碾压混凝土坝数字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 2期 碾压 混凝 土坝数 字监控 系统及 其工程应 用 刘 毅 ，张国新 ，李松辉 ，魏永新 ，孙保平。 ，郭 晨4 ，张湘涛 ，魏鲁双 ( 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 ；5 华北水利水电大学，河南 郑州4 5 0 0 4 5 ) 摘要 ：数 字监控 是 混凝 土坝 工程 质量控 制 新 的理念 。基 于这 一 思想 ，研 发 了碾 压混凝 土 坝数 字监控 系统。该 系统可实现对大坝开始施工直至服役结束整个生命过程的工作性态的监控 ，从过程 中最大限 度地杜绝裂缝的产生，该 系统在鲁地拉碾压混凝土重力坝 中得 以实施 ，实践表 明，该 系统可有效指导 温控施工的全过程，成功 实现 了温度信息的 自动获取、温控 资料 的数 字集成和 自动分析 、分析成果的 多方共享、预警信 息的 自动发布以及 温控档案的备份查询等。 关键词 ：数字监控 ；碾压混凝土；温控防裂 ；温控信息 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 2 0 0 4 7 0 6 Di g i t al m o n i t o r i n g s y s t e m f o r RCC da m a nd i t s e ng i n e e r i n g a ppl i c a t i o n L I U Yi ，ZHANG Gu o x i n ， LI S o ng h u i ， W EI Yo n g x i n ， S UN Ba o p i n g 。 ，GU0 Ch e n ， ZHANG Xi a n g t a o W EI Lu s h u a ng ( 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 rop 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 E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， Xi 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 Mi l l e n n i u m E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ，L t d ，B e ij i n g 1 0 0 1 2 0 ，C h i n a ； 5 No r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f W a t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t ric P o we r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 5 ，H e n a n ， C h i n a ) A b s t r a c t ：D i gi t a l m o n i t o r i n g i s a n e w c o n c e p t f o r t h e q u al i t y c o n t r o l o f c o n c r e t e d a m B a s e d o n t h i s c o n c e p t ，a d i gi t a l m o n i t o r i n g s y s t e m f o r R CC d a m i s d e v e l o p e d T h i s s y s t e m c a n r e ali z e t h e mo n i t o ri n g o f t h e w o r k i n g b e h a v i o r s o f t h e d am t h r o u g h i t s e n t i r e l i f e c o u r s e f r o m t h e b e gin n i n g o f c o n s t r u c t i o n t o t h e e n d o f s e r v i c e ，a n d t h e n p r e v e n t c r a c k i n g fr o m t h e d a m b o d y t h r o u g h t h e w h o l e p r o c e s s a s m a x i m i z e d a s p o s s i b l e ； w h i c h h a s b e e n a p p l i e d t o L u d i l a R C C G r a v i t y D a m T h e e n gi n e e r i n g p r a c t i c e s h o w s t h a t t h i s s y s t e m c a n e f f e c t i v e l y g u i d e t h e wh o l e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s ， an d t h e n s u c c e s s f u l l y r e ali z e t h e a u t o ma t i c a c q u i s i t i o n o f t h e t e mp e r a t u r e i n f o r ma t i o n，t h e d i g i t al i n t e g r a t i o n an d a n a l y s i s o f t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l d a t a，t h e mult i p a r t y s h a r i n g o f t h e a n aly s i s r e s u l t ， t h e a u t o ma t i c t r a n s mi s s i o n o f t h e e a r l y wa r n i n g i n f o r ma t i o n，t h e e n q u i ry o f t h e b a c k u p fi l e o f t e mp e r a t u r e c o n t rol d a t a ，e t c Ke y wo r d s ：d i g i t a l mo n i t o ri n g ；r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e；t e mp e r a t u r e c o n t rol a n d c r a c k p r e v e n t i o n；t e mp e r a t u r e c o n t r o l i nfo r ma t i o n 1 引 言 碾压混凝土坝具有大型机械化施工 、连续升高、 施工工期短 、造价低 、绝热温升低 、有利于温控等优 点 ，但从材料的特性来说 ，该种混凝土具有极拉值较 小，尤其层间抗拉能力较低的特点，对混凝土的防裂 不利。一旦 出现裂缝 ，通过修补等措施 以恢复结构的 W a t e rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o we rEn g i n e e r i n g V o 1 4 5 No 2 收稿 日期 ： 基金项 目： 作者简介 2 Ol 3 1 0 28 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 ( 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 ) ；流域水 循环模 拟 与调控 国 家重点实验室资助项 目( 材 Q N 1 3 0 5 ) 。 刘毅( 1 9 7 9 一 ) ，男，教授级高级工程师 ，博士。 4 7 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 试记录仪 ，是 L NT C型数字传感器的数字信号采集 、 记录及存储 的专用仪器。 L N 2 0 2 6 T R S 2 3 2 标准电路 计算机及L N 2 0 2 6 一 T 型数字温度 数字动态温度监测系统软件 测试记录仪 L N2 0 2 6 删总线接线器 垄 曼 兰 总线电路 = = 二二二 = = 二二 一一 !l_一 r ： 一 L _ _ _ 一 图 2 L N 2 0 2 6一 T动态测温仪 结构 示意 数字动态测温监测系统软件主要 由参数设置 、传 感器操作 、温度数据查询 、温度数据处理和用户管理 几个模块组成 ：参数设置 ，包括了串口、时钟 、传感 器数 、时间间隔、数据保存 格式等各种参数的设置 ； 传感器操作 ，对各种不同类型传感器进行设置 ，包括 自动搜索和手动搜索 ，查询传感器是否存在故障 ；数 据查询 ，用于设置数据显示的方式及显示的数据间隔； 刘毅， 等碾压混凝土坝数字监控系统及其工程应用 数据处理，将 L N 2 0 2 6一 T型数字温度测试记录仪存储 数据 的记录条数和记录指针读取到人机界面 ，同时可 将数据结果保存成 E X C E L文件 ，用 于后 台的处理分 析 ；用户管理模块 ，用于对现场使用用户进行增加或 者删除。 2 2温控信息集成与分析 系统 信息集成与分析系统 的硬件部分组成如下 ( 见图 3 ) ：( 1 ) 现场服务 器 ，是数据存 储和处理 的核心单 元 ，包括管理服务器 、数据库服务器 、中心服务器及 We b发布服务器 ；( 2 ) 以太网，将各种信息及计算结 果传输到参建各方的数据传输通道；( 3 ) 计算机，工 程参建各方进行数字信息化处理分析及显示 ，实现人 机交互的工具 ；( 4 ) 高性能计算平台，用于对施工过 程按照实际的监控结果及施工工序进行仿真计算 的平 台；( 5 ) 无线报警设备 ；( 6 ) 打印机、扫描仪 、传 真 机 、刻录仪等 。 碾压混凝土坝温控信息集成与分析系统主要 由温 控信息管理 、可视化动态监控管理 、温度动态预警及 温控档案所组成。 温控信息管理模块包括 了各种温控信息的查询与 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 r一一一一 一一 一一一 一一一一一 一一一一一一一一 ； I ： 工地M I s 系统 水利水电技术第4 5卷2 0 4年第 2期 一一一一一一一一一一一一_ J l_ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 图 3 信息 集成及分 析系统结构 示意 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘毅， 等碾压混凝土坝数字监控系统及其工程应用 录入 ，主要包括公共信息 、浇筑信息 、水管信息 、浇 筑仓表面信息 、监测信息 、封拱信息 ( 拱坝 ) 、系统 管理 、系统设置 、模块管理等。 可视化动态监控管理模块 ，将大坝温控信息进行 可视化动态管理。以图表 、曲线的形式将大坝的各种 信息形象化显示，包括了气温动态曲线图、综合曲线 动态分析图 、上游面立视图、通水立视图 、永久温度 计动态曲线分析图、坝段沿高程的温度分布图、入仓 温度和浇筑温度曲线图等。 温控动态预警模块，通过对录入信息的分析和 设定的参数 ，以浇筑仓 为单位 对工程浇筑进行全过 程 的监控预警 ，系统可根据不同单位 ，不 同岗位 的 管理需要 ，满足不同用 户在权 限范围 内定制各类提 示 、预警与报警项 目，实现不同单位 的录入 、统计 管理需要 。主要包括 ：监测数据缺少报警 、最高温 度预警 、降温速率 预警 、浇筑仓超冷预警 、浇筑 间 隔期报警、报警历史数据查询，以及报警参数设置 等 。 温控档案模块 ，以浇筑仓 为单位 ，包括每个 浇 筑仓生命 周 期 内 的所有 温控 信 息 ，用 户 打 开档 案 时 ，系统 自动将用 户 已添加的信 息加载进档案 ，且 已填写信息在提交后为不可修改 ，保证数 据的安全 性 。该模块 的使用 ，一是有利于跟踪施工进展 ，对 大坝工程进行抗裂分析 ，对施 工中存在的问题及 时 采取有效的控制与防范措施 ；二是有利于结合实 际 工程施 工 条件 、施 工进 展 与大 坝工 程抗 裂 分 析成 果 ，有针对性地对后续大坝混凝 土工程 的设计与施 工进行优化 ；三是 当后期发现质量缺 陷、质量事 故 时 ，为进行质量缺陷或质量事故分析提供完整 的历 史记录；四是为大坝混凝土单元工程质量检验 与质 量等级评定提供依据 ；五是为大坝混凝土工程施 工 过程中的合同商务事项处 理提供 支持资料 ；六 是为 在大坝工程验收阶段 进行的工程安全鉴定 、工程 验 收提供技术评价资料 。 3 碾压混凝土坝数字监控系统的功能设计 碾压混 凝 土 坝数 字 监 控 系 统 具 有 以下 优 势 ： ( 1 ) 系 统集成 化 ，包 括 软硬件 及 网络产 品 的集成 、 人与系统的集成、温控信息管理系统同社会公众信 息系统的集成 ，最终组成了“ 无缝集成” 的开放式系 统 ，从而实现友好的“ 人 机交互” 界面。( 2 ) 温度信 息的数字化 管理 ，包括施 工信 息的远程 监控管 理 、 多方 参 与 的项 目协 同 管理 、数 字 档 案 化 管 理 等。 ( 3 ) 智能化 开放式管理 ，系统智 能化面 向 日常事务 5 0 处理 ，辅助人们 完成智 能性劳 动 ，在 执行 过程 中， 管理员只需懂得 自己份 内的工作流程 ，还可根据工 作需要针对具体 问题进行添加 、删减或改变部分模 块 内容 。( 4 ) 系统多媒体 化管理 ，包括 对数字 、文 字 、图表的综合处理及 显示 。( 5 ) 大坝决策 型系统 的运用，系统运用电子数据交换，通过数据通信 网 ，在不 同的 计算 机 间进 行 交 换 和 自动 化 处 理 。 ( 6 ) 全方位一体化 设计与管理 ，可 以方 便与大坝 建 设 的业 主方 、设 计方 、施 工方 及监理 方进行 整合 ， 在管理上以大坝信息管理为中心，大坝相关温控信 息流始终贯 穿于整个 系统 。总之 ，该 系统 包括了现 代信息化 、网络传输 技术和远程监控技术相结合 的 项 目管理模块 ，极大地提高 了施工实时化 、自动化 及项 目化管理的水平和效率。 从功能上来讲 ，碾压混凝土坝数字监控系统主要 包括以下几个 内容 ：( 1 ) 通过数字动态测温监测 系统 自动获取的温度数据并通过无线网络将数据 自动传输 到现场大体积温度监控中心服务器 ，如果无线 网络存 在突发故障，可将温度数据通过数字动态测温监测系 统 自动导人到笔记本电脑 ，然后通过以太网录入到现 场大体积混凝土温度监控中心 的数据库服务器；( 2 ) 通过数据处理分析计算机进行数据预处理 ，将采集到 的温度数据按照不同的设备地址 、梯度仪及测温仪编 号进行分类 ，按照采集时间与上次采集到的数据进行 对接 ，最后将处理完毕 的数据发送 到 We b发布服务 器 ；( 3 ) 预处理 的数据通过 I n t e r n e t 发送 到大体积混 凝土温度控制决策中心 ，在大体积混凝土温度控制决 策中心 ，由安装在数据处理分析计算机上的专家系统 软件进行分析 、处理 、显示 、存储 ；( 4 ) 由安装在服 务器上的专家系统以及温控科研人员对大坝进行全过 程反馈跟踪仿真分析，并向业主 、施工 、监理等工程 参建各方发出分析结果 ；( 5 ) 根据仿真分析结果与系 统提供的预警信息，由温控专家对大体积混凝土 的温 控效果做出评价 ，并提出温度控制的调整方案 ，以周 报的形式 ，通过 I n t e r n e t 反馈给现场大体积混凝土温 度监控 中心 ，同时抄送给工地 MI S系统；水 电站 的 参建各方可 以随时通过工地 MI S系统进入到 现场大 体积混凝土温度监控中心计算机调取温度数据以及北 京大体积混凝土温度控制决策中心发布来的周 报等， 此外 ，工程参 建各 方将 预警 的处理情况及建议 通过 I n t e r n e t 网络反馈给大体积混凝土温度控制决策中心； ( 6 ) 温控信息集成及预警系统自动生成温控档案，可 用于将整个施工工期 内所有浇筑仓混凝土进行档案化 建设与管理 ，为以后不同阶段的工程验收及资料管理 水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第 2期 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 刘毅， 等碾压混凝土坝数字监控系统及其工程应用 I 一 E 羔0 7 j I I 一 | j 。=I1 螂 蛳 5 。 i 【 _ I 一 麟 l ： 一 I 嘲 - 0一 一 t： | _ ： = 。“ ： 0 蔓 鬻 孵 I 一 u 图 7 温控档案界面 5 结语 数字监控代表着混凝土坝工程施工期质量控制的 新 的发展方 向，充分利用现在先进的软件技术 、网络 技术 ，数据库技术 、自动化安全监测技术和数值计算 技术 ，开发 包含大坝施工信息管理 ， 自动化数据采 集、仿真反馈分析和预警决策支持四大模块的碾压混 凝土坝数字监控系统 ，从而真正意义上实现大坝施工 期和运行期各种施工和监控数据的自动获取和高效管 理 ，大坝施工期 、运行期安全状况的实时评估和预测 以及大坝安全风险的预警和决策支持 ，最终实现大坝 全过程的质量与安全状态的实时可控。 参考文献 ： 1 朱伯芳 大体积混凝土温度应 力与温度控制 M 北 京 ：中国 电力 出版社 ，1 9 9 9 2 龚召熊 水工混凝土的温控与防裂 M 北 京：中国水利 水电 出版社 ，1 9 9 9 3 郭之章 ，傅华 水工建筑物 的温度控制 M 北京 ：水 力电力 出版社 ，1 9 9 0 4 朱伯芳 混凝 土坝的数 字监控 J 水 利水 电技术 ，2 0 0 8 ，3 9 ( 2 ) ：1 5 一 l 8 5 张国新 碾压混凝土坝的温度应力与温度控制 J 中国水利 ， 2 0 0 7 ( 2 1 ) ：4 6 6 刘毅 ，张国新 ，王继敏 ，等 特 高拱坝施 工期数字 监控方法 、 系统与工程应用 J 水利水电技术 ，2 0 1 2，4 3 ( 3 ) ：3 3 3 7 ( 责任编辑陈小敏) 征 稿 简 则 水利部 水利水电技术 杂志是 中国水利水电行业 的 综合性技术刊物 ，为全 国中文核心期 刊 ，面 向 国内外公 开发行 。本 刊 以介 绍我 国水 资源 的开 发 、利用 、治 理 、 配置 、节 约 和保护 ，以及 水 利水 电工 程 的勘测 、设 计 、 施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同 时也报道 国外的先进 技术。刊物主要栏 目有 ：水文水 资 源 、水环境与水生态 、水利规划 、泥沙研究 、工程地质 、 水工建筑 、工程施工 、金属结构 、水力发 电、城市水利 、 农村水利 、水土保持 、水库移民 、防汛抗旱 、水利经济 、 科研管理 、建设管理 、运行管理 、小水 电站 、试验研究 、 水利现代化 、新能源 、国际水利等等 。 对稿件的要求 ： ( 1 ) 来稿内容务 必实事求是 ，不得侵犯他人 著作权。 稿件应论点明确 ，论据 可靠 ，数字 准确 ，文字 精练。来 稿 内容应符合国家保密方面的规定。 ( 2 ) 全文篇幅一般不超过 6 0 0 0字 ( 包括图 、表 ) 。文 中计量单位一律采用 国家法定计量单位 。 ( 3 ) 文章需附有英文题 目、作者及所在单位 的英译名 和 3 8个 中、英文关键词 ，文章需有 中、英文摘要 ( 2 0 0 4 0 o字 ) 。 ( 4 ) 图表应 尽量精 简 ，表格采 用三线 表 ，图表 随文 排，图中数据文字应清晰 ，线条用黑色。 ( 5 ) 来稿请附作者简介 ，包括所有作者的性别 、年龄 、 职称 、职务。来稿如属基金项 目或科技成果 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