數(shù)字化大壩技術(shù)在縉云抽水蓄能電站工程中的應(yīng)用

田繼榮 黃成家 楊磊 李增煥 周碧云

摘要：針對(duì)抽水蓄能電站大壩填筑碾壓及基礎(chǔ)灌漿施工的特點(diǎn)和管理難點(diǎn)，基于智能感知和智能分析方法，提出了“1+1+1+N”的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系，建立了以數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用為核心的“及時(shí)預(yù)警→現(xiàn)場處置→線上消警”的施工質(zhì)量監(jiān)控體系，并將其應(yīng)用于浙江縉云抽水蓄能電站。應(yīng)用結(jié)果表明：構(gòu)建的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)的參建各方服務(wù)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的精細(xì)化管理。研究成果可為數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用與管理體系的實(shí)踐以及數(shù)字孿生抽水蓄能電站建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：

抽水蓄能電站； “1+1+1+N”； 數(shù)字化大壩； 精細(xì)化管理； 數(shù)字孿生

中圖法分類號(hào)：TV512

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.020

文章編號(hào)：1006-0081（2023）07-0116-06

0 引 言

抽水蓄能電站是助力“雙碳”目標(biāo)的重要途徑，2021年中國國家能源局發(fā)布《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃》，助力中國抽水蓄能電站建設(shè)，對(duì)電站建設(shè)管理水平和投產(chǎn)效率與質(zhì)量提出了更高的要求。2016年2月國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確提出了“智能發(fā)電”概念。在此背景下，中國眾多學(xué)者在抽水蓄能電站工程數(shù)字化、智能化建造，智慧化運(yùn)維管理方面進(jìn)行了廣泛探索。葉宏等［1］結(jié)合抽水蓄能電站數(shù)字化現(xiàn)狀和存在的問題，提出了數(shù)字化智能電站理念，并對(duì)數(shù)字化與智能化電站設(shè)計(jì)思路和架構(gòu)進(jìn)行了探索；陳寧等［2］研制開發(fā)了溧陽抽水蓄能電站施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制技術(shù)；李斌等［3］研發(fā)了數(shù)字化灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，提高了灌漿工程信息化管理水平；何錚等［4］對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下抽水蓄能電站智慧管理模式的發(fā)展進(jìn)行了一定的探索與實(shí)踐。

針對(duì)抽水蓄能電站數(shù)字化建設(shè)及智慧化運(yùn)維管理，國內(nèi)學(xué)者已有了一定的研究，對(duì)抽水蓄能電站的大壩填筑、灌漿工程等施工工藝采用了較為成熟的數(shù)字化手段進(jìn)行管理。但是目前針對(duì)抽水蓄能電站數(shù)字化建設(shè)管理的技術(shù)應(yīng)用相對(duì)單一，抽水蓄能電站規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工與運(yùn)營管理各個(gè)階段的技術(shù)應(yīng)用相互割裂，缺乏貫穿全生命周期的BIM+GIS全信息三維模型作為數(shù)據(jù)底板，需在此基礎(chǔ)上打造數(shù)字孿生抽蓄電站，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)對(duì)抽水蓄能電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營全生命周期的賦能。

本文針對(duì)浙江縉云抽水蓄能電站實(shí)際情況和存在的問題，從工程建設(shè)管理的角度，探討了“1+1+1+N”的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系在浙江縉云抽水蓄能電站的應(yīng)用。

1 工程背景

浙江縉云抽水蓄能電站位于浙江省麗水市縉云縣境內(nèi)，為Ⅰ等大（1）型工程，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建筑物組成，總裝機(jī)容量為1 800 MW。電站上、下水庫大壩均采用混凝土面板堆石壩，上水庫大壩最大壩高59.2 m，下水庫大壩最大壩高92.6 m。上下水庫大壩填筑總量約190萬m3。

為提高縉云抽水蓄能電站大壩施工管理的效率和水平，響應(yīng)智能發(fā)電要求，縉云抽水蓄能電站工程項(xiàng)目組針對(duì)縉云抽水蓄能電站大壩基礎(chǔ)處理及填筑碾壓的管理難點(diǎn)，充分利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、北斗/GPS定位技術(shù)、三維可視化技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的施工管理體系，開展數(shù)字化大壩關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐。

2 數(shù)字化大壩總體架構(gòu)

根據(jù)浙江縉云抽水蓄能電站大壩數(shù)字化施工管理與建設(shè)需求，結(jié)合工程數(shù)字化、智能化建造、智慧化運(yùn)營管理要求，構(gòu)建了面向數(shù)字化大壩建設(shè)與管理的“1+1+1+N”總體架構(gòu)，即1個(gè)數(shù)據(jù)資源管理中心+1個(gè)BIM+GIS融合的三維數(shù)字沙盤+1個(gè)數(shù)字化大壩施工管理平臺(tái)+大壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控、上壩運(yùn)料車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、大壩基礎(chǔ)灌漿數(shù)字化監(jiān)測以及施工期視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控等N項(xiàng)智能建造技術(shù)。 該技術(shù)體系的成功應(yīng)用，滿足了縉云電站工程管理監(jiān)控需求，提高了現(xiàn)場施工管理水平，成功實(shí)現(xiàn)了縉云電站大壩施工的“全過程、全范圍、全要素、全流程”精細(xì)化管理?！?+1+1+N”的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系總體架構(gòu)見圖1。

2.1 數(shù)據(jù)資源管理中心

根據(jù)縉云抽水蓄能電站數(shù)字化大壩功能業(yè)務(wù)的要求和特性，在一體化數(shù)據(jù)庫框架下，構(gòu)建了數(shù)據(jù)資源管理中心，為數(shù)字化大壩施工管理平臺(tái)、大壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控、上壩運(yùn)料車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、大壩基礎(chǔ)灌漿數(shù)字化監(jiān)測以及施工期視頻監(jiān)控等技術(shù)應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)服務(wù)和專題服務(wù)，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯聚、存儲(chǔ)和發(fā)布體系，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源的交互共享和標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)發(fā)布，為數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用提供統(tǒng)一、高效、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換和服務(wù)發(fā)布平臺(tái)。平臺(tái)包括數(shù)據(jù)資源維護(hù)管理、數(shù)據(jù)資源統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)與其他數(shù)據(jù)服務(wù)等。

2.2 基于BIM+GIS融合的三維數(shù)字沙盤

依托縉云抽水蓄能電站，基于HydroStation三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)和ProjectWise協(xié)同工作平臺(tái)，構(gòu)建了縉云抽水蓄能電站工程地質(zhì)、工程樞紐以及工廠三維精細(xì)化模型，實(shí)現(xiàn)了原生設(shè)計(jì)模型（非壓縮轉(zhuǎn)換）的輕量化發(fā)布，并基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了模型瀏覽、雙向查詢、定位、漫游等功能，有效解決了三維模型輕量化發(fā)布時(shí)信息損失問題，支撐從設(shè)計(jì)信息到施工管理信息的無縫對(duì)接。

融合主要建筑BIM模型+三維GIS底圖+傾斜攝影等多種類型的可視化數(shù)據(jù)，基于全融合工程圖形引擎技術(shù)，搭建了縉云抽水蓄能電站三維數(shù)字沙盤，從而實(shí)現(xiàn)了基于BIM + GIS全信息三維模型的“一張圖”管理，為數(shù)字化移交、數(shù)字孿生電站的構(gòu)建和電廠智慧運(yùn)維奠定模型基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)字化大壩施工管理平臺(tái)

三維數(shù)字化大壩施工管理平臺(tái)通過建立工程建設(shè)管理標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，對(duì)大壩填筑施工過程的計(jì)劃、進(jìn)度、質(zhì)量進(jìn)行全程管理，為運(yùn)料車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)、大壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了以施工（碾壓）單元為核心的綜合進(jìn)度與質(zhì)量分析。平臺(tái)通過手持式數(shù)據(jù)采集終端、自動(dòng)化采集設(shè)備等手段收集大壩碾壓相關(guān)質(zhì)量、運(yùn)輸車輛上壩狀態(tài)信息、各材料分區(qū)單元質(zhì)檢數(shù)據(jù)等。通過預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與監(jiān)控現(xiàn)場質(zhì)量管理過程數(shù)據(jù)，分析出超標(biāo)及異常信息，及時(shí)提醒現(xiàn)場管理人員采取糾正措施，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 智能建造關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 大壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控

對(duì)于抽水蓄能電站，碾壓作業(yè)是確保倉面壓實(shí)的核心環(huán)節(jié)，施工期大壩填筑的質(zhì)量直接關(guān)系到大壩的安全運(yùn)行。從歷史經(jīng)驗(yàn)來看，電站運(yùn)營期間壩體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題基本都與施工期的填筑碾壓質(zhì)量有關(guān)。大壩填筑碾壓是動(dòng)態(tài)連續(xù)的施工過程，信息量龐大且信息相關(guān)性高，依靠人工現(xiàn)場控制碾壓施工參數(shù)的方法會(huì)受到人為因素的干擾，無法對(duì)大壩填筑碾壓施工質(zhì)量進(jìn)行全過程、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)控制，也不能滿足當(dāng)前抽水蓄能電站投產(chǎn)效率與質(zhì)量的要求。

針對(duì)縉云抽水蓄能電站大壩填筑碾壓質(zhì)量管控的相關(guān)要求，結(jié)合新一代計(jì)算機(jī)技術(shù)，搭建了縉云抽水蓄能電站大壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)大壩填筑碾壓質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖2所示?；谠撓到y(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控碾壓參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場碾壓施工過程碾壓機(jī)運(yùn)行軌跡、遍數(shù)、速度、振動(dòng)狀態(tài)的可視化監(jiān)控，并且對(duì)超標(biāo)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警與閉環(huán)處理，實(shí)現(xiàn)了大壩填筑碾壓質(zhì)量的事中控制，確保大壩施工質(zhì)量嚴(yán)格受控。每個(gè)施工單元施工結(jié)束后，系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成碾壓報(bào)表，作為質(zhì)量驗(yàn)收的輔助材料。通過統(tǒng)一的三維數(shù)字化施工管理平臺(tái)，集成大壩填筑碾壓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)根據(jù)實(shí)時(shí)坐標(biāo)生成碾壓單元模型，結(jié)合三維BIM+GIS模型實(shí)現(xiàn)大壩填筑碾壓進(jìn)度的實(shí)時(shí)更新，碾壓監(jiān)控圖形報(bào)告見圖3。

3.2 上壩運(yùn)料車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)

在面板堆石壩建設(shè)過程中，確保上壩堆石料能夠按照既定的路線運(yùn)輸至指定位置并且精確卸料，

是保障大壩填筑碾壓建設(shè)進(jìn)度與質(zhì)量、控制建設(shè)成本的重要因素，因此，對(duì)面板堆石壩壩體填筑過程中上壩運(yùn)輸料交通運(yùn)輸環(huán)節(jié)進(jìn)行有效管控很有必要［5］。根據(jù)縉云抽水蓄能電站面板堆石壩上壩料的特點(diǎn)和土石方平衡的控制要求，利用GPS等技術(shù)，對(duì)壩料運(yùn)輸車輛從開挖面到壩面，以及壩料運(yùn)輸車輛全程進(jìn)行在線監(jiān)控。通過在運(yùn)輸車輛上安裝車載定位終端接收衛(wèi)星信號(hào)，完成車輛的自動(dòng)定位，同時(shí)通過感應(yīng)裝置實(shí)時(shí)采集車輛的空滿載情況，通過網(wǎng)絡(luò)將車輛信息數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)壩區(qū)運(yùn)料車輛的全程監(jiān)控及調(diào)度。

3.3 大壩基礎(chǔ)灌漿施工數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)

水電工程基礎(chǔ)加固和防滲處理的重要措施之一是水泥灌漿，工程全生命周期運(yùn)行安全在很大程度上受到灌漿工藝質(zhì)量的影響［6-7］?；A(chǔ)灌漿工程由于其隱蔽工程的屬性和特點(diǎn)，一直被列為水電工程質(zhì)量管理的核心和焦點(diǎn)［8］。為保證水庫的防滲效果，減少水資源損失，提高水能利用率，灌漿施工尤為重要［9］。灌漿施工管理目前主要存在以下問題。

（1） 作為隱蔽工程，無法直觀檢查與評(píng)價(jià)灌漿施工質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量與施工隊(duì)伍的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心緊密相關(guān)，傳統(tǒng)的檢查方法借助分析檢查孔資料、施工過程數(shù)據(jù)和局部影像資料來進(jìn)行事后評(píng)價(jià)，難以確保灌漿施工質(zhì)量。

（2） 灌漿施工作業(yè)面分散，管理人員難以及時(shí)對(duì)所有灌漿作業(yè)面的過程和進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)一管理，施工過程控制難度大。

（3） 灌漿施工過程中抬動(dòng)等異常情況處置難度大，傳統(tǒng)的管理模式無法及時(shí)有效對(duì)異常的灌漿數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒別，異常情況處置不及時(shí)對(duì)灌漿施工效果及工程量影響較大。

（4） 灌漿工程數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)利用EXCEL表格處理海量數(shù)據(jù)的手段耗時(shí)費(fèi)力，并且由于缺乏有效的可視化展示與分析手段，原始采集的數(shù)據(jù)不能得到充分挖掘和應(yīng)用，無法利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)價(jià)值。

針對(duì)縉云抽水蓄能電站大壩基礎(chǔ)灌漿工程施工的特點(diǎn)和管理難點(diǎn)，基于數(shù)字化信號(hào)加密傳輸、無線物聯(lián)網(wǎng)、灌漿數(shù)據(jù)智能分析等技術(shù)搭建了數(shù)字化灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的施工管理體系，建立了“及時(shí)預(yù)警→現(xiàn)場處置→線上消警”的閉環(huán)控制體系，并在工程中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。對(duì)縉云抽水蓄能電站上、下水庫大壩固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等全部灌漿部位進(jìn)行無線組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸。通過將灌漿記錄儀接入無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場各灌漿部位、灌漿記錄儀編號(hào)、灌漿孔號(hào)、段次、流量、壓力、密度、抬動(dòng)等灌漿參數(shù)變化情況，并對(duì)壓力、抬動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，對(duì)灌漿部位和灌漿成果進(jìn)行可視化分析，準(zhǔn)確、迅速地分析灌漿成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場灌漿工程施工的實(shí)時(shí)監(jiān)控與異常預(yù)警報(bào)警的閉環(huán)處理。數(shù)字化灌漿實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警報(bào)警反饋控制機(jī)制見圖4。

3.4 施工期視頻監(jiān)控技術(shù)

在縉云抽水蓄能電站主要施工區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控，對(duì)施工區(qū)域的主要工作面進(jìn)行監(jiān)控。融合視頻監(jiān)控等多種監(jiān)控手段，對(duì)大壩填筑碾壓以及基礎(chǔ)灌漿施工進(jìn)行多角度可視化數(shù)字化監(jiān)控。通過系統(tǒng)開發(fā)將施工期視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信息進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控信息的在線實(shí)時(shí)查詢以及錄像回放，實(shí)現(xiàn)工程施工過程中的問題追溯［10］。

4 應(yīng)用成效

大壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，截至目前已經(jīng)完整監(jiān)控了196個(gè)倉面的碾壓施工情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碾壓機(jī)碾壓軌跡、行駛速度、碾壓遍數(shù)、碾壓高程、激振力等質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的碾壓機(jī)械工作參數(shù)進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，有效控制了大壩填筑碾壓質(zhì)量，提高了施工管理效率和水平。除去異常值狀況，平均碾壓遍數(shù)合格率為96.69%，其中大壩壩體上游墊層料及過渡料85倉，平均碾壓遍數(shù)合格率為96.80%；大壩壩體上游主堆區(qū)堆石料66倉，平均碾壓遍數(shù)合格率為97.45%；大壩壩體下游堆石料45倉，平均碾壓遍數(shù)合格率為95.36%。從數(shù)字灌漿監(jiān)測系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，截至目前共記錄了百余個(gè)灌漿孔的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和報(bào)表數(shù)據(jù)，其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)達(dá)數(shù)10萬條，過程數(shù)據(jù)和報(bào)表數(shù)據(jù)近1萬條，異常報(bào)警數(shù)據(jù)近200條，并形成分序灌漿工程量統(tǒng)計(jì)表、灌漿單位注灰量綜合剖面圖等統(tǒng)計(jì)信息（工作界面見圖5～8），實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌漿實(shí)時(shí)壓力、流量、密度、抬動(dòng)等質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)超出閾值的灌漿數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，有效控制了大壩基礎(chǔ)灌漿施工質(zhì)量，使得基礎(chǔ)灌漿設(shè)計(jì)更加精細(xì)、工程管理更加有效、數(shù)據(jù)查詢更加便捷、分析評(píng)價(jià)更加專業(yè)、成果展示更加豐富。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)的工程建設(shè)管理模式已不能較好地適應(yīng)抽水蓄能電站大壩建設(shè)管理和投產(chǎn)效率要求。針對(duì)縉云抽水蓄能電站面板堆石壩工程特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，基于智能感知和智能分析方法，提出了“1+1+1+N”的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩基礎(chǔ)灌漿施工、上壩運(yùn)料車輛管理、填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控等全過程的實(shí)時(shí)管控，完成了設(shè)計(jì)、施工生產(chǎn)、質(zhì)量控制與成果的大壩建設(shè)全過程管理，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工、有效控制工程建設(shè)過程、控制工程成本，提高管理水平與效率。本文研究成果和所提出的數(shù)字化大壩體系可為數(shù)字化大壩及數(shù)字孿生抽水蓄能電站建設(shè)提供借鑒。

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（編輯：唐湘茜，張 爽）