混凝土坝温控防裂智能监控系统及其工程应用.pdf

水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4年第 1期 混凝土坝温控防裂智能监控系统及其工程应用 张国新 ，刘 毅 ，李松辉 ，刘有志 ，魏永新 ，孙保平。 ，郭 晨 ，张湘涛 ( 1 中国水利水 电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 1 0 0 0 3 8 ；2 云 南华电鲁地拉 水 电开发有限公司，云南 昆明 6 5 0 2 2 8 ；3 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院， 陕西 西安7 1 0 0 6 5；4 北京木联能工程科技有限公司，北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘要：阐述 了混凝土坝智能监控的基本理念 ，即通过成套的仪器设备和软件 系统，实现施工信息的 实时采集、实时传输、 自动管理、 自动评价、仿真与预测分析、风险实时评价与预警、反馈 实时 自动 控制等 ，可以为混凝土坝的施工质量监控提供一种新的途径。本文还针对混凝土坝温控施工的难题 ， 介绍 了笔者所在的研究团队研发的混凝土坝温控防裂智能监控 系统 ，结合鲁地拉工程提 出了智能监控 系统服务于混凝土温控 防裂的应用模式，可在 同类工程 中推广。 关键词：混凝土坝 ；智能监控 ；温控防裂 中图分 类号 ：T V 6 4 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 l - 0 0 9 6 0 7 I n t e l l i g e n t mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m f o r t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n o f c o n c r e t e d a m a n d i t s e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s Z HANG Gu o x i n ，L I U Yi ，L I S o n g h u i ，L I U Yo u z h i ， WEI Yo n g x i n 2 ， S UN Ba o p i n g 3 ， GUO C h e n ， ZHANG Xi a n g t a o ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S i m u l a t i o n a n d R e g u l a t i o n o f Wa t e r C y c l e i n R i v e r B a s i n ，C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ；2 Y u n n a n H u a d i a n L u d i l a H y d r o p o w e r C o ，L t d ，K u n m i n g 6 5 0 2 2 8 ，Y u n n a n ， C h i n a ； 3 Hy d r o c h i n a Xi b e i En g i n e e rin g C o r p o r a t i o n， X i a n 7 1 0 0 6 5，S h a a n x i ，C h i n a ； 4 B e i j i n g M i U e mn i u m E n g i n e e ri n g T e c h n o l o g y C o ，L t d ，B e i j i n g 1 0 0 1 2 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e b a s i c c o n c e p t o f t h e i n t e l l i g e n t mo n i t o ri n g a n d c o n t r o l o f t h e c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e d a m i s e x p a t i a t e d h e r e i n； i e t h e r e a l t i me c o l l e c t i o n ， r e al t i me t r a n s mi s s i o n， a u t o ma t i c ma n a g e me n t ， a u t o ma t i c e v a l u a t i o n， s i mu l a t i o n a n d p r e d i c t i o n a n aly s i s ， r e a 1 t i me r i s k a s s e s s me n t a n d e a r l y wa r n i n g ， a n d r e a l t i me a u t o ma t i c c o n t r o l o f f e e d b a c k o f t h e c o n s t r u c t i o n i n f o r ma t i o n a r e r e ali z e d t h r o u g h a c o mp l e t e s e t o f a p p a r a t u s ，e q u i p me n t a n d s o f t w a r e s y s t e m c o n c e r n e d； wh i c h c a n p r o v i d e a n e w f o r t h e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l o f t h e c o n s t ruc t i o n q u a l i t y o f c o n c r e t e d a mF u r t h e r mo r e ，a n i n t e l l i g e n t mo n i t o rin g a n d c o n t r o l s y s t e m o f t e rn p e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e d a m d e v e l o p e d b y t h e a u t h o r S r e s e a r c h t e a m i s a l s o i n t r o d u c e d f o r t h e d i f f i c u h i e s t o b e me t d u rin g t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o 1 o f t I l e c o n s t ruc t i o n o f c o n c r e t e d a ma n d t h e n t h e mo d e o f t h e a p p l i c a t i o n o f t h i s s y s t e m t o t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n d u ri n g t h e c o n s t ru c t i o n o f c o n c r e t e d a m i s p r o p o s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e c o n s t r u c t i o n o f L u d i l a H y d r o p o w e r P r o j e c t a s w e l 1 O n t h e w h o l e ，t h i s s y s t e m c a n b e w i d e l y u s e d a n d p r o m o t e d i n t h e s i m i l a r p r o j e c t s Ke y wo r d s ：c o n c r e t e d a m ；i n t e l l i g e n t mo n i t o rin g a n d c o n t r o l ； t e m p e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n 1 引言 进入 2 1世 纪 以来 ，中国 已经 成为 了世界 大 坝 建设的中心。根据中国大坝协会的统计资料，2 0 0 2 年在建 的坝高 6 0 I n以上大坝 ，中国有 8 8座 ，占总 数的2 5 2 ；一批世界级的混凝土坝工程陆续建 收稿 日期 基金项 目 作者简介 ： 2 01 3 一 O 9 3 0 国家“ 9 7 3 ” 计划课 题( 2 0 1 3 C B 0 3 5 9 0 4、2 0 1 3 C B 0 3 6 4 0 6 ) ；国 家“ 十二五” 科技支撑计划课题( S Q 2 0 1 3 B A J Y 4 1 3 8 B 0 2 ) ；水 利部公益性行业科研专 项项 目( 2 0 1 2 0 1 0 5 0 ) ；中国水科 院 科研专项 ( 材集 1 3 6 1 、材集 1 3 5 3 ) 。 张 国新( 1 9 印一 ) ，男 ，教授级 高级 工程师 。 W a t e rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o w e r En g i n e e r i n g V o 1 4 5 No I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 成或开工建设 ，截至 于 2 0 1 3年 9月 ，中 国已建成 了小湾 、拉西瓦 、构皮滩 、龙 滩 、光 照等坝高超过 2 0 0 m的特高混凝 土坝 ；正在建设 中的溪 洛渡 、锦 屏一级 工程 ，已经蓄水 发 电；计划 建设 的 白鹤滩 、 乌东德 、马吉等特 高坝近期也将陆续开工 。这些 高 坝的建成将对改善 中国的能源结构 、促进节 能减 排 发挥重要作用 ，社会与经济效益十分巨大。 相对于中低坝而言，高坝由于应力水平高，其 安全系数反而低 于 中低坝 _ 2 - 3 ，一些在 中低 坝 由安 全系数所涵盖 的问题 ，在高坝可能会产生 一定 的安 全风险。为应对 这一 风险 ，基于全 坝 全过程 仿 真 ， 发展了高坝真实工作性态仿真与设计理论 4 J ，在 设计阶段尽可能真实地模拟高坝运行期 的工作性 态 ，以此为基础评估设计方案 的优 劣 ，进 而改进设 计方案 ；同时 ，为 了确保 施 工 状 态 与设 计 状 况 相 符，提出了数字监控理论 J ，其基本思想是在仪器 监控的基础上 ，运用仿真分 析方法 ，在施 工过程 中 对大坝工作 性态 的全 过程进 行跟踪 反演 仿真分 析 ， 对施工期的工作性态进行实时评估和监控，及时发 现施工 中存在 的问题 ，并 将 其 反馈 给 现场 施 工人 员 ，进而确保施工质量。近年来 ，运用 G P S技术监 控碾压施 工质 量 已经 应用 于 一 些碾 压 混凝 土 坝工 程 ，而运用 自动化监测技 术监控混凝土温控施工 质量也已成功应用于一些特高拱坝工程 J ，这些案 例充分说 明了信 息技术在 大坝施工管理方 面的强大 生命力 。 近期建设的高混凝土 坝在混凝土施工 方式上都 有一个共 同特点 j ，即上下 游方 向采用不分纵缝 的 通仓浇筑方 式。浇筑仓 的长 度取决 于大 坝 的厚 度 ， 如龙 滩 、光 照两 座 RC C重 力 坝 的底 宽 1 6 0 m，小 湾 、溪洛渡 7 O一 9 0 m，由于混凝土浇筑块 的温度应 力与浇筑块长成正比，出现缺陷的几率也随浇筑仓 面 的加大而增大 ，因此 ，通仓大仓 面浇筑 增加 了开 裂风险 ，提高 了温控 防裂 的难度 。为 了应对 这一 问 题 ，朱伯芳等 陆续提 出了“ 小温 差 、早 冷 却 、缓慢 冷 却 ” 、 “ 早 保 护 、永 久 保 护 ”等 新 的 温 控 理 念 ，这些理念 对 温控 施 工 提 出 了精 细化 的要 求 ，这一精细化要求 完全靠人工实现几乎 是不可能 的。传统粗放的施工管理与这一精细化要求也是不 相适应 的，常规的技术 手段无法实时全 面获取 施工 信息 ，也无法实时评估 施工效果 ，更不能在 出现问 题前采取补救措施进而避免质量事故 的发生。数 字 监控 系统部分解决 了上述 问题 _ 8 J ，如 ：可 以实 时获 取监测信息 ；可以通过专 家咨询的方式评估施工效 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第1期 张国新， 等混凝土坝温控防裂智能监控系统及其工程应用 果和调整施工措施。但是数字监控系统仍然存在一 定不 足 ，如 ：对 施 工 效 果 的 评 估 相 对 比较 滞 后 ； 过 于频 繁的施 工 措施 调 整耗 费 了大 量 的人 力 ，同 时也容 易 出错 。为 了 弥补 上述 不 足 ，需要 在 数字 监控 的基 础上 进 一 步发 展 一种 新 的理 论 、方 法 与 系统 。 综上 所 述 ，为 了应 对 高混 凝 土 坝带 来 的高 风 险 ，确保施工状态与设计状态相一致 ，本 文发展 了 混凝土坝智能监控 的理 念。针对混凝 土坝施 工尤其 是温控施工中存在的诸多问题，笔者所在的研究团 队研发 了混凝土坝温控 防裂智能监控系统 ，本文 阐 述了这一系统的功能与模块组成，并结合鲁地拉工 程提 出了智能监控系统 服务于混凝 土温控 防裂 的应 用模式 。 2 混凝土坝智能监控的基本理念 一 般而言，从感觉到记忆到思维这一过程 ，称为 “ 智慧” ，智慧 的结果就产生 了行为和语言 ，将行 为 和语言的表达过程称为“ 能力” ，两者合称“ 智能” 。 本文所述 的 “ 智能 ” ，是指运用信 息技术 实现感知 、 分析和控制的全过程。 本文所述 的混凝土坝智能监控 ，其基本思想是 ， 在施工过程中，通过埋设在混凝土或布置于施工机械 上的成套仪器设备 ，自动实时获取反映施工质量的基 础信息，基于这些信息，运用开发的软件系统，对混 凝土施工质量进行分析和评价 ，对当前施工性态以及 下一阶段的工作性态进行评估和预测，如出现问题， 将报警信息反馈至施工管理人员，同时将所需采取的 反馈控制信息传送至自动控制设备，自 动完成施工措 施的调控 。 实际上 ，实现监测 、分析和调控的全 自动化是很 困难的，诸如保温措施等调控手段只能采取人工的方 式实现。智能监控 的主要特征体现在分析和决策过程 依靠软件系统，而不是依赖于专家。 3 混凝土坝温控防裂智能监控系统 3 1 主要功能 混凝土坝温控防裂智能监控系统是一个 以大体积 混凝土防裂为根本 目的，运用 自动化监测技术、G P S 技术、无线传输技术、网络与数据库技术、信息挖掘 技术 、数值仿真技术 、自动控制技术 ，实现温控信息 实时采集、温控信息实时传输、温控信息 自动管理、 温控信息自动评价、温度应力 自 动分析、开裂风险实 时预警 、温控防裂反馈实时控制等温控施工动态智能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张国新， 等混凝土坝温控防裂智能监控系统及其工程应用 表 1 混凝土入仓温度和浇筑温 度检 测情 况统计 允许 浇筑 人仓温度 C 浇筑温度 超温点 超温率 仓 号 温度 o C 测 次 最大 最小 平均 测次 最大 最小 平均 ， 个 1 0 一1 1 1 _ O 2 0 7 0 5 2 6 3 2 O 1 2 1 9 2 1 O 5 2 1 O O 1 0 一2 1 1 O 2 2 7 2 5 6 6 1 2 2 1 1 7 9 6 1 O 3 2 9 1 平均 1 1 O 2 l 7 1 5 4 6 2 2 1 1 1 9 9 4 1 O 4 2 9 5 温控信息评价统计表包括 ：天气情况及实测气温 统计表 、骨料温度检测统计表 、出机 口温度检测统计 表 、混凝土人仓温度和浇筑温度检测情况统计表( 见 表 1 ) 、最高温度统计表 、通水冷却统计表等。 温控效果评价 图包括 ：浇筑仓综合 温度 曲线 图 ( 见图 2 ) 、气温动态分析 图、混凝土出机 口和入仓 以 及浇筑温度分布相关图 、大坝 内部温度过程线图、沿 高程温度分布图、通水冷却状态立视图等。 3 2 4 温度应力仿真分析与反分析模块 该模块基于数据库的施工信息和设计信息 ，能快 速形成仿真计算数据 ，跟踪和预测分析指定坝体的温 度场和温度应力场 ，并在监测数据的支持下反演关键 热力学参数 ，确保分析得到的温度场和温度应力场与 实测数据相符。该模块分为前处理 、仿真分析 、参数 反演 、后 处 理 四个 子 模 块 ，其 主 要情 况 参 见 文献 1 2 ，本文篇幅所 限，不再赘述。 3 2 5智 能通 水模 块 该模块可预先设定理想温度过程线 ，在施工过程 中实时监测 内部温度 、通水温度和通水流量 ，通过理 p 、 赠 想温度过程线第二天 目标温度 与 当天实测温度 的 比 较 ，得到第二天 的降温 幅度 ，运用基于实 时监测 资 料 的温度预测模型 ，自动计算 出第二 天通水冷 却所 需 的流量 ，将 流量调控 指令 下达到 阀 门控制 装置 ， 完成通水冷却 的 自动调控 ，实现无人工 干预的智能 通水 。 该模块的主要设备包括 ：智能动态温度流量测控 单元、水管流量水温测控装置( 含流量计、水温计和 可调谐电动球阀) 、集电箱、数据传输装置。典型安 装如图 3所示。其工作流程如下 ：( 1 ) 系统软硬件 的 安装集成与调试 ；( 2 ) 将基 础资料 ( 含气象 、水 文 、 材料 、施工等信息 ) 收集和整编入库 ，作为智能通水 管理软件 系统 的基础数据资料 ；( 3 ) 根据工程情况 ， 通过大 量 的仿 真分析 计算 ，确定 理想 温度过 程线 ； ( 4 ) 混凝土浇筑后 ，实时记录通水水温、流量 ，混凝 土内部温度等信息，将信息发送至数据库；( 5 ) 根据 理想温度过程线和实际施工与监测信息，求得各仓下 一 阶段的通水冷却流量和温度 ；( 6 ) 通过系统平 台将 通水冷却指令下达至智能通水硬件设备， 完成通水流 内部温度计的 F 均温度 I平均出水水温 口F 均进水水温一仓 面温度 一 气温 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第 1期 时间 年一 月一 日 图 2浇筑仓综合温度 曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m