中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司 湖北宜昌 443002
摘要：依托乌东德水电站大坝混凝土施工，利用电动振捣车代替液压振捣车，并加装多传感器和相应的PLC软硬件，利用GPS系统和数据分析及警示系统等实时监测振捣车的工作状态，监控不同位置振捣棒的插入深度、振捣时间，避免过振、欠振和漏振，保证振捣质量。
关键词：大坝混凝土；电动振捣；智能振捣；乌东德水电站
1.概述
乌东德大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高270m，坝体混凝土方量约269万m3。大坝最大单仓仓面面积约1200m2，混凝土浇筑方量约5400m3，最大月浇筑强度达10万m3/月。大坝混凝土浇筑仓位面积大、浇筑强度及质量要求高，增加了振捣机振捣时间和范围的控制难度，大坝混凝土浇筑过程中常见的欠振、过振和漏振等影响大坝质量的问题显得尤为突出。
2.技术创新点
（1）用电能振捣代替液压振捣，提高激振力和工作效率，节能降耗。
（2）振捣车引入高精度GPS系统，实现浇筑振捣过程全程监控。
（3）振捣车加装传感器和相应的PLC软硬件等，实时监控振捣车的工作状态。
3.主要施工技术
3.1电动振捣代替液压振捣
传统的振捣设备分为小型振捣棒和液压振捣车，一般采用液压振捣技术。小型振捣棒工作效率低（仅有6 m3/h）、激振力小（约7000N），只适用于边角部位人工振捣。液压振捣机是依靠挖掘机的液压部分来驱动振捣器的，其动力部分和挖掘机的动力部分（包括其行走部分、回转部分和动臂部分）属于一个动力源，即一个液压系统。任何一个部位出现了故障都会导致平仓振捣机无法正常工作。
电动振捣机是依靠外接的三相电源做振捣动力源，与挖掘机的液压部分（包括其行走部分、回转部分和动臂部分）分开，整机包含两个控制系统：电动振捣系统和液压驱动系统。液压部分的故障不影响振捣部分的正常工作。工作时，不需要加大油门来控制振捣器的转速和激振力。其所有的操作指令由一个工业计算机来控制完成，操作更方便。如果不用振捣设备，只需换上挖斗便可进行挖掘操作，属于低成本、高效率、混凝土振捣密实性好、更换方便的两用型设备。
因此，本项目使用电动振捣车，采用电能起振，来实现混凝土的振捣密实施工。振捣头由八支振动器组成，工作效率达到108 m3/h，每支振动器的激振力达到18000N，大大提高振捣效率。同时，将振捣车的行走动力部分和振捣部分分开。振捣器工作时，不需要使用燃油，利于节能降耗。采用电能振捣，可以解决液压振捣常见的漏油问题，提高浇筑质量。同时各振动器独立工作，大大降低了故障率，提高了生产效率。
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3.2高精度GPS系统
在振捣机上安装高精度GPS系统和摄像头，动态显示振捣机在仓面上的作业位置与轨迹，实现对各仓面混凝土振捣施工范围的可视化监控，确保施工面的完整性；并为振捣质量监控与评价提供准确的施工仓面位置信息。为提高振捣机GPS定位精度，采用差分GPS算法。振捣机定位界面以大坝施工区域规划图为背景，振捣机位置（如经度、纬度、高度）、振捣机状态、系统参数（如日期、时间、操作员工号）和施工参数（如振捣时间）在界面中动态显示，实时更新。
3.3振捣质量监控技术
3.3.1监控硬件系统
振捣车通过加装多传感器和相应的PLC软硬件等，对振捣车的工作状态的进行实时监测，监控不同位置振捣棒的插入深度、振捣时间，做到避免欠振和漏振，保证振捣质量。
在电动振捣车上加装的监控硬件主要由PLC、触摸屏、操作面板、手柄按钮、摄像头、声光报警器、车载视频及GPS一体机等组成。PLC作为控制装置，采集振捣棒插入深度传感器和振捣时长等信号，接收操作（触摸屏软按钮、操作面板硬按钮、手柄硬按钮等）信号，实现振捣深度、时长等控制。PLC控制系统主要包括PLC单元、数据采集单元、控制与执行单元和人机界面单元。其中PLC单元用于完成对信号的采集，并对所获得的信号进行算术运算和逻辑分析处理，为系统的控制与执行单元提供信号。数据及信号采集单元通过振捣棒深度传感器等进行信号和数据采集，矢量信号直接送入PLC的矢量输入接口。控制与执行单元是系统的输出，包括对振捣棒马达启停的控制等。
3.3.2监控软件
系统软件主要包括“设备端监控软件”、“接口软件”和“远程端监控软件”三部分。其中，“设备端监控软件”分为“PLC控制软件”和“触摸屏软件”；“接口软件”包括“通讯协议”（Modbus OPC、GPS-OPC）和“web应用接口”；“远程端监控软件”则分为“数据库管理软件”、和“施工质量分析软件”和“IE浏览器”等。
应用接口采用软构件方式，为混凝土施工质量远程监控提供所需服务。基于软构件，本系统可实现数据库管理和施工质量分析，包括：远程视频监控、大坝施工仓面信息管理、一体机定位和状态监视、施工数据统计与报表、施工覆盖面监控、振捣质量监控、施工工艺监控、质量缺陷报警以及施工参数远程管理等。
3.3.3信号采集、传输和智能处理
振捣深度传感器将采集振捣棒进行振捣作业时插入混凝土的深度、时长数据实时传给传感器转接终端；角度传感器及GPS定位系统收集振捣车所振捣部位、仓面位置、大坝高程等实时座标信息传给传感器转接终端，传感器转接终端再将距离传感器和角度传感器采集的数据进行处理压缩打包后传输给振捣机智能监控主机。摄像头录制施工现场视频影像资料，并将其资料传给智能振捣监控终端，通过卫星天线与后方进行现场视频通信及管控。
智能监控主机相当于是整个系统的大脑，将接收到的数据进行分析保存并传送回后方，经分析处理发现问题后及时将报警信号显示在显示屏上提示操作人员。通过此装置,可实现人机通信交换，如设置振捣深度、振捣时长等施工参数，通过触摸显示屏将振捣智能终端的实时处理结果显示出来，如有欠振、过振、漏振等问题及时报警提示操作人员进行处理改正，满足混凝土浇筑高标准的质量要求。此外卫星天线将前方振捣车的实时施工状态与后方监控中心进行数据交换。
结合具体施工环境和拌和物条件（如混凝土的级配和振捣时混凝土塌落度等），根据这些条件确定振捣棒插入深度和振捣时间，将这些参数输入系统，就可提供混凝土“理论振捣时长”的修改、显示、存储等功能。系统可自动计算、显示、存储不同仓面各施工段混凝土的“实际振捣时长”，通过“理论振捣时长”和“实际振捣时长”的比较，就可判断振捣质量。当实际振捣时长和理论振捣时长不同时，系统将自动向振捣机操作人员提供振捣时长不足和振捣时间过长的“红色”报警，提示现场人员及时进行补振和终止振捣。
4.技术应用与效果
大坝混凝土智能振捣技术将“电动振捣车”、“高精度GPS系统”和“多传感器和相应的PLC软硬件”三大系统融合，实现了常态混凝土高效率、高质量的浇筑。该项振捣技术在乌东德水电站大坝混凝土工程中得到了成功应用，应用成果表明，改造的振捣车技术性能良好，能够满足现场施工要求，有效提高了混凝土浇筑振捣工作效率，减少了混凝土浇筑作业的资源和人力配置，提高了机械化和智能化作业水平，确保了混凝土施工质量。初步估算，该项施工技术的应用可节约施工成本92.2万元，同时，乌东德水电站大坝混凝土质量优良，合格率100%，优良率98.6%，施工期间未发生安全事故。安全、质量、进度均达到一流高标准施工水平，受到参建各方的一致好评，值得类似工程借鉴。
论文作者:周平,郭峻,周晨芳,张传虎
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年9期
论文发表时间:2019/8/27
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