基于GPS的面板堆石壩監(jiān)測與填筑質(zhì)量控制

劉海濤

(饒河縣勝利農(nóng)場水務(wù)局，黑龍江 饒河 156324)

1 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，監(jiān)測設(shè)計理論的逐步完善，以及監(jiān)測儀器和技術(shù)的革新，為大壩的設(shè)計、施工和運(yùn)行提供了有力保障。如光纖傳感技術(shù)運(yùn)用來監(jiān)測裂縫，應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測尚需進(jìn)一步研究[1-2];滲流熱監(jiān)測壩體、壩基滲流。

目前，堆石壩填筑施工的質(zhì)量管理主要采取控制碾壓參數(shù)和試坑法檢測的“雙控”，在實施過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些不足，如試坑取樣費(fèi)工費(fèi)時、試坑尺寸、形狀不規(guī)則的問題，以及測量試坑體積方法不精確的問題等;因而很難適應(yīng)新形勢發(fā)展的要求。同時監(jiān)控大壩的安全問題，有重大的實用意義和科學(xué)價值。GPS(全球定位系統(tǒng))具有全天候、實時性、連續(xù)性、自動化、高精度等特點(diǎn)已在隔河巖等大壩變形監(jiān)測中獲得了應(yīng)用，隨著成本的降低，測量精度的提高，將在土石壩監(jiān)測中逐步應(yīng)用，這為我國大壩位移監(jiān)測以及施工質(zhì)量控制又提供了一種有效的方法[3]。

2 GPS監(jiān)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成及功能

2.1 系統(tǒng)組成

通常GPS(Globe Positioning System)實時監(jiān)控系統(tǒng)由3個部分組成:系統(tǒng)監(jiān)控中心、無線通訊中繼站和移動遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)，GPS監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)中繼站、現(xiàn)場分控站、GPS基準(zhǔn)站和移動遠(yuǎn)端(或GPS流動站、動碾和工程監(jiān)理車)等部分組成。GPS構(gòu)成一個自動監(jiān)測系統(tǒng)，通過少量人工干預(yù)就能很容易地獲取堤壩長期和短期變化情況。

2.2 監(jiān)控中心是本系統(tǒng)的核心

系統(tǒng)綜合應(yīng)用了無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和衛(wèi)星定位系統(tǒng)(CPS)，通過無線數(shù)據(jù)通訊方式，將GPS基準(zhǔn)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)連續(xù)、實時地發(fā)布給各GPS流動站，同時，接收各流動站反饋的位置信息。其主要觀測項目是(碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行速度和碾壓遍數(shù))攤鋪層碾壓前后的堆石料厚度的變化，為控制攤鋪層厚度與平整度、計算壓實率提供數(shù)據(jù)，并將觀測結(jié)果發(fā)送回中心控制室。另外，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)，從質(zhì)量管理角度指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2.3 GPS監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

1)連續(xù)、實時監(jiān)控。通訊數(shù)據(jù)實現(xiàn)了真正意義上的雙向?qū)崟r傳送。測點(diǎn)速度一般只有十幾分鐘或幾分鐘。無論在監(jiān)控中心、現(xiàn)場分控站，還是在移動遠(yuǎn)端，均可實時顯示碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡和運(yùn)行速度，在顯示屏上實時反映系統(tǒng)1 s采樣率的三維位置信息。

2)操作簡便。移動遠(yuǎn)端設(shè)備簡潔，體積小，重量輕，安裝和拆卸也非常簡便。另外移動遠(yuǎn)端的操作過程非常簡便，僅涉及到開機(jī)和關(guān)機(jī)等幾個必要步驟。

3)全天候和高精度的優(yōu)點(diǎn)。其表面定位精度可到厘米級甚至毫米級，高程可達(dá)四等水準(zhǔn)。由于其點(diǎn)位間不存在誤差積累，測量點(diǎn)不像傳統(tǒng)控制測量那樣有等級之分。采用GPS技術(shù)無需過渡點(diǎn)，不用造標(biāo)，點(diǎn)位間不需要通視。

3 GPS移位安全監(jiān)測

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理3部分組成。GPS大壩位移監(jiān)測點(diǎn)的定位主要有絕對定位和相對定位。絕對定位的精度一般較低，因此，在GPS大壩位移監(jiān)測中，應(yīng)采用相對定位。應(yīng)用其靜態(tài)和快速定位方法直接獲取大壩位移，提供給GIS、ES等系統(tǒng)進(jìn)行大壩安全評價使用。

3.1 架設(shè)基準(zhǔn)站與監(jiān)控中心，連接基準(zhǔn)站與監(jiān)控中心

根據(jù)土木工程和地質(zhì)資料，合理布置監(jiān)測站點(diǎn)，作為基準(zhǔn)點(diǎn)，且與壩區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)聯(lián)測。將具有穩(wěn)定的地帶和穩(wěn)定的標(biāo)石點(diǎn)作為參考點(diǎn)向目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

每次觀測時間60～180 min。數(shù)據(jù)傳輸部分，基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)可采用微波擴(kuò)頻無線通訊技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸至控制中心服務(wù)器;監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)也采用智能多串口卡和光隔離器[5]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，并通過光纖傳輸至控制中心服務(wù)器。這樣可以集到多種檢測與對比分析數(shù)據(jù)，具體包括GPS、全站儀測量的檢測點(diǎn)平面坐標(biāo)和水準(zhǔn)測高。

3.3 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析

包括網(wǎng)平差計算，位移參數(shù)精度和靈敏度等相關(guān)分析。

再測量過程中誤差可能主要來源于儀器，如衛(wèi)星和接收機(jī)鐘差、SA頻率抖動、衛(wèi)星頻率的不穩(wěn)定和天線校準(zhǔn)和天線高度誤差等等。這些誤差都是可以在實際操作和數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行消除的。如衛(wèi)星和接收機(jī)鐘差:衛(wèi)星和接收機(jī)振蕩器引起的誤差，采用差分法消除。

4 填筑施工參數(shù)控制

壩料填筑是面板堆石壩施工之中的關(guān)鍵，直接影響壩體施工質(zhì)量和施工速度。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)是有堅實的科學(xué)基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)的，應(yīng)用也越來越廣泛。如水布埡水電站面板堆石壩填筑施工中就采用了GPS系統(tǒng)來進(jìn)行施工過程的實時監(jiān)控。在面板堆石壩施工過程中GPS主要運(yùn)用于如下幾個方面:

4.1 鋪料厚度

為了使壩體均勻協(xié)調(diào)填筑升高，做到填筑兩層墊層料壓實后等于一層堆石料的壓實厚度，并考慮到機(jī)械鋪料和人工鋪料、前進(jìn)法和后退法卸料以及不同填料壓實沉陷量不同的影響，又針對墊層料進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗調(diào)整，墊層料鋪料厚度為55 cm，碾壓后沉降率為30%左右，填筑兩層后與上游堆石區(qū)填筑一層壓實后的厚度相當(dāng)。通過運(yùn)用GPS相對定位技術(shù)能精確測量，夠提示大壩施工管理人員和質(zhì)量監(jiān)理工程師，填筑過程中的攤鋪厚度是否符合規(guī)定。如上游堆石區(qū)(主堆石區(qū))要求鋪料厚度為80 cm，實際鋪料厚度為80～85 cm，其它填筑區(qū)的鋪料厚度基本按要求進(jìn)行。鋪料層厚的控制采用測量、放樣和標(biāo)尺檢查的方法進(jìn)行。墊層料填筑碾壓后經(jīng)挖坑檢測，干密度值全部合格，說明其調(diào)整后的鋪料厚度便于施工，也達(dá)到質(zhì)量要求。

4.2 碾壓遍數(shù)

運(yùn)用GPS監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實時監(jiān)測的大壩壩面碾壓機(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，能夠以較簡單明了的提示方式，及時反映給碾壓機(jī)械操作人員，并能按照大壩填筑規(guī)劃對大壩各區(qū)、各層填筑碾壓層厚進(jìn)行復(fù)核，記錄施工各區(qū)、各層的實際填筑碾壓厚度，并及時提示現(xiàn)場工程師糾正可能出現(xiàn)的錯誤，使施工質(zhì)量在整個施工過程中始終處于受控狀態(tài)。具體情況為:除小區(qū)料采用平板振動碾、墊層料斜坡面采用10 t振動碾外，其余填筑區(qū)均采用16～18 t振動碾進(jìn)行碾壓，碾壓遍數(shù)為6～8遍，碾壓遍數(shù)按振動碾錯距20～30 cm進(jìn)行控制。砂礫料填筑區(qū)的碾壓遍數(shù)按振動碾錯距45～50 cm進(jìn)行控制。斜坡面碾壓時振動碾的上行速度為0.3 ～0.35 m/s，下行速度 ＜0.4 m/s。

4.3 面板混凝土施工控制

面板施工主要包括縫的處理、止水施工、鋼筋綁扎、滑模澆筑、養(yǎng)護(hù)等幾個工序。面板有一個固定的坡比，在設(shè)計大壩時已經(jīng)確定，常用1∶1.3和1∶1.4，這一坡面形成的傾角約為36°～37°。這一坡比數(shù)值關(guān)系到滑模的系統(tǒng)設(shè)計、養(yǎng)護(hù)和保溫措施等，所以在施工上要求比較嚴(yán)格，運(yùn)用GPS技術(shù)可以完成整個過程的實時監(jiān)測，確保施工質(zhì)量。

5 結(jié)束語

實踐證明，GPS定位技術(shù)在面板堆石壩監(jiān)測與填筑質(zhì)量控制方面所顯示出來的優(yōu)勢越來越被同所關(guān)注和重視。GPS定位技術(shù)的監(jiān)測精度高、觀測時間短、測站間無需通視、全天候作業(yè)以及操作簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)也在實際運(yùn)用中體現(xiàn)出來。GPS實時監(jiān)控系統(tǒng)通過野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理和分析達(dá)到實時監(jiān)控大壩運(yùn)行狀況和填筑質(zhì)量控制，為我國大壩位移監(jiān)測以及施工質(zhì)量控制又提供了一種有效的方法。

[1] 李珍照.國外大壩監(jiān)測幾項新技術(shù)[J].大壩觀測與土工測試，1997，21(l):16-18.

[2] 李振寧，朱紅.新型大壩安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件[J]. 大壩觀測與土工測試，1999，23(4):37-39.

[3] 張秀芝，劉志清，GPS在水布埡大壩施工質(zhì)量監(jiān)控中的運(yùn)用[J].人民長江，2006，37(7):65-67.

[4] 貢建兵.隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)[J].大壩與安全，1999，23(2):60-65.