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第３７卷第７期 ２００ ６年７月 人 民 长 江 Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ， ２００６ 文章编号：１（３０１—４１７９（２００６｝０７—００６５—０３ ＧＰＳ在水布垭大坝施工质量监控中的运用 张秀芝 刘志清２ （１．三峡大学电气信息学院，湖北宜昌４４３００２； ２．湖北清江水利水电开发有限责任公司，湖北宜昌４４３（Ｉ）２） 摘要：我国传统水电施工受现场人为因素影响较大，现场管理者有明确分工，质量管理环节多，但监控手段不 多、效率不高。水布垭大坝施工建立ＧＰＳ远程监控，能够直观监视各碾压施工区施工机具、施工人员工作状态 及各碾压参数变化，掌握并精确测定、统计、记录各碾压参数值随时变化情况，及时报告管理控制中心，进行质 量控制与施工调度，可以为管理者提供准确、高效的决策行动平台。 关键词：ＧＰＳ；碾压混凝土；质量控制；应用研究；水布垭大坝 文献标识码：Ａ 中图分类号：ＴＶ５４４ ．９２１ 水布垭水利枢纽工程是清江梯级水电开发的龙头工程，其 混凝土面板堆石坝坝轴线长５８４ｍ，最大坝高２３３ｍ，为目前世界 第１高面板堆石坝。工程采取分层碾压施工工艺，月浇筑强度 填筑区：Ｉ Ａ（粘土铺盖层）、Ｉ Ｂ（盖重区）、Ｕ Ａ（垫层区）、ⅢＡ （过渡区）、ⅢＢ（主堆石区）、ⅢＣ（次堆石区）和ⅢＤ（下游堆石 区），大坝总填筑方量１ ６６６万 ，大坝典型剖面图见图１。． ６０余万 ，具有施工作业面大、历时长、工序交接速度快等特 点。建设单位从提高碾压施工质量控制效率入手，引入了以武 汉大学为主，湖北清江水布垭工程建设公司等单位协作开发的 大坝ＧＰＳ实时高精度碾压施工质量监控系统，对大坝填筑施工 现场动态作业区碾压的铺层厚度变化、振动碾行驶轨迹、行走速 度、碾压遍数进行实时监测和控制，提供大坝铺筑层表面的实时 三维空间动态变化信息，为质量管理者提供准确的判别依据，从 而达到工程质量控制的基本目标。 图１大坝典型剖面 １ ＧＰｓ系统监控的必要性 １．１施工质量监控的可靠性要求 传统大体积堆石坝施工在质量监控上，多采取仓面人工巡 根据长江水利委员会长江科学院提供的《水布垭面板堆石 坝科学试验研究报告》及前期施工试验报告，大坝填料的压缩变 形特性与堆石料的级配、起始密度、含水量及各碾压参数密切相 关。在填料质量合格的条件下，当上坝料、振动碾、加水量一定 时，大坝碾压施工压实度与振时存在一定敏感关联度，大坝填料 碾压干密度值初始随振时延长成正比关系，当干密度达到一临 界值后，会随振时的增长而趋于缓慢增加（见表１）。从实际碾 压工艺质量控制角度考虑，对碾压作业区铺层厚度、碾压厚度、 振动碾行走轨迹、速度、碾压遍数等质量参数变化情况必需进行 检与辅助试验检测相结合的监控手段。由于监控工作点多、面 广、量大，且受到现场管理人员素质、数量及责任心等多方面影 响，在监控振动碾运行轨迹、行走速度、碾压遍数、铺筑厚度等要 素方面，其监控密度通常较低，导致高坝大体积堆石体填筑施工 过程监控常常存在一定的盲区，从施工质量监控可靠性角度考 虑亟待解决这一问题。 实时监控，才能及时判别碾压质量，为管理者提供质量管理与决 策依据，从实际情况看，只有ＧＰＳ定位技术能够满足这一要求。 １．２大坝施工质量监控的效率要求 水布垭大坝坝高２３３ ｍ，为目前世界第一高面板堆石坝，严 格控制大坝各碾压区填筑料的压实干密度，是控制大坝坝体变 ２ ＧＰＳ监控系统主要结构组成及功能 ２．１ ＧＰＳ监控系统主要结构组成 ＧＰｓ（Ｇｌｏｂｅ Ｐｏｓｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）系统通常由空间导航星座、地 面控制站、ＧＰＳ用户定位设备和地面通信网等部分组成，ＧＰＳ的 用户设备简称ＧＰＳ接收机，由天线、接收机、信号处理器和显示 器组成。水布垭大坝ＧＰＳ监控系统由监控中心、网络中继站、现 场分控站、ＧＰＳ基准站和移动远端（或ＧＰＳ流动站，包括施工振 形的关键。水布垭大坝施工建立ＧＰＳ远程监控，能够直观监视 各碾压施工区施工变化情况，及时报告管理控制中心，进行质量 控制与施工调度，可以为管理者提供准确、高效的决策行动平 台。 １．３大坝施工碾压参数监控的实时性要求 水布垭面板堆石坝坝体设计按填料结构主要分为以下７个 收稿日期：２０（１６—０３一ｏ５ 作者简介：张秀芝。女，三峡大学电气信息学院，高级工程师。 维普资讯 http://www.cqvip.com
人 民 长 江 ２００６生 动碾和工程监理车）等部分组成。 表１大坝碾压施工干密度与振时敏感度分析（级配模拟法）％ 监控系统硬件网络结构基本组成详见图２。系统采用标称 精度为±１ ｃｍ＋１×１０ Ｄ级定位精度实时差分配置方案，购置 了全球品牌Ｔｒｉｍｂｌｅ ４７０ｏ ＧＰＳ接收机，采用载波相位实时差分定 位技术（即ＲＴＫ），ＧＰＳ监控系统完全实现了野外数据采集、数据 传输、数据记录、数据解码、基线解算、ＧＰＳ平差、数据入库、成果 报表、模拟信号与图象转换、图表自动绘制，极大地提高了自动 化程度，降低了对操作人员的要求。 Ｌｌ＿一壬堡些矍！．． 图２ ＧＰＳ监控系统硬件网络结构组成 ２．２ ＧＰＳ监控系统主要功能 ２．２．１监控中心 监控中心配置有无线通讯与网络、计算机等主要设备，系统 监控软件能够结合施工需要，实时显示大坝工程各施工仓面振 动碾（以及工程监理车）的精确运行位置和状态信息，远程监视 填筑工程碾压施工质量情况，并为管理决策提供技术依据。系 统的数据处理、分析、储存等工作均在监控中心实现，其主要功 能如下： （１）自动发播基准站差分数据，接收各移动远端流动站返 回的位置数据； （２）实时显示各碾压机械的运行轨迹和速度； （３）各碾压机械运行过速监视（自动用颜色报警）； （４）自动（用颜色分辨）计算碾压遍数； （５）自动数据入库管理与调用； （６）数据保护； （７）各碾压机械的系统机箱工作状态监视。 ２．２．２ ＧＰＳ基准站 ＧＰＳ基准站采用差分ＧＰＳ技术而设置。通过数据链，将基 准站的ＧＰＳ观测数据和已知位置信息实时发送给ＧＰＳ流动站， 与流动站的ＧＰＳ观测数据一起进行载波相位差分数据处理，从 而计算出流动站的空间位置信息，以提高定位精度。为了方便 ＧＰＳ基准站的供电、管理和维护，同时考虑到监控中心所在地 （业主基地）距离工作区较近，本系统将ＧＰＳ基准站建在监控中 心，基准站结构图见图３。 一 图３基准站结构 ２．２．３ ＣＰＳ流动站 ＧＰＳ流动站作为移动监测点，进行ＧＰＳ移动观测。其观测 项目主要包括：振动碾的运行轨迹、运行速度和碾压遍数，并将 有效的观测结果连续、实时地反馈到监控中心。同时，在碾压机 械驾驶室内的机箱中，工控机也用图示方式实时反映了本碾压 机械的运行工作状态。碾压机械的操作人员可通过触摸显示屏 察看自己的工作是否满足质量要求，流动站结构图见图４。其 主要功能如下： （１）自动接收差分数据，发送本流动站位置数据； （２）实时（时延不大于３０ ｍｓ）显示监控车的运行轨迹和位 置； （３）人工控制，自动记录测定高程； （４）实时（时延不大于３０ ｈｉｓ）显示碾压机械的运行轨迹和 速度； （５）碾压机械运行过速监控（自动用颜色报警）； （６）计算碾压遍数（用颜色分辨）； （７）碾压机械的系统机箱工作状态监视。 图４流动站结构 ２．２．４现场分控站 现场分控站主要由数据通讯设施、计算机、打印机和ＵＰＳ等 设备所组成，便于监理人员在施工现场及时掌握振动碾的工作 状况和碾压施工质量，一旦出现质量偏差，可以在现场及时进行 纠偏工作。主要任务是接收来自中心控制室的监控信息，其主 要功能如下： （１）实时（时延小于０．５ ｓ）显示各碾压机械的运行轨迹和速 度； （２）各碾压机械运行过速监视（自动用颜色报警）； （３）自动（用颜色分辨）指定仓面的碾压遍数计算； （４）碾压机械的平均速度统计； （５）指定仓面的碾压监控成果输出； （６）各碾压机械的系统机箱工作状态监视。 ３ ＧＰｓ目标监控的主要内容及精度 ３．１ ＧＰＳ目标控制区间监控的主要内容 （１）振动碾运行轨迹、行走速度、碾压遍数； （２）铺筑厚度、碾压层厚及坝体三维坐标动态变化情况； （３）辅助压实率控制验算； （４）在以上内容统计分析的基础上模拟三维图象及统计图 象显示。 ３．２ ＧＰＳ目标监控精度 （１）ＧＰＳ目标监控将碾压仓面的摊铺前、摊铺后和碾压后３ 维普资讯 http://www.cqvip.com
第７期 张秀芝等：ＧＰＳ在水布垭大坝施工质量监控中的运用 ６７ 次高程数据的采集方法以及高程拟合模型作适当考虑。①与 三等几何水准测量的高程成果进行检测对比，移动远端监控系 统的实时测高精度可以达到－ｔ－３．Ｏ ｃｍ；②如果采取定点观测的 初始铺料厚度一般为碾压厚度的１１０％，相对４ｏ、８０ ｃｍ每层碾 压厚度，其铺料厚度为４４、８８ ｃｍ，这一精度对铺料分层平整度控 制仍显不够，只有当ＧＰＳ进行定点连续观测，精度达到±１ ｃｍ 时，才可以弥补这一不足。 （３）ＧＰＳ系统虽可测定铺料碾压前后厚度基本变化，但精 方法，每秒１次，连续观测６０次取平均，其测高精度统计值优于 ±１ ｃｍ；③对于移动远端监控系统的测高数据，采用网格法进 行拟合，其高程精度优于±１．４ ｃｍ。 采用ＧＰＳ ＲＴＫ技术进行定点观测，连续观测１ ｍｉｎ的三维 度并不足以直观反映最重要参数值一堆石体压实率，ＧＰＳ采样 解算高程数值与堆石体压实度值之间尚不能建立高精度的快速 推定关系曲线。目前，实际测定压实率还必须采取现场试验方 法（附加质量法、稳态面波法、坑挖灌沙法、灌水法等）确定，因而 ＧＰＳ系统本身只作为监控压实率的辅助手段。 定位精度均小于１ ｃｍ，可以实现ｎｌｌｎ级的测高质量控制需要。 （２）系统精度满足如下要求：①ＷＧＳ一８４位置（ＸＹＺ或 ＢＬＨ）精度：２～５ ｃｍ；②平面坐标（ 、Ｙ）精度：１～３ ｃｍ；③高程（ ｈ）精度：３～５ ｃｍ；④１ ｍｉｎ定点采样，测定高程（ｈ）精度：０．５～ １ ｃｍ；⑤计算摊铺层厚度的误差小于规定摊铺厚度的１０％；⑥ 压实率计算偏差小于１０％。 ４监控系统运行可靠性及目标监控效果分析 ４．１ ＧＰＳ监控系统运行可靠性 （１）系统采集的ＧＰＳ原始数据来自现场振动碾上的绑定 ＧＰＳ观测项目（运行轨迹、行走速度、碾压遍数）以及监理房内的 ＧＰＳ流动站观测项目（摊铺层碾压前后的厚度的变化），原始数 据采集直接、完善、准确，避免了人为数据填报传送过程的外界 影响；最新设计、加工制作的移动远端监控系统机箱抗干扰性 强，具有防振、散热、重量轻、体积小、坚固、操作简便、保管方便 等主要特点，较好地解决了碾压施工工作环境恶劣和电源保障 等具体实际问题，使得移动远端监控系统在应用中故障率低，操 作简便，性能稳定。 （２）系统选用无线扩频通讯技术，射频速率高（同时使用１０ 个移动远端，经测试不低于１００ Ｋｂｐｓ），系统支持点对点、点对多 点以及网络中继的应用，传输网络结构可靠，传输误码率低。 （３）由于现场监理房随着施工进度要不定期的移动位置， 现场分控站选用了方便安装的无线通讯天线和电缆线，并对天 线附加了增益放大器，考虑到施工现场电压的不稳定性，对分控 站所有设备采用了稳压电源ＵＰＳ。 （４）监控中心系统自从２００２年１１月下旬结合“长淌河存料 场”碾压试验开展工作以来，无线网络与通讯软件稳定，总控软 件趋于稳定，ＧＰＳ监控系统投入运行３ ａ多来，从未出现过任何 安全事故。 ４．２ ＧＰＳ监控系统目标监控效果分析 判别ＧＰＳ监控系统对施工质量监控效果，既要看其对堆石 坝填筑施工作业质量目标的监控精度、采样密度能否满足要求， 同时要看其监控实时性。 （１）实际堆石坝施工质量控制过程中碾压机械特性、行车 速率、铺料方式通常会保持相对固定，控制上坝填料主要在于坝 料开采和装运各环节。工艺控制中，对铺料厚度、碾压遍数和加 水量的控制是控制填筑作业质量的关键，ＧＰＳ监控系统通过每 间隔１ ｓ提供一次位置解算结果，可以有效监控铺料厚度变化， 各碾压机械的监控系统显示屏上可以反映出自己的碾压状况 （运行轨迹、行走速度、碾压遍数），而且在监控中心和现场分控 站，也可以对各移动远端监控系统的碾压状况进行实时监视。 （２）由于ＧＰＳ系统本身定位的高程精度要低于平面精度， 在监控铺料碾压前后厚度变化情况时，ＧＰＳ监控系统基准站相 距大坝各层实地检测点在３ ｋｍ范围内，ＧＰＳ移动远端测设高程 精度中误差为±３ ｃｍ，考虑压实前后的铺层厚度变化，目前实际 （４）ＧＰＳ系统监控具有的实时性，能够实时反映铺料厚度 基本变化情况，监控者与管理者可为同一人，由于常规压实度检 测试验费时，需人工现场操作，且管理者与检测者通常非同一 人，多了环节，具有一定工作量，在高强度的大体积填筑施工中， 作为辅助监控手段，显得效率更为突出。 （５）ＧＰＳ监控系统很重要的一点在于：移动远端监控系统 设备与振动碾绑定，还能够准确直观反映振动碾行走轨迹、速 度、碾压遍数，并对异常情况采取报警措施，对于规范现场施工 作业，强化振动碾驾驶员及相关施工人员质量责任意识，具有重 要的作用。特别是在大仓面填筑施工作业监控中，振动碾行走 轨迹、行走速度、碾压遍数（实际取８遍）这３个重要碾压参数的 监控密度可达到１００％，一定程度上消除了质量控制的盲区。 （６）ＧＰＳ监控系统借助现代计算机人一机可视化界面技 术，从施工质量管理角度，扩大了管理者的视角，建立了质量控 制与施工调度间相关联的运行平台，能够更加直观掌控大体积 堆石体填筑整体施工质量状况，全面提高了质量管理效率。 ５ ＧＰＳ监控系统应用时需要注意的有关问题 实时ＧＰＳ监控系统虽以其精度高（ＲＴＫ测量精度可达１ ｃｍ ＋１×１０ Ｄ）、速度快、全天候正逐步应用于大面积填筑体施工 期监控，具有操作简便，功能强大、功耗低、重量轻，非常适合野 外作业等优点，但也存在应注意的问题： （１）系统应用的工作环境仍较恶劣，必须加强维护与管理； （２）鉴于施工期间人员流动性一般较大，增大了新接触和 操作本系统的有关人员岗前培训工作量； （３）ＧＰＳ监控系统注重对大坝填筑施工表面外观尺寸监 控，静态控制水平要高于动态，特别是高程、平面尺寸的细微连 续变化，动态采样精度及处理水平仍需提高，实际施工摊铺状 况、超径石情况、压实效果检测等，仍须现场依靠人工跟踪检查； （４）对于内在质量如上坝料质量、加水量、振动碾的激振力 变化、现场层厚变化及各填料区分界标识等，也需通过现场人工 控制来完成； （５）大体积填筑体施工质量控制不能单纯依靠ＧＰＳ监控系 统，还必须辅助仓面人工检测、巡视检查等手段。目前的ＧＰＳ监 控系统只是一种检查、监控手段，属于事中控制，要做到真正意 义上的质量预控，大坝填筑施工的整体自动化、智能化水平及 ＧＰＳ系统精度仍有待提高。 参考文献： ［１］刘经南，姚宜斌．中国现今垂直形变特征的初步探讨．大地测 量与地球动力学，２００２，（８）． ［２］ 王守彬，王新洲．ＧＰＳ—Ｐｎ＜与数字测深集成技术在水下地形测量 中的应用．测绘信息与工程，２００４，（６）． ［３］刘经南，陈俊勇，张燕平等．广域ＧＰＳ差分原理和方法．北京：测绘 出版社．１９９９． （编辑：赵凤超）
