CN103412046A - 堆石坝压实质量智能、动态控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统，包括安装在振动碾振动轮的内侧机架上的数据采集装置；安装在观测房中的数据接收及发送装置；进行远程质量控制的数据分析装置。采用上述的系统进行堆石坝压实质量控制的方法，一、通过试验获得符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值；二、在现场施工过程中，获取各个振动碾的加速度数据；三、加速度数据经数据整合、数字滤波后，进行FFT变换，获得基波数据和二次谐波数据；四、由公式CMV=C×A₂Ω÷AΩ计算出实时的CMV值；五、将实时的CMV值与符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值进行比对；由此实现堆石坝压实质量的智能、动态控制。本发明既保证了施工质量，又加快了施工进度。

Description

堆石坝压实质量智能、动态控制系统及方法

技术领域

本发明涉及水电工程施工中的堆石坝碾压施工领域，特别是一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统及方法。

背景技术

随着国民经济建设的不断发展，我国堆石坝发展较快，混凝土面板堆石坝、土质心墙堆石坝和沥青混凝土心墙堆石坝已经成为现代堆石坝的三种主要坝型。

当下堆石坝高坝大规模出现，该类型坝建设周期短，特殊的地形、地质、坝基条件要求高的压实质量，但是现有实时监控手段缺乏，实时快速检测手段缺乏；因此十分有必要开展堆石坝填筑实时、动态控制系统及快速检测技术的研究。

重庆交通大学硕士学位论文，2009年4月公开了一种《基于COSMOS的的振动压路机振动加速度与压实度关系研究》，提出根据三维建模，结合有限元分析，提取振动加速度、路面刚度,找出合理工况下随着路面刚度变化振动加速度的大致变化趋势，拟合出曲线图。得出振动加速度与土壤刚度之间确实存在一定的联系。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统及方法，可以实时地获得并控制堆石坝压实质量，以缩短堆石坝坝体填筑施工工期。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统，它包括：

安装在振动碾振动轮的内侧机架上的数据采集装置；

安装在观测房中的数据接收及发送装置；

进行远程质量控制的数据分析装置。

所述的数据采集装置与数据接收及发送装置之间采用无线连接，数据接收及发送装置与数据分析装置之间采用无线连接。

数据采集装置采用加速度传感器采集数据，并通过射频方式与数据接收及发送装置连接；

数据接收及发送装置中设有无线射频接收器用以接收加速度数据，还设有信号调理电路、A/D转换器、处理器和用于发射数据的无线发射装置；

数据分析装置中设有接收无线信号的无线接收装置，还设有用于计算和比较堆石坝坝料压实度值，即CMV值的计算装置。

一种采用上述的系统进行堆石坝压实质量控制的方法，包括以下步骤：

一、通过试验获得符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值；

二、在现场施工过程中，将加速度传感器设置在各个振动碾振动轮的内侧机架上，获取各个振动碾的加速度数据；

三、加速度数据经数据整合、数字滤波后，进行FFT变换，获得基波数据和二次谐波数据；

四、由公式

计算出实时的CMV值；

式中：CMV为压实度值，

C为常数取值300；

A_Ω-振动基波成分加速度幅值；

A_2Ω-振动二次谐波成分加速度幅值。

五、将实时的CMV值与符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值进行比对；

通过上述步骤实现堆石坝压实质量的智能、动态控制。

在步骤一中，采用与施工时段相同的振动碾及振动压实工艺参数；

碾压试验的坝料、含水量及填筑厚度与后续施工时段相同；

振动碾在振动碾压过程中振动频率变化范围不超过5%；

碾压试验每种坝料应具有不同的碾压遍数，以使其密度有一个变化梯度。

将每种碾压遍数测试得到的CMV值进行平均，求取平均值，采用坑测法求出该位置下的坝料干密度ρ；

将每种层厚、不同碾压遍数的坝料测得CMV平均值相同条件下得到坝料干密度ρ绘制曲线图，然后在图中查出符合设计干密度所对应的CMV控制值，该值即为该种坝料现场碾压的控制指标。

所述的数据整合中，由加速度数据的特证值确定该数据所属的加速度传感器，将专属一个加速度传感器的数据整合到一起，以供后继步骤处理。

所述的数据滤波中，采用0.5～100Hz的带通滤波器进行滤波。

步骤二中，加速度传感器采集的加速度数据，通过射频方式传递给数据接收及发送装置；

接收及发送装置采用无线射频接收器接收加速度数据，数据进入信号调理电路，调理过后的信号进入A/D转换器，把模拟信号转换成数据信号，然后进入处理器，由处理器对数据进行整合，最终数据采用gprs或3G模式发送给数据分析装置。

本发明的原理为：在大坝坝料开始碾压时，由于填料比较疏松，可近似看作是一个松软的弹塑性体。振动轮在其上振动时，受到的反作用力较小，基本作正弦运动。随着振动碾压实工作的进行，填充料的密实度和弹性模量不断增加，填充料与压实轮之间的相互作用力也不断增大，所以压实轮的加速度幅值也在不断增大，由此可见，振动碾振动波性畸变程度与填料压实程度之间存在着一定的相关关系如图2中所示；从而可以通过检测加速度幅值变化间接测出填料的压实状况，另一方面通过振动轮的动态响应来检测填料压实度情况，能更好的反映填筑层状况及承载力。加速传感器安装在钢质振动轮上，连续传送经过处理的信号并以CMV数值形式显示，CMV值是英文Compaction Meter Value的首写字母，其表示的意义为压实度值。与传统检测的压实度相比，本发明系统的误差控制在2%以内，并可通过经验数据及现场标定进行修正。

本发明提供的一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统及方法，通过安装在振动碾上的加速度传感器采集激振信号，在碾压施工过程中，系统随时采集、记录相关数据并将数据无线传输到数据分析装置中，操作人员可通过观察仪表的数据、图像，实时监控压实质量，不需要额外占用时间或停车测量，当数据显示碾压质量台格后，振动碾即可到下一个单元碾压，对于不合格的区域，设备能够自动报警，并确定不合格的具体部位，这样既保证了施工质量，又加快了施工进度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明系统的整体结构示意图。

图2是本发明数据处理流程图。

图3是本发明中CMV值与碾压遍数的关系曲线。

图4是本发明中CMV-干密度ρ关系曲线图。

图5是本发明中CMV-干密度ρ关系曲线图。

图中：数据采集装置1，数据接收及发送装置2，数据分析装置3，过渡料4，振动碾5。

具体实施方式

如图1中，一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统，它包括：

安装在振动碾5振动轮的内侧机架上的数据采集装置1，本例中采用加速度传感器；所述的数据采集装置1与数据接收及发送装置2之间采用无线连接，数据接收及发送装置2与数据分析装置3之间采用无线连接。

安装在观测房中的数据接收及发送装置2；数据采集装置1采用加速度传感器采集数据，并通过射频方式与数据接收及发送装置2连接；

以下是加速度传感器的技术参数：

量程：±10g；

频带范围：0～200Hz-3dB；

非线性度：1%；

幅值准确度：±5%；

信号分辩率：≤0.006g；

工作温度：-40℃～70℃；

温度漂移：±0.01%/℃；

过载能力(g)：10000(0.1ms)；

传输方式：无线传输；

工作时长：12h；

信号强度：无线通信距离大于500m；

信号准确度：数据传输稳定性达到97%以上。

由于采用射频传输方式的无线传输设备具有体积小，功耗低等优点，因此采用射频传输的方式以进行无线数据的传输。射频即Radio Frequency，通常缩写RF。表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～30GHz之间。射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。有线电视系统就是采用射频传输方式。在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播，并经大气层外缘的电离层反射，形成远距离传输能力，通常把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频，射频技术在无线通信领域中被广泛使用。

数据接收及发送装置2中设有无线射频接收器用以接收加速度数据，还设有信号调理电路、A/D转换器、处理器和用于发射数据的无线发射装置。

以下是数据接收及发送系统技术参数：

量程：加速度±10g；

分辨率：加速度0.1mg；

精度：加速度±5%；

频率范围：加速度0Hz～500Hz；

模数转换：24Bit量化台阶1677万；

数据接收及发送：使用无线接收及发送数据；

通道数：支持最小16个采集设备同时接入；

工作时间：支持长时间工作最少12h；

信号强度：无线通信距离大于500m；

信号准确度：数据接收及发送稳定性达到97%以上。

进行远程质量控制的数据分析装置3。数据分析装置3中设有接收无线信号的无线接收装置，还设有用于计算和比较堆石坝坝料压实度值，即CMV值的计算装置。

具体数据分析流程如图3中所示。

还包括有给上述装置供电的供电设备：由于无线传输设备需要供电，并且工作时间长，因此需要配备较大容量的蓄电池对其进行供电，且应具有备用电源，以支持长时间不间断的工作状况。

一种采用上述的系统进行堆石坝压实质量控制的方法，包括以下步骤：

一、通过试验获得符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值；

在步骤一的试验过程中，采用与施工时段相同的振动碾5及振动压实工艺参数；

碾压试验的坝料、含水量及填筑厚度与后续施工时段相同；

振动碾在振动碾压过程中振动频率变化范围不超过5%；

碾压试验每种坝料应具有不同的碾压遍数，以使其密度有一个变化梯度。

将每种碾压遍数测试得到的CMV值进行平均，求取平均值，采用坑测法求出该位置下的坝料干密度ρ；

将每种层厚、不同碾压遍数的坝料测得CMV平均值相同条件下得到坝料干密度ρ绘制曲线图，如图4中所示，然后在图中查出符合设计干密度所对应的CMV控制值，该值即为该种坝料现场碾压的控制指标。

二、在现场施工过程中，将加速度传感器设置在各个振动碾5振动轮的内侧机架上，获取各个振动碾5的加速度数据；

步骤二中，加速度传感器采集的加速度数据，通过射频方式传递给数据接收及发送装置2；

接收及发送装置2采用无线射频接收器接收加速度数据，数据进入信号调理电路，调理过后的信号进入A/D转换器，把模拟信号转换成数据信号，然后进入处理器，由处理器对数据进行整合，最终数据采用gprs或3G模式发送给数据分析装置3。

三、加速度数据经数据整合、数字滤波后，进行FFT变换，获得基波数据和二次谐波数据；

所述的数据整合中，由加速度数据的特证值确定该数据所属的加速度传感器，将专属一个加速度传感器的数据整合到一起，以供后继步骤处理。所述的特证值为IP地址、MAC地址。

所述的数据滤波中，即通过一定的算法，对信号进行处理，将某个频段的信号进行滤除，得到新的信号的这一过程叫做数字滤波。通常的滤波器类型有高通滤波器，低通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器。由于振动碾的振动频率一般在25～33Hz之间，而在测试过程中一般会出现其它频率的信号，这就是干扰的杂波，所有必须将杂波剔除，这样才能得到有效信号。因此，本系统采用0.5～100Hz的带通滤波器进行滤波，这样既可以滤除掉高频的杂波信号和直流分量的影响，又不会因为滤波频率接近振动频率而使有用信号被滤除掉。

四、由公式

计算出实时的CMV值；

式中：CMV为压实度值，

C为常数取值300；

A_Ω-振动基波成分加速度幅值；

A_2Ω-振动二次谐波成分加速度幅值。

五、将实时的CMV值与符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值进行比对；

具体为：当测试的加速度数据进入数据分析装置3的软件平台后，软件会先对数据进行读取，然后对数据进行滤波，将杂波信号滤除掉，得到有效信号，根据设计原理，进行快速傅立叶变换，即FFT变换，快速傅立叶变换是一种计算信号的频率成分的数据分析方式。滤波后的信号已经是有效信号，根据设计原理需把时域加速度信号转换为频域信号，因此需要对加速度信号进行快速傅立叶变换，得到加速度信号的频域成分。由此得到测量加速度的频谱波形，然后取出基波和二次谐波的数据，然后根据公式

计算出CMV值，得到CMV值后即可进行合格率比对计算，合格通过，不合格报警，本发明的软件平台还具有数据报表等功能。

数据保存：测试完成后可以将整个测试过程中的数据保存下来，以方便后期对数据进行分析。

通过上述步骤实现堆石坝压实质量的智能、动态控制。

实施例：

以下是某工程面板堆石坝过渡料采用本系统所测试的结果。

验证场试验研究成果：

根据上述检测方法，结合验证场碾压试验对过渡料进行测试，将过渡料铺料厚度40、50cm试验参数检测结果分别进行汇总分析，同时将统计出的CMV值与碾压遍数绘制曲线，详见表1、表2及图3，其中CMV、干密度、沉降率表示在该碾压遍数下的平均值。

表1 过渡料铺料厚度40cm试验研究检测结果汇总表

表2 过渡料铺料厚度50cm试验研究检测结果汇总表

通过上述研究试验成果及CMV与碾压遍数关系曲线表明：

■在大坝开始碾压时，由于填料比较疏松，自行式振动碾在其上振动时，受到的反作用力较小，基本作正弦运动，可以近似看作是一个松软的弹塑性体。

■随着碾压遍数的增加，坝料的密实程度和弹性模量不断增加，而CMV也在不断增加。

■当碾压遍数增加到一定程度时，由于坝料的密实程度及弹性模量趋于稳定，CMV也趋于平缓，符合坝料压实规律。

通过每种碾压遍数下得到的CMV平均值与相应遍数下得到的坝料干密度平均值进行分析，见图4、图5。

CMV与干密度、沉降率确有较好的线性相关关系，随着干密度的增加，CMV也随之增加，因此如果给出干密度控制指标，通过CMV与干密度关系曲线即可查图得出满足干密度要求时所对应最小CMV值，该值即为CMV控制值，根据上述研究试验成果，将不同铺料厚度下得出的CMV控制值进行统计，过渡料验证场CMV控制参数推荐表结果详见表3。

表3 过渡料验证场CMV控制参数推荐表

复合场碾压试验成果：

结合验证场碾压试验参数：铺料厚度40cm，碾压遍数10遍，洒水率5%，对过渡料进行一场碾压复核试验，以进一步研究本方法对砂砾石料控制的可行性；将碾压复核试验研究数据进行汇总，同时绘制CMV与碾压遍数关系曲线，详见表4。

表4 过渡料复核场第一场次压实计法检测结果汇总表

通过对上述数据分析表明：

■随着碾压遍数的增加，CMV随之增加，最后趋于稳定，符合坝料弹性参数随着碾压遍数增加最后趋于稳定的规律；

■根据复核场次试验结果进行分析，复核场试验研究成果与验证场试验研究成果基本吻合，因此采用CMV值控制该料源压实质量是可行的。

Claims (10)

1.一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统，其特征是它包括： 

安装在振动碾（5）振动轮的内侧机架上的数据采集装置（1）； 

安装在观测房中的数据接收及发送装置（2）； 

进行远程质量控制的数据分析装置（3）。 

2.根据权利要求1所述的一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统，其特征是：所述的数据采集装置（1）与数据接收及发送装置（2）之间采用无线连接，数据接收及发送装置（2）与数据分析装置（3）之间采用无线连接。 

3.根据权利要求2所述的一种堆石坝压实质量智能、动态控制系统，其特征是：数据采集装置（1）采用加速度传感器采集数据，并通过射频方式与数据接收及发送装置（2）连接； 

数据接收及发送装置（2）中设有无线射频接收器用以接收加速度数据，还设有信号调理电路、A/D转换器、处理器和用于发射数据的无线发射装置； 

数据分析装置（3）中设有接收无线信号的无线接收装置，还设有用于计算和比较堆石坝坝料压实度值，即CMV值的计算装置及不合格报警功能。 

4.一种采用权利要求1～3所述的系统进行堆石坝压实质量控制的方法，其特征是包括以下步骤： 

一、通过试验获得符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值； 

二、在现场施工过程中，将加速度传感器设置在各个振动碾（5）振动轮的内侧机架上，获取各个振动碾（5）的加速度数据； 

三、加速度数据经数据整合、数字滤波后，进行FFT变换，获得基波数据和二次谐波数据； 

四、由公式

计算出实时的CMV值； 

式中：CMV为压实度值， 

C为常数取值300； 

A_Ω-振动基波成分加速度幅值； 

A_2Ω-振动二次谐波成分加速度幅值。 

五、将实时的CMV值与符合设计要求干密度ρ所对应的CMV值进行比对； 

通过上述步骤实现堆石坝压实质量的智能、动态控制。 

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：在步骤一中，采用与率定CMV控制值时段相同的振动碾（5）及振动压实工艺参数； 

碾压试验的坝料、含水量及填筑厚度与后续施工时段相同； 

振动碾在振动碾压过程中振动频率变化范围不超过5%； 

碾压试验每种坝料应具有不同的碾压遍数，以使其密度有一个变化梯度。 

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：将每种碾压遍数测试得到的CMV值进行平均，求取平均值，采用坑测法求出该位置下的坝料干密度ρ； 

将每种层厚、不同碾压遍数的坝料测得CMV平均值相同条件下得到坝料干密度ρ绘制曲线图，然后在图中查出符合设计干密度所对应的CMV控制值，该值即为该种坝料现场碾压的CMV控制值。 

7.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述的数据整合中，由加速度数据的特征值确定该数据所属的加速度传感器，将专属一个加速度传感器的数据整合到一起，以供后继步骤处理。 

8.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述的数据滤波中，采用0.5～100Hz的带通滤波器进行滤波。 

9.根据权利要求4所述的方法，其特征是：步骤二中，加速度传感器采集的加速度数据，通过射频方式传递给数据接收及发送装置（2）。 

10.接收及发送装置（2）采用无线射频接收器接收加速度数据，数据进入信号调理电路，调理过后的信号进入A/D转换器，把模拟信号转换成数据信号，然后进入处理器，由处理器对数据进行整合，最终数据采用gprs或3G模式发送给数据分析装置（3）。 

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