）之间的定量关系，以及实时采集的CV值，快速评估全仓面的被压坝料干密度；
（3） 在每分区分段仓面施工结束后，输出压实监测值（CV）图和压实质量（干密度）图，根据相关标准，自动监测并控制压实质量。
2.3 手持式施工仓面一体化RTK量测系统
该系统可以避免人工记录及不同系统之间数据传送低效的弊端，实现碾压开仓-仓面高程-压实工程量的一体化量测和全流程数字化系统无缝衔接［7-8］。系统构成如图4所示。
（1） 利用手持式RTK测量装置以及定制开发的手簿APP，快速采集大坝施工仓面开仓边界的高精度坐标，编辑施工单元属性（如单元编号等），生成数字施工仓面，并同步将生成的仓面传送到远程数据库，供后续碾压监控系统应用。
（2） 当运输车辆送料完成后，利用手持式RTK测量装置，实现坝料松铺高程和压实高程的高精度快速采集（高程精度2 cm，平面精度1 cm），并同步将采集的高程点云数据传送到远程数据库，供后续客户端分析应用。
（3） 利用采集的高程点云数据，采用空间插值拟合算法，生成松铺高程和压实高程三维DEM（数字高程模型），统计平均松铺高程和压实高程、高程偏差等，并可在监控客户端查询和显示。
（4） 利用上、下层施工仓面生成的DEM，可以计算压实厚度及压实方量，将该数据存储在数据库中，并集成在碾压监控系统中以供查询，从而实现碾压建仓-松铺高程-压实高程-压实方量的一体化快速量测。
3 应用成果
大坝碾压质量实时监控及数字大坝系统，实现了碾压质量远程、自动、全过程监控；
通过对大坝建设质量、进度及安全监测等动态信息进行可视化管理和数字化归档，为参建各方对工程建设质量的精细管理和创新管理提供了强有力的技术手段。
3.1 施工质量控制成果
大坝碾压质量实时监控与数字大坝系统于2017年12月在夾岩水利枢纽工程正式投入运行，2019年10月，大坝填筑完成。通过该技术应用，实现了大坝碾压24 h实时在线监控，有效避免了质量管理的盲点，加快了碾压施工进度，通过现场挖坑的湿密度值和压实CV值双重标准进行质量控制，提高了参建各方的质量控制效果。
夹岩水利枢纽工程堆石坝运用该技术，全面完整地监控了1 691个仓面的碾压施工过程情况，超速行驶、振动异常、压实厚度等均处于受控状态，所有仓面碾压参数均满足设计要求。从试坑试验抽检情况数据分析，各分区一次检测干密度与孔隙率合格率均在99.5%以上。
夹岩水库最大坝高154 m，2019年10月完成大坝填筑施工，2020年2月，大坝整体沉降率趋于稳定状态，填筑期间（2017年12月至2019年10月）平均月沉降量在1.51～4.97 cm之间，填筑完成后到蓄水前（2019年10月至2021年12月）平均月沉降量在0.16～0.24 cm之间；
截至2022年8月，水库已蓄水至1 305 m死水位高程，蓄水后（2018年12月至2022年8月）平均月沉降量在0.04～0.18 cm之间，趋于稳定；
最大水平位移70.41 mm，未见明显异常情况；
坝体最大沉降量为52.69 cm（2018年12月至2022年8月，在坝高86 m处），占最大坝高（154 m）的0.34%。经过比较：水布垭水电站截至2010年4月的沉降量为250.18 cm，占最大坝高（233 m）的1.07%［9］；
蒲石河水电站截至2012年4月，沉降量为40.75 cm，占最大坝高（78.5 m）的0.51%［10］；
洪家渡水电站截至2004年12月，沉降量为129.68 cm，占最大坝高（179.5 m）的0.72%。综上所述，夹岩大坝沉降量远低于国内同类型大坝。
由于夹岩水利枢纽工程各项监控信息及数据非常庞大，因此本文只取下游堆石区（3C2）和主堆石区（3B）的碾压遍数、压实厚度、平均干密度及孔隙率以及安全监测信息统计数据进行展示分析。
3.1.1 仓面碾压遍数控制情况
运用该技术对大坝填筑碾压参数进行监控。排除施工区域断电、断网及设备故障等特殊情况，已完成监控的所有施工1 691个仓面的碾压遍数统计（表1），均满足设计要求（图5～6）。
3.1.2 仓面压实厚度控制情况
完整监控的各分区施工仓面的压实厚度情况见表2，可见各分区的平均压实厚度基本处于受控状态。统计结果如图7～8所示。
3.1.3 仓面平均干密度和孔隙率控制情况
共录入1 228条试坑检测数据，各仓面分区的平均干密度和孔隙率都符合要求，其干密度及孔隙率统计曲线如图9～12所示。
3.1.4 安全监测数字化信息统计情况
安全监测信息共录入128套监测设备的6 834条监测数据，为安全运行提供了数据保障。各沉降仪监测到的沉降量统计曲线如图13～14所示。
3.2 施工進度控制成果
夹岩水利枢纽工程混凝土面板堆石坝共录入21个月的数据，为大坝施工进度分析提供信息支撑。图15～16是典型时刻的大坝施工进度的二维和三维面貌及相应工程量信息。通过对比分析，可以看出下游堆石区施工超前完成了进度任务，而主堆石区施工明显滞后进度任务。滞后的原因是坝踵凹槽处地质情况较差，导致基坑开挖处理困难［2］。
4 结 论
夹岩水利枢纽工程大坝施工采用3D数字大坝、数据自动监测和厂区视频监控相结合的系统，不仅为工程施工和工程建设管理提供了技术保障，还为后续大坝安全运行与档案信息查找等提供了支撑平台。该技术通过大坝碾压质量实时监控与3D数字大坝系统的有效结合，实现了如下目标：
（1） 实时在线监控填筑碾压施工过程质量等情况，满足大坝快速填筑施工要求，提前20 d完成大坝填筑目标，并且满足大坝快速填筑、碾压施工要求；
（2） 在大坝建设过程中形成了相应的数字化大坝，与铺填、压实工序及评定资料可相互佐证，并保存了相关原始数据；
（3） 参建各方通过移动网络可实时察看大坝填筑和碾压进度、碾压设备运行状态、分区分仓情况等信息，更直观、清晰地展示了大坝填筑质量；
（4） 实现工程建设全方位、无盲点管理，打造了一支夹岩水利枢纽工程建设优秀管理团队；
（5） 截至2022年8月，夹岩水利枢纽工程坝体最大沉降量为52.69 cm，占最大坝高（154 m）的0.34%，沉降趋于稳定，沉降量远低于国内同类型大坝。
2020年5月，夹岩水利枢纽工程数字大坝及碾压质量实时监控技术验收，验收组专家认为该项目在2 a多的大坝填筑施工过程中，采用了先进的国内技术手段，降低了人为因素及外部环境因素对施工质量的干扰影响，大大提高了工程建设质量管理水平，实现了工程建设的创新管理，也为国内同类工程建设质量控制提供了借鉴依据。
参考文献：
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［9］ 韩勇.水布垭面板堆石坝安全监测及分析［J］.广西水利水电，2018（4）：74-77.
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（编辑：江 焘，高小雲）
Technology of real-time monitoring for compaction quality of rock-fill dam and digital dam in Jiayan Water Conservancy Project
LI Guoru，KANG Jianfeng
（Engineering Construction Supervision Center of Changjiang Water Resources Commission，Yangtze River Water Conservancy and Hydropower Development Group （Hubei） Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）
Abstract：
In order to reduce the interference of human factors on the construction quality of the roller compacted rockfill dam，and improve the working efficiency and raise the standard construction level of safety of Water Conservancy Project，the digital dam with compaction real-time monitoring system was used in the face rock-fill dam of Jiayan Water Conservancy Project.By installing a high-precision GNSS receiver on the rolling equipment，the system could automatically record the compaction data of the rockfill dam during the compaction construction，such as the travel speed of the rolling machine，the vibration frequency，the rolling times and the compaction thickness，thus the construction quality of roller compacted rock-fill dam could be controlled automatically.Through the network and digital technology，the construction quality was controlled during the whole process，and the construction management was improved effectively．
Key words：
digital dam；
rock-fill dam；
compaction construction；
real-time monitoring；
quality control；
progress control；
Jiayan Water Conservancy Project