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1、混凝土坝温控防裂智能监控系统及其工程应用混凝土坝温控防裂智能监控系统及其工程应用摘要: 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1 引言 进入21 世纪以来，中国已经成为了世界大坝建设的中
2、心。根据中国大坝协会的统计资料，2002年 在建的坝高60 m 以上大坝，中国有88 座，占总数的25. 2%1; 一批世界级的混凝土坝工程陆续建 成或开工建设，截至于2013 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 200 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
3、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 5，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6，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GPS 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7，而运用自动化监测技术监控混凝土温 控施工质量也已成
4、功应用于一些特高拱坝工程8，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9，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CC 重力坝的底宽160 m，小 湾、溪洛渡70 90 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 9 11，这些理念对温控施工提出了精细化的要求，这一精细
5、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，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
6、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 2 混凝土坝智能监控的基本理念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
7、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 3 混凝土坝温控防裂智能监控系统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
8、混凝土防裂为根本目的，运用自动化监测技术、 GPS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监测、分析与控制的系统。该系统可 以实现以下功能:( 1) 温控信息实时采集与传输，即通过研发相关温控信息实时采集设备，对大体积 混凝土施工有关温控要素信息进行实时采集，通过无线或有线的方式将温控信息实时自动传输至服务 器; ( 2)温控信息高效管理与可视化，即将温控信息纳入数据库进行高效管理，实现基于网络和权限
9、分配的信息共享，设计相关温控管理图表，形成温控信息可视化管理平台，通过该平台可实现海量温 控数据的高效化管理和直观化显示; ( 3) 温度应力仿真分析与反分析，在温控信息高效化管理与可视 化平台的基础上，根据实测资料进行温度应力的正分析及反分析，实时把握大体积混凝土的温度应力 状态; ( 4)温控施工效果评价和预警，通过对温控信息的高效化管理与温度应力的正反分析，对混凝 土温控施工情况进行评价，对海量实测数据及分析成果中的超标量进行预警，并对超标程度及处理情 况进行类别划分及级别划分，将需要处理的意见建议通过统一的平台发送至不同权限的施工与管理人 员; ( 5) 温控施工智能控制，按照理想化温
10、控的施工要求，基于统一的信息平台和实测数据，运用经 过率定和验证的预测分析模型，提出通水冷却、混凝土预冷、保温等施工指令，通过自动控制设备或 人工方式完成下一个时段的温控施工。 3. 2 主要模块 3. 2. 1 温控信息采集模块 该模块运用自动化量测设备对出机口温度、浇筑温度、入仓温度、大坝内部温度、水管通水流量、 通水水温、温度梯度、气温及太阳辐射热等有关温控的各个要素进行自动采集。该模块的主要设备包 括混凝土浇筑温度测试记录仪、混凝土内部温度监测设备、太阳辐射热测量仪、混凝土出机口温度测 试记录仪、水温测量仪等，所有仪器通过唯一地址编码或者GPS定位来确定所量测信息的部位，以实现 温控信
11、息的全自动采集。 3. 2. 2 温控信息传输模块 该模块运用有线或者无线方式将所采集的温控信息实时传输至服务器数据库，将系统的预警信息 发送至有关人员的手机上，将控制指令传输至相应的控制设备。典型传输路径如下( 见图1) : ( 1) 内部温度监测信息可通过现场搭建的无线平台直接传输到坝址区计算服务器; ( 2) 拌和楼出机口温度 由红外温度测量仪测量并通过GPS 无线发送至坝址区数据采集服务器; ( 3) 入仓温度、浇筑温度在 浇筑仓面通过入仓温度、浇筑温度采集仪采集并通过GPS 无线发送至坝址区数据采集服务器; ( 4) 坝址区数据采集服务器通过将实时采集的数据定时发送回业主营地服务器，
12、业主营地服务器定时将信 息进行整合与分析; ( 5) 业主营地服务器将预警信息通过GPS 方式实时发送给现场施工及管理人员 手机; ( 6) 工作人员通过网络协议可以在任何地点( 有Internet 网络信号覆盖) 的地点进行访问。图 1 系统温控信息典型传输路径3. 2. 3 温控信息管理和施工效果评价模块 该模块对温控信息进行高效管理，确保数据库信息在网络覆盖的范围内实现共享; 依托这些信息， 运用统计表和图形对温控施工效果进行评价。 该模块采用三层B /S 架构: 接入层即数据采集层，以网页的形式分布; 中间层即应用逻辑层，提 供应用服务; 后端为数据存储层，采用SQL Server 数
13、据库。主要输入信息包括公共信息、浇筑信息、 水管信息、浇筑仓表面及监测信息等，主要输出信息包括温控信息评价统计图表、预警信息、智能通 水和智能保温模块发布的施工指令。 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、混凝土入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。图 2 浇筑仓综合温度曲线3. 2. 4 温度应力仿真分析与反分析模块
14、 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12，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
15、 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
16、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，完成通水流量和温度的自动调控; ( 7) 重复( 4) ( 6) ，进入下一个循环。图 3 智能通水模块典型安装3. 2. 6 智能保温模块 该模块能根据天气预报和当前温控情况，评估未来一段时间的混凝土表面开裂风险，提出相应的 表面保温工程措施建议。其工作流程如下: ( 1) 建立全坝模型，每天根据数据库中的施工信息扫描临 空面; ( 2)提取已经预先计算得到的长周期表面温度应力信息;( 3) 获取一周的天气预报信息，根据 不同临空面浇筑仓混凝土的龄期进行短周期表面温度应力计算( 计算公式见参考文献13) ; ( 4) 将长周期应力与短周期应力叠加得到表面应力; ( 5) 根据预先设定相应龄期的混凝土强度信息，计算 不保温时的抗裂安全系数; ( 6) 如安全系数不满足要求，则根据设计要求的最低安全系数反算出需要 采取的保温措施( 保温板厚度) ; ( 7) 将温控施工建议发送至相关施工与管理人员
