工程科研在前坪水庫(kù)建設(shè)中的應(yīng)用

□應(yīng)越紅

（河南省前坪水庫(kù)建設(shè)管理局）

1 實(shí)施目標(biāo)

近年來(lái)，隨著一批特高大壩的建設(shè)，傳統(tǒng)的施工手段和施工評(píng)價(jià)方法難以勝任，大壩數(shù)字化建設(shè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展動(dòng)力。在智能大壩理念推廣的背景下，前坪水庫(kù)作為國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程之一，開(kāi)工伊始就樹(shù)立了“科學(xué)統(tǒng)籌、超前謀劃”的理念，確立了“建設(shè)優(yōu)質(zhì)工程、打造美麗前坪”的總目標(biāo)。工程科研以“工程安全、運(yùn)行高效，居高望遠(yuǎn)、引領(lǐng)發(fā)展”為指導(dǎo)，以“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”為動(dòng)力，充分汲取高科技力量，探索心墻土石壩建設(shè)4.0模式，構(gòu)建智能化的建設(shè)管理和高效運(yùn)行系統(tǒng)，為優(yōu)質(zhì)工程建設(shè)提供科技支撐。

2 主要任務(wù)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

包括4個(gè)課題：①土石壩料分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)壩殼料分區(qū)方案、軟硬巖混合應(yīng)用方案論證，利用三維數(shù)字化信息，優(yōu)化工程布置，提高工程質(zhì)量。②深覆蓋層處理方案優(yōu)化。③消能防沖方案優(yōu)化。開(kāi)展溢洪道、導(dǎo)流洞等結(jié)構(gòu)水力學(xué)模型試驗(yàn)，優(yōu)化水力學(xué)參數(shù)，降低溢洪道破壞風(fēng)險(xiǎn)。④粘土心墻自修復(fù)性能優(yōu)化。

2.2 數(shù)值仿真分析關(guān)鍵技術(shù)

包括5個(gè)課題：①土石壩應(yīng)力變形全生命過(guò)程仿真。建立土石壩三維時(shí)變數(shù)字模型，分析預(yù)測(cè)大壩沉降量，優(yōu)化大壩筑壩材料分區(qū)，減少發(fā)生不均勻變形的區(qū)域。②土石壩滲流有限元分析。優(yōu)化分析防滲灌漿效果，提高土石壩滲透變形的安全性和水庫(kù)運(yùn)行的安全性。③大體積混凝土溫度控制，保證大體積混凝土澆筑質(zhì)量。④地基加固與危險(xiǎn)邊坡穩(wěn)定分析。開(kāi)展大壩基礎(chǔ)可能存在的不良地層結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究和壩肩高陡邊坡處理方案優(yōu)化研究，滿足土石壩基礎(chǔ)變形與強(qiáng)度要求。針對(duì)庫(kù)區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)分析和處理措施優(yōu)化以及安全監(jiān)測(cè)研究。⑤水庫(kù)防汛調(diào)度優(yōu)化。

2.3 施工組織總體規(guī)劃技術(shù)

包括6個(gè)課題：①施工期導(dǎo)流水力控制技術(shù)。對(duì)施工中的導(dǎo)流規(guī)劃、圍堰防滲墻、圍堰堰體的快速施工、施工期過(guò)水防護(hù)、各施工階段的水流控制等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究。②深覆蓋層圍堰及防滲墻快速施工技術(shù)。開(kāi)展圍堰深覆蓋層防滲墻、膜土防滲體系及壩堰結(jié)合要求下的圍堰快速施工技術(shù)研究，為大壩深覆蓋層施工贏得時(shí)間。③大壩施工期安全風(fēng)險(xiǎn)與成本風(fēng)險(xiǎn)協(xié)同控制技術(shù)。研究不確定因素對(duì)安全與成本目標(biāo)的影響以及二者本身之間的相互影響，對(duì)施工方案進(jìn)行綜合均衡優(yōu)化。④大壩施工期安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估技術(shù)。研究各施工階段因超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率與風(fēng)險(xiǎn)損失的對(duì)應(yīng)關(guān)系，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)大壩施工期的風(fēng)險(xiǎn)程度，為提前采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施和提高大壩施工期的安全水平提供依據(jù)。⑤大壩分期分區(qū)壩面施工規(guī)劃。合理分區(qū)填筑，加快施工進(jìn)度。⑥大壩施工總進(jìn)度及快速施工技術(shù)。開(kāi)展施工總進(jìn)度和合理工期研究，為早日實(shí)現(xiàn)工程效益提供支持。

2.4 筑壩料源與土石方平衡技術(shù)

包括4 個(gè)課題：①心墻料挖掘、堆存技術(shù)。在大壩填筑作業(yè)面附近進(jìn)行一定量的心墻料的儲(chǔ)存，研究?jī)?chǔ)存期間含水率變化、裝卸分離等關(guān)鍵問(wèn)題。②反濾料生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)。開(kāi)展系統(tǒng)運(yùn)行作業(yè)、毛料粒徑控制、半成品調(diào)料倉(cāng)大小和變頻啟動(dòng)循環(huán)水利用等技術(shù)研究，有利于節(jié)能減排。③筑壩材料工程特性與施工技術(shù)研究。通過(guò)不同土料的科學(xué)試驗(yàn)，得出合理的土料摻礫級(jí)配及含水量指標(biāo)，滿足心墻土料的強(qiáng)度、抗?jié)B要求。④筑壩料多源、多料種綜合利用。結(jié)合不同施工階段各施工部位開(kāi)挖填筑特點(diǎn)、料場(chǎng)布置、料場(chǎng)開(kāi)采計(jì)劃以及各堆石料、過(guò)渡料、反濾料級(jí)配要求等因素，開(kāi)展土石壩施工多料源的調(diào)配研究，提高開(kāi)挖料的利用率。

2.5 土石壩施工智能化控制技術(shù)

包括7個(gè)課題：①施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)。主要有心墻料上壩前含水量檢測(cè)、施工現(xiàn)場(chǎng)砂礫石壓實(shí)度及含水率偏差快速檢測(cè)技術(shù)、與壩體填筑區(qū)物料分布差異性大相關(guān)實(shí)測(cè)技術(shù)研究等。②大壩施工期安全監(jiān)測(cè)、分析技術(shù)。建立基于GIS的土石壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，研究建立進(jìn)行大壩變形、沉降、滲流等安全監(jiān)測(cè)布置的三維可視化模型。③水庫(kù)施工現(xiàn)場(chǎng)安全智能管理系統(tǒng)。為保障工程現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)，對(duì)在場(chǎng)人員設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、危險(xiǎn)預(yù)警需要采用自動(dòng)檢測(cè)智能化管理系統(tǒng)。④大壩數(shù)字仿真分析。建立大壩沉降預(yù)測(cè)變形模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工起到一定的指導(dǎo)作用。⑤施工過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真輔助調(diào)度系統(tǒng)。便于科學(xué)地組織調(diào)配施工資源以及對(duì)未來(lái)施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。⑥筑壩料智能物流、智能碾壓施工技術(shù)。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)度指揮和信息跟蹤、反饋。⑦碾壓設(shè)備無(wú)人駕駛遠(yuǎn)程控制技術(shù)，促進(jìn)施工機(jī)械的智能化發(fā)展。

2.6 物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)

包括6 個(gè)課題：①開(kāi)展視頻監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合水情測(cè)報(bào)、大壩安全監(jiān)測(cè)、水庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為防洪調(diào)度和安全防護(hù)等決策提供更直觀、豐富的信息。②庫(kù)區(qū)洪水預(yù)報(bào)及水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)合庫(kù)水容量信息，綜合考慮水庫(kù)的發(fā)電、灌溉，航運(yùn)等興利目標(biāo)，構(gòu)建大壩防洪調(diào)度系統(tǒng)。建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，保證入庫(kù)水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)突發(fā)性污染事故快速反應(yīng)能力。③閘門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟系統(tǒng)。對(duì)閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入探索，結(jié)合本工程提出一套精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)安全的閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。④大壩運(yùn)行期風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)。研究定量分析在發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水的條件下，不同調(diào)度方案可能造成的事故概率與事故后果，合理確定防洪調(diào)度方案。⑤土石壩與近壩邊坡安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。研制構(gòu)建一套土石壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)，研發(fā)滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提前預(yù)報(bào)滑坡的發(fā)生，避免大規(guī)模的滑坡影響水庫(kù)的安全運(yùn)行。⑥系統(tǒng)集成研究。基于設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行各子系統(tǒng)模塊，集成為“前坪水庫(kù)建設(shè)管理與高效運(yùn)行系統(tǒng)”，掌握工程運(yùn)行狀況，進(jìn)行工程安全預(yù)報(bào)和預(yù)警。

3 實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 加強(qiáng)組織協(xié)調(diào)

在科研大綱的框架下，建管局同清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)水利科學(xué)研究院、南京水利科學(xué)研究院、鄭州大學(xué)、華北水利水電大學(xué)、省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司、省水利勘測(cè)有限公司、省水利科學(xué)研究院及各工程參建單位等建立協(xié)調(diào)機(jī)制，開(kāi)展監(jiān)督評(píng)估、動(dòng)態(tài)調(diào)整等工作。制定專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施政策。根據(jù)專(zhuān)項(xiàng)課題攻關(guān)計(jì)劃，成立由業(yè)內(nèi)專(zhuān)家組成的專(zhuān)家委員會(huì)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外科技前沿動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)提出咨詢意見(jiàn)，確保課題的高效開(kāi)展。

3.2 健全管理制度

充分發(fā)揮專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)在專(zhuān)項(xiàng)過(guò)程管理中的優(yōu)勢(shì)，健全專(zhuān)業(yè)化機(jī)構(gòu)的管理職能，確保專(zhuān)項(xiàng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。按照專(zhuān)項(xiàng)涉及的領(lǐng)域及內(nèi)容，制定專(zhuān)項(xiàng)管理工作方案，規(guī)范項(xiàng)目受理、評(píng)審、立項(xiàng)、過(guò)程管理及驗(yàn)收等工作。加強(qiáng)科技成果評(píng)價(jià)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理，加強(qiáng)課題經(jīng)費(fèi)監(jiān)督審議，建立科技誠(chéng)信和責(zé)任倒查機(jī)制。

3.3 加快成果轉(zhuǎn)化

建立一批監(jiān)測(cè)預(yù)警與防范示范工程區(qū)段，充分利用工程事故應(yīng)急預(yù)案機(jī)制，促進(jìn)研究成果在工程建設(shè)與高效運(yùn)行管理實(shí)際工作中的應(yīng)用與推廣。落實(shí)科技成果使用處置和收益政策，調(diào)動(dòng)參建單位從事科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用的積極性。

3.4 促進(jìn)信息共享

統(tǒng)籌監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，完善數(shù)據(jù)共享機(jī)制及辦法，建立跨單位的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，推進(jìn)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)共享，為科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)多種形式，交流與討論科研最新成果，公布研究成果。

4 實(shí)施步驟

前坪水庫(kù)科研分三期進(jìn)行。第一期主要啟動(dòng)為設(shè)計(jì)服務(wù)的科研內(nèi)容以及部分施工方面的科研內(nèi)容，第二期啟動(dòng)發(fā)布以施工階段相關(guān)的科研內(nèi)容為主，第三期以發(fā)布水庫(kù)運(yùn)行管理科研任務(wù)為主，開(kāi)展水庫(kù)高效運(yùn)行的系統(tǒng)建設(shè)方面的科研工作和集成大數(shù)據(jù)信息平臺(tái)的研究。

5 結(jié)語(yǔ)

前坪水庫(kù)通過(guò)33 個(gè)課題的科研攻關(guān)，解決了工程各個(gè)建設(shè)階段的技術(shù)難題，建立了建設(shè)管理與高效運(yùn)行整體系統(tǒng)。這套系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通訊、計(jì)算機(jī)控制等新近高科技成果，由設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行三個(gè)子系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)組織、管理前坪水庫(kù)建設(shè)管理以及以后高效運(yùn)行的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將前坪水庫(kù)打造為“互聯(lián)網(wǎng)+水利工程”的一個(gè)典范。研究成果形成論文、論著、國(guó)家專(zhuān)利及標(biāo)準(zhǔn)等，在為前坪工程安全、高效、快速建設(shè)提供綜合保障的同時(shí)，對(duì)中國(guó)土石壩信息化建設(shè)起到了促進(jìn)作用。