大體積混凝土冷卻通水智能控制系統(tǒng)研制與應(yīng)用

王 衡 譚愷炎 燕 喬 陳志遠(yuǎn)

（1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北宜昌 443002；2.葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北宜昌 443002；3.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002）

20世紀(jì)30年代，胡佛（Hoover）重力拱壩最早應(yīng)用通水冷卻技術(shù)，取得了很好的成效.此后，通水冷卻成為最常用也是最有效的混凝土溫控措施之一［1］.混凝土冷卻通水的控制方式均采用人工調(diào)控方式.三峽三期工程采用個(gè)性化通水冷卻技術(shù)，極大地改善了大體積混凝土的溫控效果，以此為核心的綜合溫控技術(shù)也成功應(yīng)用創(chuàng)造了“無(wú)一條裂縫”的壩工奇跡［2］.但是個(gè)性化通水冷卻技術(shù)需要對(duì)通水參數(shù)和混凝土溫度進(jìn)行準(zhǔn)確和及時(shí)的測(cè)量，以便調(diào)整流量，導(dǎo)致了人工調(diào)控方式效率低、誤差大、調(diào)控滯后的情況，很難滿(mǎn)足現(xiàn)代水利工程高質(zhì)量快速施工的要求.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感控制技術(shù)的發(fā)展與成熟，各種軟件與硬件普及推廣，為大體積混凝土冷卻通水自動(dòng)化控制提供基本技術(shù)支撐.通過(guò)對(duì)控制算法、系統(tǒng)硬件以及控制軟件的研究研制出了一套智能控制系統(tǒng).

采用智能控制系統(tǒng)對(duì)混凝土冷卻通水進(jìn)行自動(dòng)化控制，根據(jù)混凝土溫度不斷調(diào)整通水流量以達(dá)到混凝土均衡降溫、降低溫度梯度、減小溫度拉應(yīng)力、防止混凝土出現(xiàn)裂縫.

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大壩冷卻通水?dāng)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集與流量的自動(dòng)控制，減少了人工采集數(shù)據(jù)與調(diào)控流量的誤差，降低了大壩冷卻通水施工現(xiàn)場(chǎng)的工作量，提高了冷卻通水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與管理質(zhì)量.

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

在主管安裝流量傳感器（帶測(cè)溫功能）［3］、溫度傳感器和電動(dòng)控制閥門(mén)，電纜接入多通道通水冷卻測(cè)控裝置［4］，采用無(wú)線WIFI與中心計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)自動(dòng)測(cè)控軟件設(shè)定測(cè)試參數(shù)，如采樣頻率、流量控制參數(shù)等，對(duì)多臺(tái)測(cè)控裝置進(jìn)行同步控制，自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并通過(guò)軟件依據(jù)混凝土實(shí)際溫度自動(dòng)控制電動(dòng)閥，達(dá)到自動(dòng)控制通水流量的目的.其中混凝土溫度可通過(guò)獲取大壩溫度自動(dòng)化數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn).如圖1所示.

2 核心技術(shù)

大體積混凝土冷卻通水智能控制系統(tǒng)的核心技術(shù)主要是仿人工智能控制算法的研究和硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

2.1 仿人工智能控制算法［5］

仿人工智能控制算法主要是通過(guò)獲取混凝土歷史通水降溫效率的值（流量和降溫速率），根據(jù)混凝土歷史通水降溫效率值和未來(lái)需要的降溫幅度和降溫時(shí)段計(jì)算需要的下一步流量控制值；使混凝土溫度按照設(shè)計(jì)要求均勻下降.引入實(shí)際降溫流量系數(shù)α的動(dòng)態(tài)調(diào)整并配合滯后系數(shù)輔助修正，可實(shí)現(xiàn)控制混凝土內(nèi)部溫度均勻平穩(wěn)下降，并在預(yù)期時(shí)間內(nèi)達(dá)到控制目標(biāo)溫度的目的.且實(shí)現(xiàn)冷卻水流量的自動(dòng)計(jì)算，排除人工控制的隨意性，進(jìn)一步提高了大體積混凝土的施工質(zhì)量.算法流程圖如圖2所示.

圖2 仿人工智能控制算法流程圖

2.2 硬件組成

大體積混凝土冷卻通水智能控制系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成，分別是傳感器組、電動(dòng)閥門(mén)、多通道冷卻通水自動(dòng)測(cè)控裝置、服務(wù)器、客戶(hù)端.

1）傳感器組：分為流量傳感器和溫度傳感器，分別用來(lái)測(cè)量進(jìn)水口的水溫、流量和出水口的水溫，并通過(guò)電纜線將信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)控裝置，如圖3所示.

2）電動(dòng)閥門(mén)：主要作用是對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的控制和反饋，分為自動(dòng)調(diào)節(jié)和人工調(diào)節(jié)，是通過(guò)對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)來(lái)控制水管的流量，如圖4所示.

圖4 電動(dòng)閥門(mén)

3）多通道混凝土冷卻通水自動(dòng)測(cè)控裝置：系統(tǒng)核心裝置，用于混凝土冷卻通水的水溫、混凝土溫度和冷卻水流量的自動(dòng)采集和控制，通過(guò)對(duì)冷卻水流量的自動(dòng)控制達(dá)到對(duì)混凝土溫度的調(diào)節(jié)，如圖5所示.

圖5 多通道測(cè)控裝置

4）服務(wù)器：主要是存儲(chǔ)、處理測(cè)控裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，供用戶(hù)查閱，控制所用.

5）客戶(hù)端：通過(guò)與本系統(tǒng)配套的軟件查看、管理通水?dāng)?shù)據(jù)以及向測(cè)控裝置發(fā)布命令.

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)依托錦屏一級(jí)混凝土拱壩工程，于2013年1月份在現(xiàn)場(chǎng)0：00時(shí)刻進(jìn)行冷卻通水試驗(yàn)，選定了一期通水的19～55倉(cāng)和18～62倉(cāng)、中期通水的21～33倉(cāng)和31～34倉(cāng)、二期通水的20～45倉(cāng)和20～46倉(cāng)進(jìn)行了為期一個(gè)月的試驗(yàn)研究，現(xiàn)在將試驗(yàn)結(jié)果如圖6～8所示.

圖8 二期冷卻試驗(yàn)結(jié)果（20～45，20～46）

3.2 試驗(yàn)效果分析

3.2.1 最高溫度控制

大體積混凝土的裂縫，大多是由溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力引起的.因此，為提高混凝土的質(zhì)量，減少裂縫的產(chǎn)生，工程中通常將混凝土的最高溫度作為一整個(gè)重要的溫控指標(biāo)進(jìn)行控制.錦屏一級(jí)工程壩體混凝土澆筑時(shí)規(guī)定，混凝土的最高溫度不超過(guò)27℃，一期冷卻通水時(shí)的混凝土降溫情況如圖6所示，從圖6可以看出兩支溫度計(jì)的最高溫度均控制在27℃以下，符合設(shè)計(jì)要求.說(shuō)明，大體積混凝土冷卻通水智能控制系統(tǒng)能夠通過(guò)調(diào)整冷卻通水的通水量來(lái)較好的控制混凝土的最高溫度，保證混凝土質(zhì)量.

3.2.2 降溫速率控制

對(duì)于大體積混凝土而言，如果降溫過(guò)快，混凝土內(nèi)部溫差過(guò)大，溫差應(yīng)力達(dá)到混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，理論上就會(huì)出現(xiàn)裂縫，而且此裂縫出現(xiàn)在大體積混凝土的內(nèi)部，如果相差過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)貫穿裂縫，影響結(jié)構(gòu)使用，因此，降溫速率的快慢直接關(guān)系到大體積混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力的發(fā)展.控制混凝土的降溫速率也是溫控措施中的重要一項(xiàng).在錦屏一級(jí)過(guò)程中，規(guī)定混凝土一期冷卻降溫速率控制在0.5℃／d，中期和二期冷卻降溫速率應(yīng)該控制在0.3℃／d.現(xiàn)計(jì)算智能控制系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中各支溫度計(jì)的降溫速率，見(jiàn)表1.

表1 降溫速率表（單位：℃／d）

從表1可以看出，一期冷卻降溫速率基本控制在0.5℃／d以?xún)?nèi)，符合設(shè)計(jì)要求，只有少部分?jǐn)?shù)據(jù)超標(biāo)，合格率達(dá)96.55%；中期和二期冷卻降溫速率基本控制在0.3℃／d以?xún)?nèi)，幾乎沒(méi)有超標(biāo)情況.一期冷卻通水時(shí)，由于混凝土水泥的水化熱反應(yīng)和相鄰澆筑塊的影響，使得通水不易控制，少數(shù)數(shù)據(jù)控制超標(biāo)；中期和二期冷卻通水時(shí)，外部條件已經(jīng)基本穩(wěn)定，對(duì)通水影響不大，智能控制系統(tǒng)能夠非常好地完成控制要求.

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，該系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟，整體控制合格率達(dá)99%以上，能夠較好地應(yīng)用到工程施工中去，極大提高工作效率.相比于傳統(tǒng)的人工調(diào)控，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）加強(qiáng)溫控效果，傳統(tǒng)控制方式由于對(duì)流量的監(jiān)測(cè)和調(diào)控都是手動(dòng)完成，而現(xiàn)場(chǎng)條件和工作人員的能力問(wèn)題都會(huì)造成較大的誤差，直接影響到通水效果，從本系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果上看，可以提高最高溫度和降溫率的合格率，保證控制效果.

2）提高工作效率，本系統(tǒng)無(wú)需人工進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，安裝成功之后便可自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)所輸入的參數(shù)智能地對(duì)通水進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以遠(yuǎn)程操控，節(jié)省了大量的人工，降低了費(fèi)用，免去高壩作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)因素.

3）通水管理透明化，本系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控，并生成數(shù)據(jù)報(bào)表，數(shù)據(jù)采集密度可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，數(shù)據(jù)更加真實(shí)、可靠、透明化，為今后的實(shí)際工程提供了實(shí)踐參考，為理論研究提供了更為可靠的數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)了溫控技術(shù)的發(fā)展.

4 結(jié) 語(yǔ)

大體積混凝土冷卻通水智能系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，能夠根據(jù)已經(jīng)建立起來(lái)的混凝土內(nèi)部溫度、通水流量和通水溫度數(shù)學(xué)模型，只需輸入混凝土溫控技術(shù)要求，使通水完全智能化，即可自動(dòng)控制通水流量，使混凝土通水冷卻過(guò)程始終控制在設(shè)計(jì)要求范圍，符合朱伯芳先生提出的“小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向”［6］.

本系統(tǒng)在極大地提高大壩混凝土冷卻通水效率的同時(shí)，真正達(dá)到了個(gè)性化通水的目標(biāo)，使得混凝土施工工期縮短、成本降低，提高了冷卻通水施工現(xiàn)代化施工和管理水平，減少了因混凝土溫度控制不佳而造成的混凝土裂縫，提高了工程質(zhì)量.

［1］ 袁光裕，胡志根.水利工程施工［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005：203－211.

［2］ 邢德勇，徐三峽.三峽三期大壩工程大體積溫控技術(shù)綜述［J］.水力發(fā)電，2005，10：17－19，30.

［3］ 譚愷炎，陳軍琪.測(cè)溫型葉輪式脈沖信號(hào)流量傳感器［P］.中國(guó)，ZL201020262495.2，2011－1－19.

［4］ 譚愷炎，陳軍琪.混凝土冷卻通水測(cè)溫裝置［P］.中國(guó)，ZL201020 250543.6，2011－1－12.

［5］ 周厚貴，陳軍琪，譚愷炎，等.一種大體積混凝土冷卻通水流量控制方法［P］.中國(guó)，201110318693.5，2011－10－19.

［6］ 朱伯芳.小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向［J］.水利水電技術(shù)，2009，40（1）：44－50.