苏洼龙水电站沥青混凝土心墙堆石坝精益化管理系统与应用

罗 宗 伟， 唐 茂 刚， 唐 明 武， 陈 达， 崔 博， 任 炳 昱

(1. 华电金沙江上游水电开发有限公司苏洼龙分公司，四川 成都 610041；2. 天津大学，天津 南开 300072)

0 引 言

目前，水利水电工程施工实时控制技术取得了快速发展，钟登华提出了适用于工程环境的数字大坝网络与实时控制集成技术[1]，为水电工程施工数字化信息管理提供了技术路线，该技术成果研发并应用在糯扎渡水电站[2]、梨园水电站[3]、长河坝水电站[4]、溧阳抽水蓄能电站[5]、丰满水电站[6]等众多大型工程中，取得了施工管理与控制的成功，并且随着智能技术、3S技术(地理信息系统GIS、全球卫星导航系统GNSS和遥感RS技术)海量数据库管理技术等的发展，数字大坝不断朝着智慧大坝演化，实现智能化大坝建设与运行管理。阿尔塔什水利枢纽的智能化监控促进了施工精细化管理；黄登大坝在全面数字化管理系统开发等方面进行了深入研究，解决了一系列关键技术问题，取得了优质的建设成果；大古水电站基于BIM、大数据、物联网和云计算等前沿技术，提出了“1+1+N”的大型水电站工程数字化建设管理模式，简化了大古水电站建设期的工程数据管理难度，解决了传统管理模式下的“数据孤岛”问题，实现了工程建设的精细化管理。当前智能大坝技术已经在众多水电工程中应用。然而当前针对沥青混凝土心墙坝建设过程全方位智能管控研究，特别是针对沥青混凝土施工质量管控的研究还较少。

苏洼龙水电站总装机容量1 200 MW，为一等大(1)型工程。作为大型水利水电工程，苏洼龙水电站沥青混凝土心墙堆石坝地处高海拔地区，建设规模大，施工条件复杂，涉及影响因素众多。如何实现沥青混凝土心墙坝建设过程中远程、移动、高效、及时、便捷的工程管理与控制，是事关工程建设能否按期、安全、高质量完成的关键性技术问题。本研究以沥青混凝土心墙坝施工过程全方位受控为目标，进行了精益化管理体系研究，为确保工程建设质量与运行安全提供了重要保障。

1 沥青混凝土心墙堆石坝精益化管理体系

苏洼龙沥青混凝土心墙堆石坝精益化管理是以高精度卫星定位技术、传感器技术、射频识别技术、北斗定位与短报文技术、无线通讯技术等为基础，并基于人工智能技术、BIM技术、GIS技术等，通过苏洼龙沥青混凝土心墙堆石坝建设过程进行智能监控与精益化管理，为提升苏洼龙沥青混凝土心墙堆石坝建设管理水平提供重要支撑。

1.1 精益化施工管理的实现方法

苏洼龙施工精益化管理系统基于数据中心平台，通过对关键施工工序如装卸料、运输、填筑碾压及沥青混凝土摊铺的施工信息的采集、传输、存储，为施工精益化管理系统提供信息支持，利用图形可视化技术、网络技术等，指导施工现场。

1.1.1 数据源层

通过各种传感器和设备采集的实时数据，以及各监控系统采集应用的基础数据和分析数据以及三维可视化模型数据构成了数据源层，各类施工信息构成了数据中心平台建设的核心业务对象。

1.1.2 数据中心层

针对苏洼龙施工质量与进度管理实际，按照不同系统模块来划分数据内容主要有：

(1)车辆跟踪管理系统；

(2)坝料运输及使用跟踪系统；

(3)大坝填筑碾压质量实时监控系统；

(4)沥青混凝土温控管理系统。

1.1.3 数据管理层

构建数据管理平台是为了能够统一集中应用和管理数据，也是数据中心管理平台建设的重点。数据管理层包含系统日志管理、数据接口管理、安全管理、用户权限管理、模型数据管理、元数据库管理系统。

1.1.4 前端应用层

基于数据应用与分析的需要，开发了相关业务系统，系统应用以数据中心提供的各种数据信息为支撑，并支持跨平台多终端信息集成，满足工程管理人员随时随地进行信息查询与可视化分析的需要。

1.2 精益化管理系统功能

1.2.1 大坝填筑碾压质量实时监控与分析系统

(1)实时动态监测碾压机械运行轨迹，自动监测记录碾压机械在坝面上的碾压遍数、行驶速度及振动状态，并在坝面施工数字地图上可视化显示；

(2)动态监测大坝各区各层填筑料的压实厚度；

(3)当填筑过程中的铺层厚度超过规定、或有漏碾、超速、激振力不达标时，能够自动醒目地提示施工管理人员和质量监理人员。

1.2.2 沥青混凝土温控管理系统

(1)摊铺温控系统实时采集沥青混凝土入模温度、心墙老面加热状态、温度报警信息等；

(2)仓面施工小气候监测系统实时采集大坝施工现场小范围内的温度、湿度、风速信息；

(3)根据实时沥青混凝土温度和环境数据，当填筑过程出现温度不达标的情况时，能够自动醒目地提示施工管理人员和质量监理人员，以便及时指示返工或调整。

1.2.3 土石方调配及车辆跟踪管理信息系统

(1)基于苏洼龙水电站大坝施工过程料场开采、上坝运输及坝面碾压等实时监控信息，及时汇总统计现场实际的运输、堆存、填筑情况，动态更新土石方调配规划模型，定期进行土石方动态平衡和调配仿真计算；

(2)通过仿真计算成果，将设计单位提供的土石方调配方案、模型仿真计算方案与实际施工过程的土石方调配成果进行对比分析和方案论证，实现土石方动态平衡规划与优化；

(3)堆石料运输及使用跟踪系统实时跟踪运输车辆的空满载状态、速度、调配路径、装卸料信息等，以及超速、卸料错误、偏离轨道等实时报警信息；

(4)实时监控土石方运输车辆的加水状态以及水未加满的报警信息。

1.2.4 数字化综合信息管理平台

(1)将大坝施工建设过程中各类施工质量信息、进度信息进行动态采集与数字化处理，构建苏洼龙水电站大坝综合数字化信息平台和三维虚拟模型，将空间信息以三维形式直观表现出来；

(2)实现各类工程信息的集成化、可视化管理，包括施工场景、施工总布置、枢纽布置三维可视化展示，施工仿真进度与进度可视化查询与展示，土石方调配信息、坝料运输信息、沥青混凝土温控信息以及坝面填筑施工质量信息的集成分析、交互式查询、关键指标评价等功能；

(3)在各环节实时监控过程中建立各环节分级预警模型和机制，并结合工程实际提出相应的处理措施及建议，供工程管理者进行决策。按照大坝施工质量和进度信息实现动态更新与维护，为工程整个生命周期的工程决策与管理、安全鉴定和大坝运行期安全评价等提供全方位的信息支撑与分析。

2 沥青混凝土心墙堆石坝精益化管理系统应用

精益化施工管理系统整合了碾压监控系统、温控系统、坝料运输与车辆跟踪管理系统以及数字化综合信息管理平台等各个模块，将大坝施工建设过程中各类施工质量信息、进度信息进行动态采集与数字化处理，实现了各类工程信息的集成化、可视化管理，在实时监控过程中建立各环节预警模型和机制，供工程管理者进行决策。

2.1 精益化施工管理质量控制应用

2.1.1 各仓面碾压质量控制

自2018年1月1日至2021年5月18日，大坝填筑碾压质量实时监控与分析系统共监控大坝施工仓面1 560个，各分区仓面碾压遍数达标率统计详见图1，深色区域表示各仓面碾压遍数达标率平均值，浅色区域表示各仓面碾压遍数达标率最大值。从碾压成果分析，仓面整体碾压遍数达到控制标准，全程监控各仓碾压质量总体处于受控状态。

图1 各区仓面碾压遍数达标率统计

通过填筑碾压质量图形报告，管理人员可方便直观把握仓面整体碾压质量。

精益化管理系统对大坝主体填筑进行了全过程监控。堆石区和粗过渡料区有效监控仓面达到95%以上，心墙区和细过渡料区有效监控仓面达到90%以上，满足碾压遍数面积比率均符合设计要求，各仓面碾压遍数达标率达到控制标准(90%)，针对过程中系统反馈的漏碾情况，现场监控人员能够及时指导碾压机驾驶员进行补碾，保证碾压遍数达标率符合控制标准，保证了大坝填筑碾压施工质量。

2.1.2 沥青混凝土摊铺温控

自沥青混凝土心墙施工填筑至2021年5月8日，沥青混凝土摊铺温控系统共监控314仓心墙施工仓面，沥青混凝土入模心墙温控达标率统计见图2。从温控成果分析，心墙仓面整体温控达到控制标准，各仓温控处于受控状态。

图2 沥青混凝土入模心墙温控达标率统计

在沥青混凝土温控管理系统的研究框架下，仓面施工小气候自动监测系统采用部署在施工现场相对固定位置的可移动式小型气象站，进行施工环境在线监测。小气候测量参数包括温度、湿度、风向、风速参数，通过自主通讯网络将实时采集现场小气候数据存入数据库，并在综合管理平台进行展示服务。

自沥青混凝土心墙开始施工至2021年5月8日运行期间，仓面施工小气候自动监测系统对心墙摊铺进行了全过程的温度监控，共监控心墙施工仓面320仓。针对施工过程中系统反馈的温度不达标情况，监控人员能够及时指导现场进行沥青混凝土加热，保证了心墙摊铺质量。

2.1.3 坝料运输与车辆跟踪管理

坝料运输管理系统实现了对车辆报警信息、车辆调度指令信息、运输量的交互式查询、统计分析与评价，并根据运输量对实际加水量进行控制，将监控数据传输到数据库统计分析。

车辆跟踪管理系统能够对所在车队的任一运输车辆的编码信息、空满载状态信息、运输轨迹信息、装卸料信息进行实时全过程监控，如果发生意外情况，总控中心会及时报警并记录，提醒现场监控人员对不当运输行为及时纠正；自动加水系统根据该车运输量进行定量加水，加水量不足会报警提示，实现按车按量精细监控。

2.2 精益化施工管理进度控制应用

2.2.1 可视化仿真技术应用

施工总布置数字化信息系统采用可视化仿真技术，构建苏洼龙水电站枢纽三维交互场景，实现场景漫游，为观察大坝细部设计和枢纽布置提供逼真的交互式平台。

2.2.2 智能管控系统实时分析

施工进度智能管控系统建立了大坝施工过程可视化仿真模型，能够对大坝施工任意时刻形象进度、施工强度等进行智能管控系统实时分析(图3)。大坝主体施工填筑运行期间，施工进度智能管控系统对大坝各分区进行了施工进度监控，实际施工进度与计划进度一致性较高，保证施工填筑进度。

(a)选定月份分区填筑高程与方量对比图

2.2.3 土石方动态调配

土石方调配数字化信息系统基于土石方调配模型进行方案仿真计算，基于实时监控信息定期更新土石方多源多料调配优化模型，仿真计算每一阶段的土石方调配成果，列出成果表和绘制成果图，对设计方案进行合理性和可实施性论证，实现土石方动态平衡规划与优化。

基于动态更新土石方调配规划模型，数字化综合信息管理平台实时统计现场实际的运输、堆存、填筑情况，定期(每月)进行一次土石方动态平衡和调配仿真计算，实现施工过程中的土石方动态调配。

2.2.4 砂石成品料运输管理系统

砂石成品料运输管理系统在砂石成品料仓的磅秤处设置车辆识别装置，完成数据同步接口开发，对每车的运输量进行统计，汇总出大坝填筑期内各家施工单位不同砂石料的生产量与消耗量，并定期(每月)汇总成果。

3 结 语

(1)精益化施工管理系统在质量控制层面对坝面填筑质量、沥青混凝土温度控制和土石料及砂石成品料运输进行全过程的实时监控，减少了施工质量监控中的人为因素，提高了施工过程的质量监控水平和效率，实现建设各方对工程建设质量的深度参与和精细化管理。

(2)精益化施工管理系统在进度控制层面，采用土石方动态调配仿真计算、统计坝料运输量以及进度智能管控，定期更新调整施工进度计划，实现了土石方动态平衡规划与优化，对苏洼龙水电站工程进行高效、及时、便捷的精益化管理与控制。

(3)通过精益化施工管理系统的自动化监控，实现了苏洼龙大坝工程建设的创新化管理，为打造优质精品工程提供强有力的技术保障。应用结果表明，苏洼龙大坝施工质量始终处于受控状态。