大體積混凝土防裂智能監(jiān)控技術(shù)及工程應(yīng)用

桑 亮

（北京市南水北調(diào)工程建設(shè)管理中心，北京 100195）

1 大體積混凝土大壩建設(shè)存在的問題

據(jù)統(tǒng)計(jì)我國近幾年建成了許多特高混凝土壩，例如拉西瓦、龍灘、溪洛渡大壩等,這些特高混凝土壩的建立在很大程度的緩解了我國電力緊缺的問題，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保障。同時(shí)在修建這些特高混凝土壩的過程中也存在許多的施工難點(diǎn)，裂縫控制就是其中的一項(xiàng)。隨著我國水電大壩項(xiàng)目的增多，已逐步形成一套比較系統(tǒng)的大體積混凝土溫控防裂措施,但大壩出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象依舊普遍存在，特別是一些大體積混凝土還是很容易出現(xiàn)裂縫?；炷脸霈F(xiàn)裂縫的原因有很多種,如工程結(jié)構(gòu)不合理、材料使用不當(dāng)、施工控制不到位等均能引起,在這些原因中，最重要的一點(diǎn)是裂縫信息獲取的遲緩而且不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生后的溫控措施實(shí)施不夠及時(shí)，導(dǎo)致大壩出現(xiàn)安全隱患[1～2]。

隨著中國加大對信息智能技術(shù)、數(shù)字模擬仿真技術(shù)的科學(xué)研究，大體積混凝土大壩的防裂控制有了新的思路。本文根據(jù)大體積混凝土存在的裂縫問題,提出了“九三一冶”的混凝土溫度控制要求,具體“九”即混凝土早保護(hù)、小溫差、慢冷卻；“三”代表三期冷卻；“一”代表智能監(jiān)控。在進(jìn)行水利大壩施工時(shí)，通過貫徹“九三一冶”溫度控制要求,配合智能監(jiān)控技術(shù)，可以很大程度的預(yù)防解決大體積混凝土的裂縫問題[3～5]。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)

智能監(jiān)控系統(tǒng)是集圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為一體的人工智能系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對獲取的視頻信息進(jìn)行準(zhǔn)確判斷識(shí)別，快速檢測定位事故現(xiàn)場，找出監(jiān)測視頻內(nèi)的異常片段，并進(jìn)行保存?zhèn)鬏數(shù)街醒胩幚砥魃希瑢?shí)現(xiàn)異常情況的提前預(yù)警。智能監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)全天候、全自動(dòng)的智能監(jiān)控。按其不同的功能可以分為感知、互聯(lián)、分析決策和控制這四大塊，具體的構(gòu)成流程見圖1。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

智能監(jiān)控系統(tǒng)有兩個(gè)層面，一個(gè)是監(jiān)測，一個(gè)是控制。監(jiān)測即是通過感知系統(tǒng)對影響大體積混凝土大壩開裂的溫度因素的施工流程和工程運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；控制即是對影響大體積混凝土壩開裂的溫度因素進(jìn)行提前智能控制防御?；炷练懒阎悄鼙O(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場具體控制流程圖見圖2。施工中應(yīng)選擇合適的控制點(diǎn)布置數(shù)字溫度計(jì)等監(jiān)測設(shè)備，用于監(jiān)測各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)溫度和混凝土的狀態(tài)，將所有環(huán)節(jié)的施工材料溫度控制在工程要求范圍內(nèi)。

圖2 大體積混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場工作流程

2.1 智能監(jiān)控感知部分

感知就是利用專業(yè)的數(shù)字測溫設(shè)備（數(shù)字溫度計(jì)、紅外線溫度計(jì)等）進(jìn)行施工各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在進(jìn)行具體施工時(shí)，確定12 個(gè)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控測溫，分別為太陽照射氣溫、入倉溫度、機(jī)口溫度、材料溫度、澆筑溫度、進(jìn)出口水溫、水管壓差、三期溫度、最高溫度、內(nèi)外溫差、上下層溫差、降溫速率等。在施工時(shí)通過對這12 個(gè)施工點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，能夠準(zhǔn)確監(jiān)測混凝土的具體施工情況，大幅度降低混凝土的開裂。但是有些施工溫度智能監(jiān)控存在局限，這時(shí)則需要人工采集溫度數(shù)據(jù)，例如機(jī)口的溫度、混凝土澆筑時(shí)的溫度等。

2.2 智能監(jiān)控互聯(lián)部分

互聯(lián)是通過信息化技術(shù)建立各監(jiān)控設(shè)備之間的連接，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的信息傳輸，使混凝土施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫控?cái)?shù)據(jù)能夠得到及時(shí)的控制，如果在施工過程中有異?，F(xiàn)象能夠及時(shí)傳輸?shù)街醒胩幚砥鳎唧w智能互聯(lián)運(yùn)作方式見圖3。

圖3 大體積混凝土防裂智能互聯(lián)結(jié)構(gòu)

圖4 是大體積混凝土澆筑的數(shù)據(jù)傳輸方式。從圖4 可以看出大體積混凝土在進(jìn)行澆筑是需要進(jìn)行溫度控制，采用溫度測溫儀進(jìn)行測量，測溫儀與PDA（移動(dòng)終端）之間的連接是通過藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，PDA 和數(shù)據(jù)終端處理器之間的連接是通過WIFI 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳輸。設(shè)備之間通過網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，將大壩混凝土澆筑現(xiàn)場的實(shí)時(shí)溫度傳輸?shù)椒?wù)器上，實(shí)現(xiàn)施工流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖4 大體積混凝土澆筑的數(shù)據(jù)傳輸方式

2.3 智能監(jiān)控分析決策部分

智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)的分析決策,是將智能監(jiān)控感知到的信息通過智能監(jiān)控互聯(lián)傳輸?shù)交ヂ?lián)的中央處理器上，通過一系列的分析預(yù)測，最終得到數(shù)據(jù)分析結(jié)果。智能監(jiān)控的分析決策系統(tǒng)的建立需要6 個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的支持，通過模型間的獨(dú)立運(yùn)作和相互配合，實(shí)現(xiàn)大體積混凝土施工時(shí)實(shí)時(shí)溫度狀態(tài)的數(shù)據(jù)捕獲，并對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)和提前預(yù)測。SAPTIS仿真分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)全過程、多場耦合仿真分析，可以模擬大體積混凝土工程自工程開挖、施工、建設(shè)、運(yùn)行全過程各環(huán)節(jié)的滲流場、溫度場和應(yīng)力場的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制, 做到大壩建設(shè)期間和運(yùn)行時(shí)期的狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)評(píng)估；溫度和流量預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過控制表面散熱、內(nèi)部發(fā)熱、通水帶熱、相鄰模塊傳熱等因素對工程施工的影響進(jìn)而預(yù)測工程的未來溫度變化，提出最新的通水控制參數(shù)，還可以利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對當(dāng)前的溫度和流量進(jìn)行修正；開裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)對大壩工程的開挖、施工、建設(shè)、運(yùn)行全過程各環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤反演仿真分析，及時(shí)提前預(yù)測溫度和應(yīng)力的數(shù)據(jù)變化，然后對開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果提出預(yù)警；表面保溫預(yù)測系統(tǒng)綜合考慮實(shí)測氣溫、天氣預(yù)報(bào)、混凝土內(nèi)部溫度等數(shù)據(jù)信息，根據(jù)大壩實(shí)際混凝土澆筑情況實(shí)時(shí)監(jiān)控混凝土暴露面,計(jì)算暴露面的周期應(yīng)力的數(shù)據(jù)，對應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析結(jié)合采用的保溫材料參數(shù)數(shù)據(jù),最終確定混凝土是否保溫及確定保溫的方案；理想溫度過程線系統(tǒng)是在工程要求的溫控標(biāo)準(zhǔn)下，針對不同的大壩特點(diǎn)、不同的壩體分區(qū)制定（遵循溫度應(yīng)力最小原則）個(gè)性化溫度控制曲線；溫控效果評(píng)價(jià)系統(tǒng)是通過建立溫控評(píng)估表格和圖形，進(jìn)行直觀的數(shù)據(jù)對比分析，對工程施工質(zhì)量進(jìn)行全面的評(píng)估。

2.4 智能監(jiān)控控制部分

在進(jìn)行大體積混凝土智能監(jiān)控時(shí)，其控制部分包括智能控制和人工干預(yù)。

智能小環(huán)境子系統(tǒng)對大體積混凝土施工現(xiàn)場的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，然后控制倉內(nèi)的小環(huán)境設(shè)備比如噴霧機(jī)等,利用這些設(shè)備調(diào)整倉面小環(huán)境的溫度，使其滿足混凝土澆筑的工程要求。智能養(yǎng)護(hù)子系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測獲取的大體積混凝土表面和內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，然后對設(shè)備進(jìn)行控制（花管養(yǎng)護(hù)、流水養(yǎng)護(hù)設(shè)備）。智能通水子系統(tǒng)主要是基于監(jiān)測設(shè)備實(shí)測數(shù)據(jù)按照提前制定的標(biāo)準(zhǔn)化溫控曲線要求通過運(yùn)用預(yù)測分析模型,利用自動(dòng)控制設(shè)備對通水方向、水溫、流量進(jìn)行控制。以上三個(gè)系統(tǒng)都可以進(jìn)行智能控制。

預(yù)警發(fā)布及干預(yù)反饋是根據(jù)實(shí)時(shí)獲取施工的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后利用智能監(jiān)控的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,得出的分析數(shù)據(jù)不符合工程質(zhì)量要求進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警,并將預(yù)警信息傳輸至施工技術(shù)人員的終端設(shè)備上,然后進(jìn)行人工干預(yù)?，F(xiàn)場決策是通過會(huì)議、培訓(xùn)、報(bào)道等形式對溫度控制工作進(jìn)行總結(jié)。預(yù)警發(fā)布和干預(yù)反饋、施工現(xiàn)場決策需要人為進(jìn)行參與。

3 工程應(yīng)用

最早在2009 年時(shí)防裂智能監(jiān)控的一些功能在大體積混凝土大壩的建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，運(yùn)用此技術(shù)已建成的大壩有溪洛渡、藏木、魯?shù)乩裙こ?。圖5 是某工程剛建設(shè)完成的智能通水結(jié)果,此工程共設(shè)置了5 個(gè)感知量，分別為實(shí)測溫度、實(shí)測流量、目標(biāo)溫度、預(yù)測流量、預(yù)測溫度等，從圖5 可以看出,實(shí)測溫度、目標(biāo)溫度和預(yù)測溫度這三個(gè)數(shù)據(jù)誤差在工程允許范圍內(nèi)。

圖6 是運(yùn)用智能監(jiān)控系統(tǒng)對此工程的拱壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿長、短周期應(yīng)力疊加進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果顯示,從圖6 計(jì)算的結(jié)果可以確定“三進(jìn)三出”方案是此工程的最佳保溫方案。

圖5 智能通水結(jié)果

圖6 拱壩基礎(chǔ)固結(jié)灌漿工況長、短周期應(yīng)力疊加計(jì)算方案對比

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)應(yīng)用，為大體積混凝體溫控防裂技術(shù)提供了更多的可能。運(yùn)用智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠控制大體積混凝土施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括施工材料的提前預(yù)冷、混凝土制備、混凝土灌注、通水冷卻、表面養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié),很好地避免以往的施工方式帶來的施工誤差和人為帶來的施工不確定性。目前防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)在很多的大體積混凝土大壩的施工中取得很好的效果。具體的應(yīng)用實(shí)踐表明：智能監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控大體積混凝工程的施工和運(yùn)行過程，保證施工的每一步流程的溫度都在可控范圍內(nèi)，很好地預(yù)防大體積混凝土大壩裂縫的產(chǎn)生。