混凝土壩智能監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及在高海拔大溫差地區(qū)的應用

黃 燕，范志勇，王振紅，黃 濤，劉有志

（1.內蒙古引綽濟遼有限責任公司，內蒙古 烏蘭浩特 137400；2.華能西藏發(fā)電有限公司，四川 成都 610200；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 研究背景

目前我國大型水電資源開發(fā)重心已向云南、四川、西藏等高海拔、高寒地區(qū)轉移，藏木水電站是我國西藏的第一座裝機在50萬千瓦時以上的大型電站，低溫季節(jié)晝夜溫差超過25℃、嚴寒時間長、氣候干燥、年溫差小而日溫差大、年平均溫度低、日照豐富而多大風是本工程的基本氣候特征。與低海拔、溫暖濕潤地區(qū)的常規(guī)混凝土壩相比，藏木混凝土大壩這種特殊的氣候條件使得其在施工期及運行期需要采取的溫控防裂措施和施工質量監(jiān)控手段更為特殊，溫控防裂措施將更要有針對性，工程施工質量監(jiān)控手段更應科學化、智能化，如此方能保證大壩施工安全[1]。

目前我國在高寒、高海拔地區(qū)筑壩積累了一定的經驗，但還不成熟，系統(tǒng)性不強，尚缺乏此類地區(qū)針對性的溫控防裂標準和智能監(jiān)控手段。大多數工程傳統(tǒng)的做法是采用旁站監(jiān)理和施工技術人員依據現(xiàn)場檢測數據和監(jiān)測資料，結合經驗和規(guī)范要求，對施工質量和工作性態(tài)進行監(jiān)控。但是由于監(jiān)測和檢測數據存在不全面、不及時、不真實、現(xiàn)場人員經驗缺乏，現(xiàn)場實施出現(xiàn)問題后也缺乏有效的實時調控手段等諸多問題，施工質量和工作性態(tài)監(jiān)控仍是大壩施工管理的一大難題[2]。

在這樣的背景下，中國水科院科研團隊在系統(tǒng)總結國內數十座混凝土壩溫控防裂經驗的基礎上，提出了大體積混凝土防裂動態(tài)智能溫控理論與方法[1-3]?；谧詣踊O(jiān)測、GPS、無線傳輸、網絡與數據庫、信息挖掘、數值仿真、自動控制等技術，研究解決大體積混凝土溫控監(jiān)控智能化所面臨的一系列關鍵技術難題，研發(fā)了一整套包括硬件和軟件在內的大體積混凝土防裂智能溫控系統(tǒng)，并在高海拔大溫差地區(qū)的藏木工程中得到成功應用。

2 智能監(jiān)控方法的提出

2.1 智能監(jiān)控基本思路2007年，朱伯芳院士首次提出了混凝土壩數字監(jiān)控的理念[4]，該理念提出了將儀器監(jiān)測與數字仿真相結合，解決了長期以來大壩施工期工作性態(tài)儀器監(jiān)控與數字仿真相脫離的問題，在魯地拉、錦屏一級拱壩和溪洛渡拱壩得到應用[5-7]，對于提高大壩施工質量、減少裂縫產生起到了非常重要的促進作用。然而，數字監(jiān)控方法仍然存在明顯的不足，主要反映在兩個方面：（1）數字監(jiān)控沒有實現(xiàn)溫控信息采集、溫控信息傳輸與管理、溫控仿真分析、溫控預警與反饋控制的全自動化，溫控數據自動采集也僅限于溫度監(jiān)測數據，尚未形成完整閉環(huán)系統(tǒng)；（2）無法對混凝土溫控過程進行實時監(jiān)控和自動干預，需要基于有經驗的溫控專家現(xiàn)場仿真分析后才能對溫控實施情況進行有效評估和風險預測，應用推廣受限于溫控專家的水平和數量，動態(tài)調控工作不實時、不智能。

基于這種現(xiàn)狀，在現(xiàn)有方法與技術的基礎上，考慮到儀器監(jiān)測和數值仿真各自的優(yōu)勢和不足，提出了智能監(jiān)控的理念，其基本思想是：以儀器監(jiān)測數據和數值仿真技術為基礎，充分運用自動化監(jiān)測技術、GPS技術、無線傳輸技術、網絡與數據庫技術、信息挖掘技術、數值仿真技術、自動控制技術，實現(xiàn)具備溫控信息實時采集與實時傳輸、溫控信息自動管理與評價、溫度應力自動分析與反分析、溫控措施實時反饋與自動控制以及開裂風險實時預警等功能的系統(tǒng)監(jiān)控方法，從而實現(xiàn)大壩混凝土的智能監(jiān)控。

智能監(jiān)控方法是數字監(jiān)控方法的升華，在數字監(jiān)控方法的基礎上增加了溫控信息的實時采集與自動傳輸、施工期通水冷卻過程的智能控制與管理、溫控信息及安全風險預警信息的智能化發(fā)布等功能和內容。解決了傳統(tǒng)監(jiān)控方面“不實時、不真實、不系統(tǒng)”的問題，可實現(xiàn)設計溫控要求下大壩施工及運行全過程工作性態(tài)與安全風險的實時智能控制與管理。

2.2 智能監(jiān)控的內涵及關鍵功能智能監(jiān)控實質上是基于儀器監(jiān)控，利用當前的現(xiàn)代化科技手段，建立大壩的智能監(jiān)控模型，從大壩開工到運行，不斷進行反分析、仿真分析、安全評估和預報，對大壩工作性態(tài)進行真實模擬、可信預測以及實時控制，為大壩施工質量控制和運行管理提供動態(tài)決策支持。其內涵及作用主要反映在以下幾個方面：（1）智能監(jiān)控是將儀器監(jiān)控、數值仿真與智能控制相結合的一種方法，其基本內涵是對監(jiān)測資料的實時統(tǒng)計分析、對全壩進行全過程進行實時跟蹤反饋仿真分析與風險預警，根據反饋分析結果實現(xiàn)溫控防裂措施的自動-智能控制。（2）智能監(jiān)控模型要盡可能模擬大壩真實工作性態(tài)，材料變形要考慮彈性變形、徐變和非線性變形，要考慮各種縫的非線性作用，荷載要考慮溫度、自重、水壓力、滲流場及地應力等，參數要根據監(jiān)測資料進行動態(tài)反演。（3）智能監(jiān)控要具備預報預警功能，即：根據當時實際狀態(tài)和預訂的計劃措施，預報后續(xù)施工期及運行期的溫度場、應力場和安全系數。（4）智能監(jiān)控最重要的是要具備自動控制功能，即可以根據大壩的實際狀態(tài)及理想控制模式進行自動調整與控制，使得大壩工作性態(tài)始終處于一種可控的狀態(tài)。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

基于智能監(jiān)控的思想與內涵，在解決理想溫度過程線模型建立、監(jiān)測數字智能采集與傳輸、高速反饋仿真分析技術開發(fā)、智能通水控制硬件及軟件開發(fā)、安全風險預報預警功能開發(fā)等一系列關鍵技術問題的基礎上，研究開發(fā)出一套包括硬件和軟件在內的、具有8個功能模塊的智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)全壩施工全過程溫控防裂的智能監(jiān)控。智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)原理與架構如圖1所示。

3.1 提出了理想溫度過程線的制定及實現(xiàn)方法所謂理想溫度過程線，是指如圖2所示的大壩混凝土在冷卻過程中所遵循的一條降溫曲線，按照這條曲線進行降溫，大壩混凝土由于溫度變化導致的開裂風險相對最小。按照碾壓混凝土重力壩、常態(tài)混凝土重力壩、碾壓混凝土拱壩和常態(tài)混凝土拱壩分類提出了不同的理想溫度控制曲線模型[8]。

3.2 開發(fā)出智能監(jiān)控成套信息采集設備，實現(xiàn)了數據采集的定量、定時、定點根據已有工程的經驗，傳統(tǒng)意義上片面強調對基礎溫差和最高溫度的控制不足以保證溫度應力處于較低狀態(tài)，需要對溫度時間梯度和空間梯度進行全過程控制。為此，本系統(tǒng)提出了溫控全要素監(jiān)測的概念，提出了智能溫控系統(tǒng)中應該監(jiān)測的溫控要素，這些溫控要素包括出機口溫度、澆筑溫度、入倉溫度、大壩內部溫度發(fā)展過程、水管通水流量、通水水溫、溫度梯度、降溫速率、氣溫及太陽輻射熱等。同時，還提出了與智能溫控相配套的安全監(jiān)測系統(tǒng)布設原則，以及溫度分布、溫度梯度及保溫效果監(jiān)測方法。

圖1 智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)原理與架構

圖2 不同類型壩體理想溫度過程線

為此開發(fā)了一整套包括數字溫度計、數字溫度梯度儀、數字動態(tài)測溫儀、入倉和澆筑溫度采集儀和倉面環(huán)境要素監(jiān)測裝置在內的信息數據采集設備。

3.3 開發(fā)出現(xiàn)場海量數據傳輸設備，實現(xiàn)了海量施工與溫控數據的實時傳輸大壩混凝土施工條件較為惡劣，并且要監(jiān)測的混凝土溫控信息量非常巨大，采集的方式及位置都不一樣，不可能用一種數據通訊方式完成溫控信息的傳輸，并且不同的傳輸方式還要考慮施工干擾、缺少強電、惡劣氣候、大型機電設備的電磁干擾等不利因素的影響，因此，研究惡劣施工條件下的、數據實時傳輸可靠性高的大容量混凝土溫控信息的數據網絡搭建技術與系統(tǒng)是非常必要的。基于此，本系統(tǒng)研發(fā)了基于RSB485總線與ZigBee無線等多手段相結合的大容量數據無線實時傳輸裝置，該裝置能夠適應復雜的現(xiàn)場施工環(huán)境，見圖3所示。

3.4 開發(fā)出智能通水成套設備與控制軟件考慮現(xiàn)場復雜的施工環(huán)境，研發(fā)溫控防裂智能通水子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括水溫與流量監(jiān)測設備、智能溫度預測與控制模型、通水流量自動控制設備、水管流量自動換向裝置等部分，基于實時溫度監(jiān)測信息，依據設定的降溫幅度和降溫速率等目標，自動計算出所需的通水水溫和流量，并按照計算值自動控制，達到智能通水的目的。

圖3 智能監(jiān)控數據傳輸設備

該子系統(tǒng)的核心是混凝土智能通水反饋控制模塊和通水流量自動控制裝置。通水流量自動控制裝置應當具有無線自動接收通水指令的功能，而且還能滿足在復雜施工條件下進行正常運行的功能，包括防水、耐腐蝕等方面的功能，基于此研發(fā)了集高精度數字測溫技術、可靠的流量測量與控制技術為一體的測控裝置，見圖4所示。

圖4 智能通水控制系統(tǒng)技術框圖

3.5 開發(fā)出混凝土溫度、應力場高效仿真分析軟件開發(fā)了混凝土溫度、應力場高效仿真分析軟件，實現(xiàn)了大壩施工到運行全過程實時跟蹤仿真分析，可以及時預測未來溫度、應力變化規(guī)律和提出防裂所需采取的措施、通水控制參數等，既可以對開裂風險進行預測預報，又可以為智能通水提供控制參數[9]，見圖5所示。

圖5 高速仿真分析系統(tǒng)模塊

3.6 大體積混凝土智能保溫關鍵技術與系統(tǒng)研發(fā)在統(tǒng)一的平臺下，基于混凝土表面開裂風險預測預警模型與方法，研究開發(fā)了智能保溫監(jiān)控子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)的應用流程如下：（1）建立全壩模型，每天根據數據庫中的施工信息掃描臨空面；（2）提取已經預先計算得到的長周期表面溫度應力信息；（3）獲取一周的天氣預報信息，根據不同臨空面澆筑倉混凝土的齡期進行短周期表面溫度應力計算；（4）將長周期應力與短周期應力疊加得到表面應力；（5）根據預先設定相應齡期的混凝土強度信息，計算不保溫時的抗裂安全系數；（6）如安全系數不滿足要求，則根據設計要求的最低安全系數反算出需要采取的保溫措施（保溫板厚度）；（7）將溫控施工建議發(fā)送至相關施工與管理人員手機中。

3.7 混凝土開裂風險實時預警關鍵技術與系統(tǒng)研發(fā)提出了基于實時監(jiān)測數據和仿真分析成果進行開裂風險預警的方法和模型，實現(xiàn)混凝土開裂風險的實時預警。主要包括：（1）考慮不同結構型式（混凝土壩類型）特點，研究基于實時監(jiān)測數據和仿真分析成果進行開裂風險判斷和預警的方法，包括不同的開裂風險計算模型、開裂風險預警項目與指標體系、預警準則確定方法等，初步考慮可進行澆筑溫度超標預警、最高溫度超標預警、上下層溫差預警、降溫速率報警和超冷報警等。（2）考慮拱壩、重力壩、碾壓混凝土壩不同壩型的溫控特點，采用統(tǒng)計分析和仿真分析方法，研究混凝土壩溫控預警模型和相應的準則，開發(fā)預警預報與決策支持子系統(tǒng)，基于實時的溫控信息，可實現(xiàn)溫控超標項和開裂風險的預警，溫度發(fā)展過程的預報，超標后處理措施的擬定等。

3.8 集成開發(fā)了混凝土壩智能監(jiān)控系統(tǒng)在上述典型模塊和關鍵技術問題研發(fā)的基礎上，系統(tǒng)集成開發(fā)了混凝土壩智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息獲取、傳輸、仿真模擬、預警預報、智能控制、智能保溫、風險預警、預報等功能的系統(tǒng)平臺。

4 工程應用

4.1 工程概況藏木水電站是雅魯藏布江干流中游桑日至加查峽谷段規(guī)劃5級電站的第4級，上游銜接街需電站，下游為加查電站，為二等大（2）型工程。工程位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣境內，大壩為混凝土重力壩。壩頂高程3314.0 m，建基面最低高程為3198.0 m，正常蓄水位3310.0 m，壩頂總長387.5 m。最大壩高116.0 m。大壩共分19個壩段，順河向最大底寬88 m（中間設縱縫一條），橫河向壩寬一般為19～21 m，最大壩寬27 m（10#壩段）。藏木大壩工程所在地區(qū)年平均溫度9.2℃，極端最高氣溫32℃，最低氣溫-16.7℃，年平均晝夜溫差15.8℃，低溫季節(jié)最大晝夜溫差常在25℃以上，低溫季節(jié)月平均濕度在30%以下。

4.2 現(xiàn)場系統(tǒng)實施情況結合藏木工程現(xiàn)場實際施工和冷卻降溫情況，考慮到10#壩段為廠房壩段，是大壩寬度最寬的壩段（27 m），結構復雜，綜合防裂難度最大，同時是本工程建基面最低的壩段，其冷卻通水模式可為兩側其他壩段提供借鑒作用，故選擇10#壩段作為典型壩段進行現(xiàn)場實驗，通過對10#壩段智能通水降溫的控制實驗，來指導其他壩段的通水冷卻。

如圖6所示，將現(xiàn)場開發(fā)的施工信息管理系統(tǒng)、自動化監(jiān)測系統(tǒng)、智能通水軟件控制系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)進行整合，并在現(xiàn)場開始實施通水智能控制，智能通水控制系統(tǒng)總工作路線如圖7所示。

圖6 智能監(jiān)控系統(tǒng)模塊

圖7 藏木大壩智能溫控管理系統(tǒng)實施路線

4.3 理想溫度過程線的確定藏木大壩為常態(tài)混凝土重力壩，大壩設有縱縫，施工期需接縫灌漿。根據大壩現(xiàn)場水管冷卻降溫規(guī)劃，大壩冷卻包括一期、中期和二期3個階段，其中一期冷卻目標溫度20℃，中期冷卻目標溫度15℃，二期冷卻目標溫度為接縫灌漿溫度9℃。

圖8 理想溫度過程線

圖9 智能通水控制設備與軟件現(xiàn)場布置

圖10 典型斷面數字溫度監(jiān)測布置（單位：m）

圖11 實施過程中典型倉混凝土實測溫度與理想過程線對比

依據這一設計溫降準則和標準，對10#壩段需要進行智能通水控制的澆筑倉的理想過程線進行研究，得到大壩混凝土典型理想過程線如圖8。

4.4 現(xiàn)場監(jiān)控設備布置情況由于藏木大壩的所有冷卻水管進出口均設計在大壩廊道內部，因此，智能控制系統(tǒng)的智能控制單元及相關的測量裝置均安裝在廊道內部10#壩段區(qū)域，通過電纜線與位于17#壩段下游側控制室的軟件控制系統(tǒng)（服務器）相聯(lián)（圖9），從而形成一個智能通水控制的封閉環(huán)路?，F(xiàn)場共布置測控單元15套，流量計和電磁閥各60套，數字式溫度計60支，布置如圖10所示。

4.5 智能控制應用效果大壩混凝土智能通水控制系統(tǒng)在藏木工程得以順利的實施，并在以下幾個方面為工程現(xiàn)場施工與溫控防裂工作發(fā)揮了重要作用。

（1）實現(xiàn)了對10#壩段混凝土內部溫度和通水流量的全過程實時自動智能監(jiān)控（圖11），有效保證了現(xiàn)場水管冷卻通水信息和大壩混凝土溫度信息的實時入庫與資料共享，為大壩實時了解混凝土內部降溫規(guī)律、冷卻水溫、以及通水流量等關鍵信息提供了可視化展示平臺；（2）智能通水的實施為現(xiàn)場水管冷卻通道的盡早改造與調整提供了理論依據，為確保溫降速率，實現(xiàn)提前達到預期接縫灌漿目標溫度和進度爭取了充足的冷卻時間；（3）智能通水設備的采用為其他壩段現(xiàn)場冷卻降溫措施的優(yōu)化選擇及調整提供了實時的參考依據；（4）系統(tǒng)運行期間，其他壩段通水均有效的借鑒了10#壩段的冷卻方式，整個澆筑過程沒有因為冷卻不當而出現(xiàn)裂縫、為大壩后期安全運行提供了重要保障；（5）智能控制系統(tǒng)的可行性和適用性得到驗證。智能通水系統(tǒng)在藏木大壩的實驗性運行期間，10#壩段溫降速率、上下層溫差、內外溫差均控制在較為安全的范圍之內，驗證了該智能控制系統(tǒng)的可行性和有效性，尤其是面對藏木這種惡劣天氣條件和多種不利的現(xiàn)場通水環(huán)境條件下（水質差、壓差不穩(wěn)定、設備安裝廊道條件差、經常出現(xiàn)停電、淹沒廊道、夜間氣溫低至-15℃以下等不利因素）仍可實現(xiàn)正常運行，證實系統(tǒng)的實用性；（6）藏木智能通水現(xiàn)場應用的成功為其他類似工程的現(xiàn)場通水智能化控制和質量安全管理提供了一個示范工程。

5 結論

（1）智能化控制是對目前“數字化”大壩溫控防裂安全管理模式的重大補充，是大壩安全控制由“數字控制”向“智能控制”的重大突破。（2）混凝土壩防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個系統(tǒng)管控平臺，具有信息獲取、傳輸、仿真模擬、智能控制、智能保溫、風險預警、預報等功能。（3）智能監(jiān)控系統(tǒng)在藏木工程取得成功應用，表明了該套系統(tǒng)在復雜地區(qū)、惡劣環(huán)境下的適用性，可以在大壩施工期溫控防裂控制與管理工作中發(fā)揮重大作用，并具備廣闊的推廣應用前景。