混凝土坝防裂智能监控系统及其工程应用.pdf

水利水电技术第4 7 卷2 0 1 6年第2期 混凝土坝防裂智能监控系统及其工程应用 李 明 ，李松辉 ，张国新 ( 1 中国水利水 电科学研究院 结构材料研 究所 ，北京1 0 0 0 3 8 ；2 天津大学 软件学院，天津3 0 0 0 7 2 ) 摘要 ：本文以现有温控理论为技术支撑 ，结合大体积混凝土防裂工作 中的关键技术难题 ，开发 了混 凝土坝防裂智能监控 系统，以混凝土温控施工监控 的智能化促进 温控施工的精细化 ，达到大体积混凝 土防裂的根本 目的。该 系统在构成上由感知分析一控 制三部分组成 ，在功能 实现上 包括关键模型、 软件 系统及硬件设备 。最后 ，介绍了该 系统在 某工程的应用情况，效果良好。 关键词 ：混凝土坝 ；温度控制；防裂；智能监控 系统 d o i ：1 0 1 3 9 2 8 j c n k i w r a h e 2 0 1 6 0 2 0 0 8 中图分类号：T V 3 1 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 - 0 8 6 0 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 3 7 - 0 6 Co n c r e t e d a m c r a c ki n g i nt e l l i g e n t m o ni t o r i n g a nd c o n t r o l s y s t e m an d i t s a ppl i c at i o n LI Yu e ， LI S o n g hu i ， ZHANG Gu o x i n ( 1 D e p a r t me n t o f S t r u c t u r e s a n d M a t e ri a l s ，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 S c h o o l o f C o m p u t e r S o ft w a r e ，T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T a k i n g t h e e x i s t i n g t h e o r y o f t e mp e r a t u r e c o n t rol a s t h e t e c h n i c a l s u p p o ， a c o n c r e t e d a m c r a c k i n g i n t e l l i g e n t mo n i t o - rin g and c o n t r o l s y s t e m i s d e v e l o p e d c l o s e l y i n c o mb i n a ti o n w i t h t h e k e y t e c h n i c al p r o b l e ms o c c u e d d u ri n g t h e anti - c r a c k i n g o f ma s s c o n c r e t e i e p romo t i n g t h e r e f i n e me n t o f t h e c o n s t ruc t i o n o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l w i 山 t h e i n t e ll i g e n t i z a t i o n o f the 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 o f t e mp e r a t u r e c o n t rol f o r g e t t i n g t h e b a s i c t a r g e t o f t h e a n t i - c r a c k i n g o f ma s s c o n c r e t e F rom t h e a s p e c t o f i t s c o mp o s i t i o n，t h e mass c o n c r e t e i n t e ll i g e n t mo n i t o ri n g a n d c o n t rol s y s t e m c o n s i s t s o f t h r e e p a r t s ， i e p e r c e p t i o n a n aly s i s c o n t r o l ， w h i l e i t i n c l u d e s k e y mo d e l ， s o f t w a r e s y s t e m a n d h a r d w a r e s y s t e m f r o m t h e a s p e c t o f i t s f u n c ti o n r e a l i z a t i o n F i n a l l y ，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 a h y d r o p o w e r p r o j e c t w i t h a b e t t e r e ff e c t i s d e s c ri b e d h e r e i n a s w e l1 Ke y wo r d s ：c o n c r e t e d a m， t e mp e r a t u r e c o n t r o l ， a n t i c r a c k i n g ， i n t e ll i g e n t mo n i t o rin g a n d c o n t rol s y s t e m 1 研究背景 大体积混 凝土裂缝是长期 困扰 工程界 的问题之 一 ，裂缝的出现会影响工程的安全性和耐久性 ，增加 后期修补费用 ，带来经济损失和不利社会影响。温度 控制是混凝土防裂的主要手段 ，近期建设的高混凝土 坝多存在浇筑仓面大 、混凝土标号高、筑坝条件恶劣 等特点，这些特点增加了混凝土的开裂风险，提高了 温控防裂的难度， 仅靠传统的防裂方式，已难以保证 大坝不出现危害性裂缝 ，某高坝的经验教训也充分说 明了这一点 。 现有温控模式存在不完整 、不及时 、不准确的问 题 。即 ：( 1 ) 监测 断面有 限 ，监 测仪 器和 频次偏 W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o po w e r En g i n e e r i n g V o 1 4 7 No 2 少 ，每天只能 获取典 型断面 的有 限数 据 ，即“ 不完 整” ；( 2 ) 监测体系不够 自动化 、实时化 ，每天测得 数据量有 限且不 能及 时反 馈 ，而温度控制 是涉及气 象、水文、材料、施工、结构等跨专业的复杂问题， 在条件变化或出现问题需要决策时，一般也难 以实时 给出及时有效的解决方案 ，即“ 不及时” ；( 3 ) 现场资 料一般 由施工单位提供 ，监测数据往往需要经过人 收稿 日期 ：2 0 1 5 0 9 2 4 基金项 目：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 Y4 1 3 8 B 0 2 ) ；国 家 自然科学基金 ( 5 1 5 7 9 2 5 2 ) ；中国水科院科研专项 。 作者简介 ：李碉( 1 9 8 2 一 ) ，女 ，工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李弱， 等混凝土坝防裂智能监控系统及其工程应用 工采集和后处理 ，即“ 不 准确” 3 J 。同时 ，由于人 为的控制方式 ，施工质量往往受 现场工程人员 的素 质影 响较大 ，产生 与设计状态较 大 的偏差 ，导致温 控施工 的 “ 四大 ” 问题 ，即 ：温差 大 、降温幅度 大 、 降温速率大 、温度梯度 大 ，最终导致混凝 土裂缝 的 产生 。 我国大型水 电资 源开 发重 心 已向云南 、四川 、 西藏等高海拔 、高寒地 区转 移 ，该类地 区具有严寒 时间长 、气候干燥 、 日温差 大 、年平均温度低 、低 温季节 长 、温差 变 化 大 、 日照丰 富 而 多 大 风 等特 征。与低海拔 、温 暖湿 润地 区 的常 规 混 凝 土 坝相 比，这种特殊 的气候条件使得其 在施 工期及运行期 需要采 取的温控 防裂措施 和施工质量监控手段也要 更 为严格 和特殊 ，温控 防裂 措施将 更要有 针对 性 ， 工程施工 质量监 控手段 也应更 为科 学化 、智能 化 ， 如此方能保证大坝施工安全 _ 5 J 。基于上述原 因 ，本 文在 总结国内几 十个混凝 土坝温控 防裂实践经验 的 基础上 ，以现有温控 防裂理论 为技术支撑 ，采用理 论分析 、数值计算 、软硬件研 发 、室 内试验 、现场 试验等多种手段 ，围绕大体积混凝 土防裂智 能监控 的理论方法 、模型 、关键技术及系统进行研究 与开 发 ，形成 了智 能 化 温 控 感 知一分 析一控 制 的三 步 曲，开发出一套具有完整 自主知识产权 的大体 积混 凝土防裂智能化监控 系统 ，并在 高海拔 、大温 差 的 地 区获得成功应用。 2 混凝土坝防裂智能监控系统 2 1 智能监控系统的总体构成 智能监控 系统的构成 同人工 智能类似 ，包 括感 知 、分析和控制三个部分( 见图 1 ) 。感知主要是对各 关键要素的采集 ( 自动采集和人工采集 ) ；“ 控制 ” 包 括人工干预和智能控制 ，其 中人工干预主要是在智能 分析 、判断 、决策的基础上形成预警 、报警及反馈多 种方案和措施 的指令 ，根据指令进行人为干预 ；智能 控制主要是 自动化 、智能化的温度、湿度 、风速等小 环境指标控制，以及混凝土养护和通水冷却调控。分 析是整个 系统 的核心 ，通 过学 习、记忆 、分析 、判 断 、反演 、预测 ，最终形 成决策 J 。从功 能实现 的 角度来讲，主要包括智能温控系统的关键模型、软件 系统及硬件设备。 2 2智能温控系统的关键模型 大体积混凝土防裂智能温控系统的实现主要包括 三个关键模型，分别是理想温度过程线模型、温控效 果评价模型及智能通水模型。下面对三个模型进行 阐 赠 赠 蕊 ( 控制 图 1 智能监控系统的总体 构成 时间 图 2 二期冷却理 想温 度过 程线 时间 图 3三期冷却理想温度过程线 述 。 理想温度过程线是指大坝混凝土在冷却过程中所 遵循的一条降温 曲线 ，按照这条曲线进行降温 ，大坝 混凝土由于温度变化导致的开裂风险相对最小。图 2 和图3为二期冷却及三期冷却理想温度过程线，其中 T m、T c l 、T c 2 、T d等控制指标按 照不 同工程 的特点 通过仿真计算得到。 温控效果评价模型是根据实时监测到的气温 、骨 水利水电技术第 4 7卷2 0 1 6年第 2期 一人 预 丽旰 堂 匪 动 一 一 自 一 _ _ r_1 一 干囡 L _ 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 当 A为 2 0时风轮获得了最大的风能利用系数 0 4 3 ， 与试验结果的误差在允许的范围内，可见本文所设计 的叶片的确具有较高 的风 能利用率 ；图 9为力矩 与叶尖速 比 A的关 系曲线 ，由数值模 拟得 出风力提 水机在额定风速时最大输出扭矩为 3 9 3 7 N m，与试 验结果 的 4 0 N m 接近 ，两 者的误差 在允许 的范围 内。 在试验 中通过电机带动风力机主轴旋转 ，并通过 连接在主轴上的扭矩仪测量得到的空载下的风轮机械 阻力总力矩约为 2 0 N m，由于在 2 8 m s下风轮的 转矩为 3 1 2 N m，大于风轮 的机械阻力力矩 ，因此 所设计的风力提水机在 2 8 m s 的微风下是可 以起动 的。通过计算得知，当扭矩大于2 5 N m时，可带动 所设计的扬程为 1 0 m的配套活塞泵 开始工作 ，由于 篇幅有限，本文对配套活塞泵的设计不作详细说明。 总体来说本文所设计 的风力提水机在 3 m s的额定风 速下可进行作业 。 4结论 ( 1 ) 采用 N A C A 4 4 1 2翼型设计 了小型 中扬程小流 量的风力提水机叶片，并优化了的叶片的弦长与扭转 角 ，使得叶片每个翼型剖面都处在合理攻角 的状态 ， 降低了起动风速，提高了风能利用率，降低了传统风 力提水机风轮的实度 ，节约了成本。 ( 2 ) 数 值 模 拟 表 明，所设 计 的 风 力 提 水 机 在 2 8 m s 的微 风下就能起动 ，在额定工况下 除叶尖 前缘 出现较大 的压力 梯 度外 ，叶片 表 面压力 分 布 较为均匀 ；除 叶根 之外 的其 他 叶片 部分 没有 出现 明显的流动分 离 现象 ，叶 片表 现 出 了较 好 的气 动 特性 。 ( 3 ) 风力 提水机 的风洞模型试 验与数值模 拟分 析，均证明了在 3 m s 的额定工况下最大风能利用率 可达0 4 3 ，较传统风力提水机提高了2 2 8 ；在额 定风速下扭矩达到 3 9 3 7 N r n ，满足了设计扬程的需 要 高狮恒， 等基于结构化网格的风力提水机叶片三维数值分析及试验研究 参考文献 ： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 孙彦君 ，尹钢吉 ， 滕云 ，等 风光互 补型发 电和提水两用 机组 的研究 J 水利水 电技术 ， 2 0 1 2 ， 4 3 ( 2 ) ：7 9 8 1 孙彦君 ，司振江 ， 黄彦 ，等 高效风力发 电提水技术 J 水利 水 电技术 ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 O) ：9 5 9 6 王士荣 ，沈德 昌，刘 国喜 风力提 水与风力 制热 M 北 京 ： 科学 出版社 ， 2 0 1 2 王建忠 风力提水技术 J 内蒙古水利 ， 2 O O O( 4 ) ：5 0 5 1 刘惠敏 风力提水技术的现状与展望 C 2 0 0 9中国可持续 发 展论坛 暨 中 国可 持续 发 展 研 究 会 学术 年 会 论 文 集 ( 下 册 ) ， 2 0 0 9：6 31 6 3 4 丁莹 ， 何 占松 我国风力提水设备应用现状及发展方向 J 农 村牧区机械化 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ：5 O 一 5 2 刘惠敏 ， 王世锋 ，朱俊峰 风 力提水技术 发展历 程 C 2 0 1 1 中国可持续发展 论坛 2 0 1 1年专刊( 一 ) ，2 0 1 1 ：3 1 4 3 1 7 沈德昌 ， 马金琪 ，魏建 明 ，等 F D G一7型 大流量风力 提水机 组的研制 J 农业机械学报 ，1 9 9 1 ( 2 ) ：4 1 4 7 魏建明 ， 沈德昌 ， 马金琪 F D G一 7型风力提水机组 风轮模 型风 洞选型的试验研究 J 农业工程学报 ，1 9 9 1 ( 1 ) ：9 9 1 0 6 卢宏宇 ，陈海涛 r 玎 一 4 81 0 6 8型风力提水机 风轮机构 的设计 与数据分析 J 农村牧 区机械化 ， 2 0 1 4( 3 ) ：4 o - 4 2 张帆， 刘宽宝， 黄毅成 风力提水机外场试验及优化设计 J 江苏农机化， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 2 7 2 9 李海涛 对 刚一 4 81 068型风力提水机 的改进 J 农 村牧 区机械化 ， 2 0 1 3 ( 1 ) ：4 7 4 8 史久瑞 ，郑中军 ， 沈德 昌 多叶式风轮模型气 动特性 的风洞试 验研究 J 农业机械学报 ，1 9 8 5 ( 4 )：7 4 8 4 胡建栋 ，邹 占武 ，徐双信 F S H一4 0 0型风力 提水 机的设计 试 验研究 J 太 阳能学报 ，2 0 1 3 ( 5 ) ：8 9 5 - 9 0 1 魏义利 大型风力机 叶片 的外形设 计与数值模拟 分析 D 大 连 ：大连理工大学 ， 2 0 1 0 丁琳， 郑源， 张福星 基于流固耦合的垂直轴风机受力分析 J 南水北调与水利科技 ， 2 0 1 3 ，1 1 ( 4 )：8 4 - 8 8 张庆麟 风力机叶片三维气 动性能的数值研究 D 北京 ：清 华大学 ， 2 o 0 7 庞加斌 ， 刘 晓晖，陈力 ，等 汽 车风洞试验 中的雷诺数 、阻塞 和边界层效应 问题综述 J 汽车工程， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 7 ) ：6 0 9 61 5 ( 责任编辑郭利娜) ( 上接第4 l页) 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 - 1 8 5 张国新，刘有志，刘毅 “ 数字大坝” 朝“ 智能大坝” 的转变：高 坝温控防裂研究进展 c 中国大坝协会 2 0 1 2学术年会论文 集 成都 ：2 0 1 2 6 张国新， 李松辉，刘毅，等 大体积混凝土防裂智能监控系统 J 水利水电科技进展 ， 2 0 1 5 ，3 5 ( 5 ) ：1 6 水利水电技术第4 7卷2 0 1 6年第2期 7 8 郭晨 ，张国新 ，魏永新 ，等 大体积混凝土冷却通水 自动控制 系统在鲁地拉水电站的应用研究 C 2 0 1 3 年大坝安全监测专 委会年 会 暨 大 坝安 全 评 价 技 术 交 流 会 论 文 集 辽 宁 丹 东 ， 2 01 3：5 21 5 2 4 张国新 ，李松辉 ，刘毅 大体 积混凝 土防裂动态智 能温控系统 R 北京：中国水利水电科学研究院，2 0 1 4 ( 责任编辑陈小敏 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m