水利工程建設質(zhì)量監(jiān)控超寬帶技術(shù)應用
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［摘要］本文闡述了超寬帶技術(shù)在水利工程建設質(zhì)量監(jiān)控中的適應性，以及超寬帶技術(shù)原理和基站建設要求的基礎上，對超寬帶技術(shù)在水利工程建設質(zhì)量監(jiān)控中的應用進行了探討。以某地區(qū)新建小型水庫大壩作為工程實例，對超寬帶基站實時監(jiān)測效果進行分析。以期推動水利工程現(xiàn)代化技術(shù)的應用。
［關(guān)鍵詞］水利工程;質(zhì)量監(jiān)控;超寬帶;技術(shù)應用
水利工程施工是一項瑣碎的工程，其包含繁多的機械設備、物資及施工工種，同時在施工時還容易受到外界環(huán)境影響，對工程施工質(zhì)量帶來巨大的挑戰(zhàn)，所以在水利工程施工時需要嚴格規(guī)范的施工控制，以保證各環(huán)節(jié)安排銜接得當。在施工控制環(huán)節(jié)中質(zhì)量監(jiān)控是其重要的一部分，傳統(tǒng)水利工程作業(yè)時質(zhì)量監(jiān)控多采用相關(guān)技術(shù)監(jiān)測人員人工測量，這種質(zhì)量監(jiān)測方式工作量較大，對技術(shù)人員技術(shù)水平依賴性較強，監(jiān)測選點較隨意，準確度參差不齊，且監(jiān)測有一定滯后性，即使在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)問題，后續(xù)補救措施比較繁瑣，導致施工工期不容易控制，且全線施工質(zhì)量不穩(wěn)定。水利工程質(zhì)量監(jiān)控一直是施工控制的難點，在質(zhì)量監(jiān)控時要綜合考慮多種制約因素，例如施工拌合料、運料、碾壓等各個工序需要協(xié)調(diào)運作、相互配合，以滿足工程施工需要。研究以往水利工程質(zhì)量監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量監(jiān)控中多側(cè)重于運料、拌和等施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，對影響施工質(zhì)量的碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控相對薄弱，有些工程在施工時還是按照傳統(tǒng)施工經(jīng)驗進行碾壓施工控制，在一定程度上給工程施工造成不良影響。在實際碾壓施工中，振動碾的行走速度能夠直接對碾壓效果產(chǎn)生影響，振動碾碾壓施工速度過快，碾壓施工效果較差，碾壓效率也不高，振動碾碾壓施工速度過慢，容易碎碾。所以為了保證碾壓施工質(zhì)量，需要建立碾壓施工實時動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，以保證碾壓車高效穩(wěn)定地進行碾壓施工。超寬帶技術(shù)簡稱UWB，是近幾年施工較廣泛的新型無線通訊技術(shù)，它可以直接調(diào)制沖擊脈沖使產(chǎn)生的信號帶寬具有GHz量級。超寬帶技術(shù)具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)較簡單、定位精確度較高等優(yōu)點。本文對超寬帶技術(shù)應用到水利工程建設質(zhì)量監(jiān)控中效果進行分析探討。
1UWB技術(shù)在水利工程建設質(zhì)量監(jiān)控中的適應性
水利工程建設質(zhì)量監(jiān)控中應用的GPS技術(shù)需要和衛(wèi)星信號聯(lián)系才能夠達到精確定位效果，水利工程施工場地有很多干擾信號，例如電線、高山、樹木等，會導致施工質(zhì)量實時監(jiān)控信號不穩(wěn)定，從而對測量精度產(chǎn)生影響。同時GPS衛(wèi)星定位精確度較低，需要采用一定設備才能提高定位精度。上文提高UWB技術(shù)具有定位精確度較高優(yōu)點，它是采用時間間隔非常短的脈沖(小于1ns)進行通信，數(shù)據(jù)傳輸采用非常小的納秒、微微秒非正弦波窄脈沖進行，可以在較寬的頻譜上傳送功率非常低的信號，信號截獲能力較高。GPS終端通訊、測距模塊的測距是點對點、精度為厘米的，這種測距方法精度高、基本不受環(huán)境影響、抗干擾能力強、系統(tǒng)容量大、發(fā)射功率小，對工程相關(guān)設備要求較低，所以在實際應用中應用面積較廣。
1．1碾壓施工時質(zhì)量監(jiān)控實時性要求
水利工程施工時需要施工質(zhì)量和工期控制之間相互協(xié)調(diào)，以期在規(guī)定工期內(nèi)圓滿完成施工任務。在具體施工時會受到施工當?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境、天氣因素、施工材料裝卸施工等因素影響，所以在具體施工時要綜合各種影響因素，對各種施工因素進行動態(tài)控制。從碾壓施工來說，需要對碾壓施工的碾壓速度、碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、碾壓厚度等進行實時動態(tài)監(jiān)控，以保證碾壓施工的穩(wěn)定性。綜合考慮各種質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)，UWB技術(shù)具有較高的穩(wěn)定性和精確度，能夠滿足碾壓施工時質(zhì)量監(jiān)控實時性要求。
1．2質(zhì)量控制成本要求
水利工程施工各項成本一般較高，在有限經(jīng)費控制下，相應投入質(zhì)量控制資金不會太高。上文提高碾壓施工應是水利工程質(zhì)量控制的重點之一，所以應保證施工質(zhì)量。碾壓施工控制重點是對碾壓設備進行動態(tài)監(jiān)控，獲取碾壓設備的運行軌跡。由于水利工程一般建設在峽谷地區(qū)，這些地區(qū)衛(wèi)星信號較弱，利用GPS定位系統(tǒng)要想實現(xiàn)碾壓施工的實時定位需要借助許多輔助設備(建設信號基站)才能捕獲較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信號，所以實時監(jiān)測成本一般較高。UWB技術(shù)可以直接調(diào)制時間沖擊脈沖，通信方式是數(shù)據(jù)發(fā)射端和接收端進行自組網(wǎng)，基本不受時間、空間、地域限制，還有一個重要優(yōu)點是，此技術(shù)配套設備簡單，運行時不需要借助第三方設備，使用范圍較為廣泛，運行成本較低，適用于水利工程建設質(zhì)量監(jiān)控。
1．3施工數(shù)據(jù)安全性要求
有些水利工程施工數(shù)據(jù)屬于敏感數(shù)據(jù)，不能在網(wǎng)絡上傳輸，所以在具體質(zhì)量監(jiān)控時要對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行加密。從數(shù)據(jù)安全性角度考慮，UWB技術(shù)具有利用自組網(wǎng)通信及超寬帶頻的特性，所以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)本身具有較高的安全性及分辨率，將此技術(shù)應用到水利工程建設質(zhì)量監(jiān)控中能夠保證數(shù)據(jù)的安全性。
2UWB技術(shù)原理和基站建設要求
2．1UWB技術(shù)原理
在三維立體空間中，球形定位需要建立四個以上參照節(jié)點坐標才能完成目標節(jié)點定位，一般情況下只有采用至少四個參照節(jié)點才能準確確定目標節(jié)點唯一坐標，然而在實際應用中，由于施工條件和經(jīng)費限制，常選取3個參考節(jié)點進行目標節(jié)點坐標定位。固定一個已知節(jié)點，計算出其他兩個位置坐標，然后對坐標值正、負進行限定，最后確定目標節(jié)點位置坐標。坐標系的建立常用方式有兩種，分別是中心節(jié)點定位和相對定位。中心節(jié)點定位方法中任意節(jié)點均可作為中心節(jié)點，但是不同中心節(jié)點所依據(jù)參考系不同。相對定位參考節(jié)點之間擁有共同的參考系，可以就一中心節(jié)點形成穩(wěn)定網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，還能根據(jù)統(tǒng)一的協(xié)議機制實現(xiàn)各節(jié)點信息交換。綜上UWB技術(shù)采用相對定位方法進行坐標系的建立。
2．2基站建設要求
根據(jù)上文UWB技術(shù)坐標系分析，為了保證質(zhì)量監(jiān)控精度，基站的建設要符合以下要求:(1)3個基站坐標在條件允許情況下要保證在同一海拔下，使建立的坐標系的固定平面和海平面一致，另外相關(guān)測量儀器精度要高，誤差要控制在厘米級別以內(nèi)。(2)3個基站坐標形成的三角形為銳角三角形，此種建設方法可以提高目標位置計算的精確度。(3)3個基站坐標之間距離要盡量一致，在進行有效數(shù)據(jù)平均值分析時測距軟件要和實際測量結(jié)果相結(jié)合，減小因信號不穩(wěn)定產(chǎn)生的測距軟件誤差。(4)基站在建立時還要根據(jù)基站建立點設置一個外界干擾性較小的基準測量點，定時進行基準測量，然后根據(jù)基準測量結(jié)果對監(jiān)測系統(tǒng)進行校對，保證系統(tǒng)信息監(jiān)測的精確性。(5)增加系統(tǒng)對異常數(shù)據(jù)的剔除功能，減小因異常形成數(shù)據(jù)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中造成的計算誤差，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度。
3工程實例分析
某地區(qū)需要新建一座小型水庫，設計總庫容980萬m3，主壩施工計劃采用膠凝砂礫石壩，壩高61．6m，壩頂長度為354m。膠凝砂礫石壩施工工藝較簡單，施工材料可以就地取材，施工進度較快，是小型水庫施工的常用方式。由于此水壩施工方式較簡單，所以設定工期時間較短，所以施工過程非常緊湊，給高峰期筑壩施工控制帶來很大挑戰(zhàn)。工程相關(guān)技術(shù)人員綜合考慮各種因素后，決定利用UWB技術(shù)對大壩的填筑施工振動碾壓設備進行實時監(jiān)測，以保證大壩鋪筑層碾壓施工質(zhì)量。
3．1超寬帶基站和布網(wǎng)設置
地質(zhì)勘測人員對此大壩施工區(qū)域進行現(xiàn)場查看，確定在施工現(xiàn)場架設4個超寬帶基站，主要由3個固定基站和1個目標基站組成，固定基站是參考節(jié)點，目標基站設置在碾壓機械設備上，碾壓設備實時監(jiān)測信息可以通過任一固定基站傳輸?shù)奖O(jiān)測控制中心。施工現(xiàn)場設置的4個基站均采用Puls410測距及通信模塊，模塊中采用的測距軟件是RangeNetRET，此測距及通信模塊測距精確度較高，測量誤差可控制在2cm之內(nèi)，能夠滿足此工程監(jiān)測需求。基于4個基站設置情況，結(jié)合實際地質(zhì)勘測及基站建設要求，固定基站和目標基站的設置示意圖見圖1，從圖1顯示可以看出，基站建設符合要求，能夠保證大壩填筑施工振動碾壓設備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量及精度。
3．2碾壓機械邏輯關(guān)系及碾壓軌跡分析
大壩在進行施工時，通過在碾壓機械設備上設置的目標基站，對碾壓機械設備運行情況進行實時監(jiān)控，監(jiān)控設置為每隔200ms傳輸一次位置計算數(shù)據(jù)，從而可以確定鋪料厚度變化，在監(jiān)控處理器上可以精確顯示實時碾壓施工狀態(tài)，包括碾壓車輛行走軌跡、碾壓次數(shù)、碾壓速度等數(shù)據(jù)，一旦碾壓施工有異常情況，可以及時糾正，保證高效的碾壓質(zhì)量。碾壓邏輯關(guān)系分析圖見圖2。
3．3碾壓狀態(tài)動態(tài)識別
對振動碾壓設備進行實時監(jiān)測，是為了保證大壩鋪筑層碾壓施工質(zhì)量。按照水壩施工要求，對碾壓機械設備的碾壓速度、碾壓次數(shù)等行駛軌跡、工作狀況都有嚴格要求。碾壓機械設備在不同工作狀態(tài)下產(chǎn)生的振動頻率有很大區(qū)別，設計在碾壓機械設備上安裝監(jiān)測基站進行記錄碾壓機械設備的工作運行情況。結(jié)合具體施工特點，碾壓設備在進行靜碾狀態(tài)下和動碾狀態(tài)下行駛速度分別為1．1m/s、0．28～0．42m/s，通過超寬帶基站監(jiān)測的碾壓機械設備運行情況確定其不同施工狀態(tài)下的振動波形，見圖3。
3．4質(zhì)量監(jiān)控效果分析
此小型水庫大壩鋪筑層碾壓施工采用建立的4個超寬帶基站對碾壓機械設備進行實時監(jiān)控，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)可以確定此工程采用超寬帶技術(shù)有以下優(yōu)點:1)能夠?qū)嵤┍O(jiān)測大壩鋪筑層碾壓施工情況，一旦施工過程出現(xiàn)異常，能夠及時報警，相應施工人員能迅速采取措施，保證碾壓施工質(zhì)量，提高施工效率。2)采用超寬帶技術(shù)監(jiān)控具有實時性，能夠直接反映鋪料厚度施工變化，能夠根據(jù)施工進度合理控制工期。3)采用超寬帶技術(shù)能夠提高施工管理效率，保證施工人員施工質(zhì)量。
4結(jié)語
綜上所述，水利工程建設是我國建設規(guī)劃的重點工程之一，信息化監(jiān)測系統(tǒng)是水利工程施工未來發(fā)展的必然趨勢，本文對超寬帶技術(shù)進行探討，并以某地區(qū)新建小型水庫大壩作為工程實例，對超寬帶基站實時監(jiān)測效果進行分析，結(jié)果表明運用此技術(shù)能明顯提高施工效率，保證碾壓施工質(zhì)量，提高管理效率，在推動水利工程現(xiàn)代化技術(shù)的應用方面有積極意義。
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作者：王菲菲 單位：甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司