黃登水電站建設管理中的數(shù)字系統(tǒng)研究與應用

郭建文，陳 銳，鄧擁軍

(華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

1 項目開發(fā)背景

黃登水電站混凝土重力壩高203 m，是我國已建在建最高的碾壓混凝土壩，施工質量控制難度大。針對碾壓混凝土的裂縫問題以及層間結合等施工質量控制難題，目前已經(jīng)形成一套技術體系，但對于200 m級高碾壓混凝土壩尚無借鑒經(jīng)驗，外加混凝土施工現(xiàn)場情況復雜，傳統(tǒng)的施工和管理方式很難將防裂方案扎實貫徹，因此“無壩不裂”仍然是現(xiàn)實存在的，一些碾壓混凝土壩層間結合質量也不盡如人意，故有必要從技術和管理相結合的角度提出一套新的質量管控理念和方法，解決200 m級高碾壓混凝土壩的建設質量問題。

目前，我國混凝土壩溫控防裂設計與施工的傳統(tǒng)工作模式是：在可研階段、招標設計和施工詳圖階段，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范、科研計算和各個階段的設計施工條件，確定和改進溫控措施，作為主管部門審查、招投標和具體施工的依據(jù)。上述工作模式存在一系列問題：傳統(tǒng)工作模式響應速度慢，而無法適應復雜多變現(xiàn)場條件；傳統(tǒng)工作模式無法對溫控過程進行實時有效監(jiān)控，難以即時發(fā)現(xiàn)問題；監(jiān)測資料無法滿足實時和準確性要求，難以支撐咨詢、審查驗收要求。

除大壩混凝土溫度控制外，混凝土碾壓質量也是碾壓混凝土重力壩施工質量控制的主要環(huán)節(jié)，直接關系到大壩安全。傳統(tǒng)的碾壓混凝土壩施工質量主要由人工通過巡檢、旁站等方式進行控制，受人為因素影響大，質量控制的精度低，缺乏高精度、自動化的施工質量實時監(jiān)控手段與方法。如何減少人為因素影響，對施工過程進行精細化管理，實現(xiàn)高精度、自動化的碾壓混凝土壩施工質量實時監(jiān)控，是亟待解決的科學問題。與施工質量控制常規(guī)方法相對應的是施工質量實時監(jiān)控方法，通過實時監(jiān)控相關施工參數(shù)，可連續(xù)、實時、精確地對施工過程質量進行控制。

隨著信息化技術的發(fā)展，利用數(shù)字技術進行大壩施工質量、施工期運行期工作性態(tài)的監(jiān)控已成為保障大壩安全的新手段?；炷翂螖?shù)字監(jiān)控也成為當今壩工領域的重要研究方向，智能監(jiān)控更進一步，利用先進的GPS 技術、軟件技術、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術、自動化監(jiān)測技術、數(shù)值仿真技術和自動控制技術，開發(fā)包含大壩施工信息管理、自動化數(shù)據(jù)采集、仿真反饋分析和預警決策支持及智能反饋控制等模塊的大壩智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)大壩施工期和運行期各種施工和監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動獲取和高效管理、大壩施工期運行期安全狀況的實時評估和預測以及大壩質量與安全風險的預警和反饋控制，最終實現(xiàn)大壩全過程的質量與安全狀態(tài)實時可控。

2 項目研發(fā)

2.1 建設目標

(1)對黃登水電站大壩建設質量(混凝土溫控和澆筑碾壓環(huán)節(jié)等)和施工進度進行在線實時監(jiān)測和反饋控制。

(2)將大壩碾壓質量、溫控、倉面施工、壩面檢測以及大壩施工進度等信息進行集成管理，為大壩建設質量和進度監(jiān)控，以及壩體安全診斷提供信息應用和支撐平臺。

(3)為實現(xiàn)黃登工程綜合信息(施工期和運行期)數(shù)字化管理提供基礎。有效提升黃登水電工程建設的管理水平，實現(xiàn)工程建設的創(chuàng)新化管理，為打造優(yōu)質精品工程提供強有力的技術保障。

(4)為大壩樞紐的安全鑒定、竣工驗收及今后的運行管理提供數(shù)據(jù)平臺。

2.2 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)綜合管理平臺基礎上，按使用功能劃分為工程信息管理系統(tǒng)、施工過程智能監(jiān)控及質量評價系統(tǒng)(見圖1、2)。其中，施工過程智能監(jiān)控及質量評價系統(tǒng)包括混凝土施工工藝監(jiān)控系統(tǒng)、混凝土溫度控制監(jiān)控系統(tǒng)、大壩基礎灌漿監(jiān)控系統(tǒng)、大壩安全檢測系統(tǒng)等4個子系統(tǒng)。系統(tǒng)預留接口，可進一步實施大壩運行后評價系統(tǒng)等功能模塊。實現(xiàn)全方位、全過程、數(shù)字化、信息化、智能化管理。

圖1 系統(tǒng)框架

圖2 系統(tǒng)登陸入口、中心數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)交換總線

2.3 項目功能

2.3.1工程信息管理

工程信息管理系統(tǒng)包含施工組織設計、質量檢查結果、施工過程數(shù)據(jù)上報審批等功能，主要實現(xiàn)工程信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理以及參建各方的工作協(xié)同。系統(tǒng)通過全面繼承設計成果、管理施工工藝過程、形成完整的工程數(shù)字化檔案。系統(tǒng)通過對大壩澆筑過程中計劃、設計、施工、質量的數(shù)據(jù)，以及試驗檢測數(shù)據(jù)的采集、分析、統(tǒng)計，實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的集成化管理，為施工過程的全面管控提供支持。

(1)施工計劃管理的錄入實現(xiàn)施工計劃管理的信息化，方便了各單位對施工計劃的查詢管理。

(2)工程信息管理系統(tǒng)的使用使得倉面設計、澆筑準備、開倉申請、施工配 料的流程環(huán)環(huán)相扣，上一過程完成，下一過程才能開始，實現(xiàn)施工過程精細化管理。

(3)試驗檢測信息模塊數(shù)據(jù)錄入，實現(xiàn)施工中混凝土原材料、半成品、成品 的試驗檢測數(shù)據(jù)實時管理，通過與質量指標的對比，管理人員可及時掌握混凝土 材料質量情況，提高試驗檢測分析的準確率和工作效率。

(4)系統(tǒng)通過工序質量評定流程，全面管理了工序驗收、質量評定、質量缺陷數(shù)據(jù)，自動將工序驗收資料根據(jù)評定標準和預設算法自動生成單元評定的優(yōu)良 等級，減少人為干預，提高評定的準確性。同時系統(tǒng)可通過對工序數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，及時掌握各部位、各時間段內，各工序的質量分布情況。

(5)系統(tǒng)可動態(tài)管理設計、施工過程中各類資料，進行分類整編，統(tǒng)一存儲，利用功能強大的多維度檢索引擎實現(xiàn)資料的查閱與共享。通過資料的及時管理，有效控制了竣工歸檔資料的缺失。通過綜合查詢功能實現(xiàn)各類共享數(shù)據(jù)的輸出，方便施工資料數(shù)據(jù)的查詢和分析。

2.3.2大壩混凝土施工工藝監(jiān)控

大壩混凝土施工工藝監(jiān)控及質量評價系統(tǒng)通過對拌和樓拌和數(shù)據(jù)、混凝土出機口性能數(shù)據(jù)、混凝土壓實度信息的采集以及對施工現(xiàn)場碾壓、平倉機械的實時 監(jiān)控，同時運用反饋機制對施工混凝土工工藝和施工質量進行實時控制。監(jiān)控大壩碾壓混凝土施工過程，規(guī)范了碾壓施工作業(yè)，為碾壓混凝土施工質量提供保障，并為現(xiàn)場施工和監(jiān)理提供有效的管理控制平臺(見圖3)。

圖3 施工工藝監(jiān)控子系統(tǒng)倉面層間間歇時間實時監(jiān)控界面

(1)混凝土施工工藝監(jiān)控系統(tǒng)投入使用以后，該系統(tǒng)已完成了多個碾壓混 凝土澆筑倉的實時監(jiān)控任務。監(jiān)控顯示施工結果滿足碾壓標準遍數(shù)及以上比例的 澆筑倉超過 90%，無明顯漏碾、欠碾?yún)^(qū)域。通過該系統(tǒng)質量管理人員可以在施工 過程中實時查看碾壓軌跡、行走速度、碾壓遍數(shù)、碾壓高程、激振力等參數(shù)，方 便了現(xiàn)場監(jiān)管和控制，保證了施工質量要求。同時系統(tǒng)還自動保留了完整的平倉 碾壓施工過程數(shù)據(jù)，使得碾壓施工過程全程可追溯。

(2)系統(tǒng)通過移動端實時收集混凝土在各個階段的質量檢測信息。保證各項施工數(shù)據(jù)的全面獲取，確保數(shù)據(jù)的全面采集與分析。

(3)混凝土拌和樓生產信息遠程自動采集分析系統(tǒng)自動完成采集混凝土生 產數(shù)據(jù)信息并將采集到的數(shù)據(jù)進行保存。系統(tǒng)可根據(jù)需要生成各個時段的材料統(tǒng) 計圖形報告，方便各單位在施工結束后對拌和樓生產過程數(shù)據(jù)進行查詢和統(tǒng)計分析。

(4)大壩混凝土施工工藝監(jiān)控系統(tǒng)的使用使得碾壓施工質量能夠用具體的數(shù)據(jù)標準來判斷碾壓施工質量是否合格，可彌補傳統(tǒng)人工監(jiān)控的缺點。保證大壩碾壓混凝土施工過程規(guī)范、質量優(yōu)良。

2.3.3混凝土溫度控制

大壩混凝土溫控智能監(jiān)控子系統(tǒng)(見圖4)運用自動、半自動、人工錄入3種方式對出 機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、混凝土內部溫度、冷卻水水溫水壓、通水流量 等20多種溫控要素進行全面采集，完成對溫控施工的實時評估與預警，并自動 計算出通水預測流量，通過施工現(xiàn)場溫度流量智能控制設備，實現(xiàn)個性化的智能 通水與控制。

圖4 高碾壓混凝土壩施工防裂全過程智能監(jiān)控方法

(1)黃登電站施工過程中運用大壩混凝土溫控智能監(jiān)控系統(tǒng)完成了主壩所有澆筑單元的溫度信息采集和通水智能控制?；緦崿F(xiàn)了主壩個性化的無人為干預的混凝土內部溫度信息自動采集和個性化智能通水，節(jié)約了大量人力。

(2)系統(tǒng)結合半自動方式實時錄入入倉溫度信息和澆筑溫度信息，對已經(jīng)澆筑的大壩混凝土入倉、澆筑溫度已實現(xiàn)了溫度信息合格率的自動分析。

(3)大壩溫控智能監(jiān)控系統(tǒng)使得所有大壩內部溫度信息可自動采集，對所有冷卻通水管路可以自動調控，且能夠嚴格按照設計標準進行通水，取代人工操作而降低了錯誤率、減輕了人力勞動。

2.3.4大壩基礎灌漿監(jiān)控

大壩基巖灌漿監(jiān)控系統(tǒng)(見圖5)覆蓋了灌漿施工的設計、計劃、施工等多個階段，從單元孔段的定義到施工過程數(shù)據(jù)、質量檢測數(shù)據(jù)的采集，到最終的單孔驗收、成果整理分析，提供全過程的單元、孔、段、灌次、時程數(shù)據(jù)的管理和分析，保證了設計、施工、檢查等灌漿資料的完整性，提高灌漿成果資料整理的工作效率。

圖5 大壩基巖灌漿監(jiān)控系統(tǒng)加漿量實時監(jiān)控界面

通過應用系統(tǒng)對灌漿數(shù)據(jù)進行采集，實現(xiàn)了各個孔段的灌漿數(shù)據(jù)實時自動獲取，和灌漿數(shù)據(jù)圖形化分析。相較于傳統(tǒng)分析記錄節(jié)約了大量人力物力，且生成的成果精確直觀，極大的方便了灌漿施工成果分析。

2.4 項目實施總體情況

2015年3月，項目研發(fā)完成，并首次在黃登大壩第一倉混凝土施工中得到應用。此后，系統(tǒng)通過不斷完善和補充，在黃登、大華橋水電工程得到成功應用。2018年4月12日，黃登水電站大壩最后一倉混凝土澆筑完成。

目前黃登水電站大壩已順利封頂，累計完成混凝土超過350萬m3；工程已于2017年11月下閘蓄水；1號、2號、3號機組已分別于2018年7月5日、7月12日、8月16日投產發(fā)電，較可研規(guī)劃分別提前約6個月、8.5個月和11.5個月。

3 系統(tǒng)亮點及創(chuàng)新點

通過系統(tǒng)地總結和提煉，數(shù)字黃登系統(tǒng)主要創(chuàng)新點和亮點主要如下：

(1)首次系統(tǒng)建立了200 m級高碾壓混凝土壩全過程、全環(huán)節(jié)、全要素施工標準和質量控制指標。建立了高碾壓混凝土壩數(shù)字化的原材料檢測、拌合物制備、倉面碾壓、層間結合、變態(tài)加漿和溫度控制等施工標準、工藝控制、指標體系；建立了混凝土智能溫控指標體系和標準，提出了“基礎溫差適當放寬、內外溫差從嚴控制”的高碾壓混凝土重力壩溫控設計原則。

(2)首次系統(tǒng)提出200 m級高碾壓混凝土壩施工質量數(shù)字監(jiān)控關鍵技術。提出了高碾壓混凝土壩倉面升層時間的實時監(jiān)控方法，實現(xiàn)了對碾壓混凝土倉面層間結合時間的實時動態(tài)管控；提出了高碾壓混凝土壩變態(tài)混凝土加漿量實時監(jiān)控方法，實現(xiàn)了對于變態(tài)混凝土加漿量的實時控制。提出了高碾壓混凝土壩全過程防裂智能溫控方法，實現(xiàn)了溫控全要素實時感知與互聯(lián)互通，開裂風險的智能分析以及混凝土溫控施工全過程反饋控制。

(3)創(chuàng)建了高碾壓混凝土壩閉環(huán)控制的全過程信息化管控平臺。將原材料檢測、混凝土生產、碾壓質量控制、溫度智能控制、施工工藝監(jiān)控、大壩基礎灌漿監(jiān)控、安全監(jiān)測、決策支持、運行管理等環(huán)節(jié)有機融合，形成了一個閉環(huán)控制的全過程信息化管控平臺。

4 實施效果

黃登水電站致力于打造“優(yōu)質精品工程”、“流域窗口示范工程”，進而爭創(chuàng)“國家優(yōu)質工程”，應用互聯(lián)網(wǎng)+技術，研發(fā)和實施了數(shù)字黃登·施工管理信息化系統(tǒng)，取得應用效果主要如下：

(1)辦公成本節(jié)約。通過施工流程電子化管理，采用先電子流程審核、后實物打印的模式，預計文件資料打印成本可降低40%；人員交通成本可降低20%。

(2)節(jié)省溫控通水費用。相對于傳統(tǒng)人工經(jīng)驗調整溫控通水控制要素，智能溫控可實現(xiàn)對現(xiàn)場溫控數(shù)據(jù)的及時、準確、全面獲??；對通水流量和溫控質量進行精細化控制。其一方面提高溫控施工質量，另一方面可大量節(jié)省冷卻通水量和人力；同時更能適應現(xiàn)場惡劣條件。黃登水電站混凝土方量350萬m3，混凝土澆筑中使用智能溫控系統(tǒng)，每天可節(jié)省人力約50人；節(jié)約冷卻通水水量15%左右；溫控標準實時優(yōu)化調整將最高溫度標準放寬2℃，混凝土冷卻量減小了4℃，經(jīng)測算，綜合成本共節(jié)約約6 000萬元。

(3)人員投入減少，工作效率提高。通過自動化、數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集手段，現(xiàn)場施工過程數(shù)據(jù)采集效率提高，高峰期現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集人員顯著減少；生產數(shù)據(jù)資料與成果整理全部通過系統(tǒng)自動生成，節(jié)省管理人員大量數(shù)據(jù)整理、校對的時間，更注重最終的成果分析，人員工作負荷顯著降低；通過施工流程電子化管理，成果與信息的跨單位流轉和反饋效率提高；原始數(shù)據(jù)與過程數(shù)據(jù)集中存放在系統(tǒng)中進行管理，竣工資料整理的周期大大縮短，工作量大幅減少，效率顯著提高。

(4)工作質量提高。所有施工過程數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)綜合管理平臺集中統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)完整性非常高，形成完整的工程數(shù)字化檔案。信息可以實現(xiàn)工程參建各方的共享，直接為工程的設計、施工組織與質量管理服務。施工過程質量監(jiān)控系統(tǒng)(如碾壓質量監(jiān)控、溫度監(jiān)控、灌漿監(jiān)控等)可以做到對現(xiàn)場施工的及時監(jiān)控和精細化控制，可隨時了解現(xiàn)場的綜合狀況，及時分析、快速反饋，有效降低風險，提高工程質量。

(6)掌握核心技術。系統(tǒng)研發(fā)后能形成多項專利和自主知識產權，目前已累計取得3項發(fā)明專利、6項實用新型專利及5項軟件著作權，其他積極申報待批的知識產權還有約15項。2018年9月16日，經(jīng)大壩工程學會組織專家評審，“200 m級高碾壓混凝土壩數(shù)字化建設創(chuàng)新與實踐”技術成果達到國際領先水平。

(7)其他。項目的研發(fā)及應用有力推動了黃登水電站大壩建設的質量，極大地提升了電站建設質量管理水平；在此基礎上，黃登水電站成功實現(xiàn)了“一年三投”發(fā)電目標，較可研規(guī)劃分別提前約6個月、8.5個月和11.5個月，提前發(fā)電產生效益顯著。

5 結 語

基于高碾壓混凝土壩數(shù)字化建設的相關系統(tǒng)，已成功應用于黃登、大華橋等水電工程，并將繼續(xù)向烏弄龍、托巴等工程進一步推廣應用。本項目研究和應用成果在以下4個方面可促進了我國筑壩水平的提升：一為大體積混凝土溫控施工質量提供直接技術支撐，二為系統(tǒng)總結提高混凝土溫控設計理論水平提供資料支撐；三為混凝土壩工程驗收提供直接依據(jù)；四為碾壓混凝土大壩施工質量監(jiān)控提供示范，本項目可擴展至大壩施工質量監(jiān)控的其他方面，實現(xiàn)混凝土壩施工期工作性態(tài)的“可知”和“可控”，填補國內相關領域的空白。本項目的研究成果還可應用于水電行業(yè)大體積混凝土施工尤其是混凝土壩的建設，也可向核電、港口等其他行業(yè)推廣，應用前景廣闊。

基于現(xiàn)有的“數(shù)字黃登”系統(tǒng)及預留接口，系統(tǒng)在推廣應用時還可在如下幾方面實現(xiàn)進一步的提升。

(1)建立大壩混凝土溫控反演及反饋分析子系統(tǒng)，實現(xiàn)基于監(jiān)測信息的混凝土溫度場自動反饋仿真分析。以大壩施工工藝監(jiān)控、大壩混凝土溫度控制監(jiān)控及大壩安全監(jiān)測的相關數(shù)據(jù)信息為基礎，運用大體積混凝土溫度場及溫度應力三維有限元分析程序、神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法等技術，實現(xiàn)混凝土熱、力學性能及邊界條件的反演分析，確保仿真計算得到的溫度場反映現(xiàn)場實際情況。利用反演參數(shù)，進行大壩施工期溫度場及溫度應力跟蹤仿真分析或某一典型時段壩體溫度和應力的預測分析，確保溫控防裂預警的實時性和準確性，用于指導大壩溫控措施的優(yōu)化調整及評估大壩工作性態(tài)和安全性。

(2)基于大壩施工期結束后生成的BIM模型，建立大壩運行期后評價系統(tǒng)，實現(xiàn)對碾壓混凝土壩進行全生命周期的數(shù)字監(jiān)控和質量管理。大壩運行期的主要任務轉為壩體工程的安全監(jiān)測，基于大壩施工期結束后生成的BIM模型，建立大壩運行期后評價系統(tǒng)，以結構風險評估為中心，以GIS為協(xié)同、管理平臺的水電工程全生命周期安全管理的思路。在工程全生命周期中的各個階段，始終以工程風險的數(shù)學指標進行控制，采用協(xié)同管理模式，通過集成的工程統(tǒng)一BIM數(shù)字模型進行信息交流、反饋和風險分析，進而做出相應的管理決策。運行期后評價系統(tǒng)可包括以下功能：①監(jiān)測信息的有效管理與可視化查詢、分析。通過運行BIM中布設的監(jiān)測設備模型，實現(xiàn)監(jiān)測信息的有效管理與可視化查詢、分析等功能。②壩體運行期安全監(jiān)測與評價。針對壩體變形、應力、滲漏量等監(jiān)測數(shù)據(jù)及發(fā)展變化對壩體的工作形態(tài)進行評價，提出必要的工作處理措施；跟蹤壩基滲漏量情況評價壩基基礎處理效果；依據(jù)聲波長觀測孔的測量數(shù)據(jù)了解壩基受力狀況，評價壩體的安全性能。③考慮壩體材料老化的長期安全性評價。④壩體運行期加固設計及歷史信息管理。⑤壩體潰壩分析、壩體運行期安全預警及應急預案制定。⑥綜合以上信息，可建立基于BIM的數(shù)字壩體運行期安全控制與調度平臺。