黄登水电站建设管理中的数字系统研究与应用

郭建文，陈 锐，邓拥军

(华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650214)

1 项目开发背景

黄登水电站混凝土重力坝高203 m，是我国已建在建最高的碾压混凝土坝，施工质量控制难度大。针对碾压混凝土的裂缝问题以及层间结合等施工质量控制难题，目前已经形成一套技术体系，但对于200 m级高碾压混凝土坝尚无借鉴经验，外加混凝土施工现场情况复杂，传统的施工和管理方式很难将防裂方案扎实贯彻，因此“无坝不裂”仍然是现实存在的，一些碾压混凝土坝层间结合质量也不尽如人意，故有必要从技术和管理相结合的角度提出一套新的质量管控理念和方法，解决200 m级高碾压混凝土坝的建设质量问题。

目前，我国混凝土坝温控防裂设计与施工的传统工作模式是：在可研阶段、招标设计和施工详图阶段，依据现行规范、科研计算和各个阶段的设计施工条件，确定和改进温控措施，作为主管部门审查、招投标和具体施工的依据。上述工作模式存在一系列问题：传统工作模式响应速度慢，而无法适应复杂多变现场条件；传统工作模式无法对温控过程进行实时有效监控，难以即时发现问题；监测资料无法满足实时和准确性要求，难以支撑咨询、审查验收要求。

除大坝混凝土温度控制外，混凝土碾压质量也是碾压混凝土重力坝施工质量控制的主要环节，直接关系到大坝安全。传统的碾压混凝土坝施工质量主要由人工通过巡检、旁站等方式进行控制，受人为因素影响大，质量控制的精度低，缺乏高精度、自动化的施工质量实时监控手段与方法。如何减少人为因素影响，对施工过程进行精细化管理，实现高精度、自动化的碾压混凝土坝施工质量实时监控，是亟待解决的科学问题。与施工质量控制常规方法相对应的是施工质量实时监控方法，通过实时监控相关施工参数，可连续、实时、精确地对施工过程质量进行控制。

随着信息化技术的发展，利用数字技术进行大坝施工质量、施工期运行期工作性态的监控已成为保障大坝安全的新手段。混凝土坝数字监控也成为当今坝工领域的重要研究方向，智能监控更进一步，利用先进的GPS 技术、软件技术、网络技术、数据库技术、自动化监测技术、数值仿真技术和自动控制技术，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及智能反馈控制等模块的大坝智能监控系统，实现大坝施工期和运行期各种施工和监测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质量与安全风险的预警和反馈控制，最终实现大坝全过程的质量与安全状态实时可控。

2 项目研发

2.1 建设目标

(1)对黄登水电站大坝建设质量(混凝土温控和浇筑碾压环节等)和施工进度进行在线实时监测和反馈控制。

(2)将大坝碾压质量、温控、仓面施工、坝面检测以及大坝施工进度等信息进行集成管理，为大坝建设质量和进度监控，以及坝体安全诊断提供信息应用和支撑平台。

(3)为实现黄登工程综合信息(施工期和运行期)数字化管理提供基础。有效提升黄登水电工程建设的管理水平，实现工程建设的创新化管理，为打造优质精品工程提供强有力的技术保障。

(4)为大坝枢纽的安全鉴定、竣工验收及今后的运行管理提供数据平台。

2.2 系统总体框架

系统采用模块化开发，在统一的系统综合管理平台基础上，按使用功能划分为工程信息管理系统、施工过程智能监控及质量评价系统(见图1、2)。其中，施工过程智能监控及质量评价系统包括混凝土施工工艺监控系统、混凝土温度控制监控系统、大坝基础灌浆监控系统、大坝安全检测系统等4个子系统。系统预留接口，可进一步实施大坝运行后评价系统等功能模块。实现全方位、全过程、数字化、信息化、智能化管理。

图1 系统框架

图2 系统登陆入口、中心数据库和数据交换总线

2.3 项目功能

2.3.1工程信息管理

工程信息管理系统包含施工组织设计、质量检查结果、施工过程数据上报审批等功能，主要实现工程信息数据的统一管理以及参建各方的工作协同。系统通过全面继承设计成果、管理施工工艺过程、形成完整的工程数字化档案。系统通过对大坝浇筑过程中计划、设计、施工、质量的数据，以及试验检测数据的采集、分析、统计，实现施工数据的集成化管理，为施工过程的全面管控提供支持。

(1)施工计划管理的录入实现施工计划管理的信息化，方便了各单位对施工计划的查询管理。

(2)工程信息管理系统的使用使得仓面设计、浇筑准备、开仓申请、施工配 料的流程环环相扣，上一过程完成，下一过程才能开始，实现施工过程精细化管理。

(3)试验检测信息模块数据录入，实现施工中混凝土原材料、半成品、成品 的试验检测数据实时管理，通过与质量指标的对比，管理人员可及时掌握混凝土 材料质量情况，提高试验检测分析的准确率和工作效率。

(4)系统通过工序质量评定流程，全面管理了工序验收、质量评定、质量缺陷数据，自动将工序验收资料根据评定标准和预设算法自动生成单元评定的优良 等级，减少人为干预，提高评定的准确性。同时系统可通过对工序数据统计分析，及时掌握各部位、各时间段内，各工序的质量分布情况。

(5)系统可动态管理设计、施工过程中各类资料，进行分类整编，统一存储，利用功能强大的多维度检索引擎实现资料的查阅与共享。通过资料的及时管理，有效控制了竣工归档资料的缺失。通过综合查询功能实现各类共享数据的输出，方便施工资料数据的查询和分析。

2.3.2大坝混凝土施工工艺监控

大坝混凝土施工工艺监控及质量评价系统通过对拌和楼拌和数据、混凝土出机口性能数据、混凝土压实度信息的采集以及对施工现场碾压、平仓机械的实时 监控，同时运用反馈机制对施工混凝土工工艺和施工质量进行实时控制。监控大坝碾压混凝土施工过程，规范了碾压施工作业，为碾压混凝土施工质量提供保障，并为现场施工和监理提供有效的管理控制平台(见图3)。

图3 施工工艺监控子系统仓面层间间歇时间实时监控界面

(1)混凝土施工工艺监控系统投入使用以后，该系统已完成了多个碾压混 凝土浇筑仓的实时监控任务。监控显示施工结果满足碾压标准遍数及以上比例的 浇筑仓超过 90%，无明显漏碾、欠碾区域。通过该系统质量管理人员可以在施工 过程中实时查看碾压轨迹、行走速度、碾压遍数、碾压高程、激振力等参数，方 便了现场监管和控制，保证了施工质量要求。同时系统还自动保留了完整的平仓 碾压施工过程数据，使得碾压施工过程全程可追溯。

(2)系统通过移动端实时收集混凝土在各个阶段的质量检测信息。保证各项施工数据的全面获取，确保数据的全面采集与分析。

(3)混凝土拌和楼生产信息远程自动采集分析系统自动完成采集混凝土生 产数据信息并将采集到的数据进行保存。系统可根据需要生成各个时段的材料统 计图形报告，方便各单位在施工结束后对拌和楼生产过程数据进行查询和统计分析。

(4)大坝混凝土施工工艺监控系统的使用使得碾压施工质量能够用具体的数据标准来判断碾压施工质量是否合格，可弥补传统人工监控的缺点。保证大坝碾压混凝土施工过程规范、质量优良。

2.3.3混凝土温度控制

大坝混凝土温控智能监控子系统(见图4)运用自动、半自动、人工录入3种方式对出 机口温度、入仓温度、浇筑温度、混凝土内部温度、冷却水水温水压、通水流量 等20多种温控要素进行全面采集，完成对温控施工的实时评估与预警，并自动 计算出通水预测流量，通过施工现场温度流量智能控制设备，实现个性化的智能 通水与控制。

图4 高碾压混凝土坝施工防裂全过程智能监控方法

(1)黄登电站施工过程中运用大坝混凝土温控智能监控系统完成了主坝所有浇筑单元的温度信息采集和通水智能控制。基本实现了主坝个性化的无人为干预的混凝土内部温度信息自动采集和个性化智能通水，节约了大量人力。

(2)系统结合半自动方式实时录入入仓温度信息和浇筑温度信息，对已经浇筑的大坝混凝土入仓、浇筑温度已实现了温度信息合格率的自动分析。

(3)大坝温控智能监控系统使得所有大坝内部温度信息可自动采集，对所有冷却通水管路可以自动调控，且能够严格按照设计标准进行通水，取代人工操作而降低了错误率、减轻了人力劳动。

2.3.4大坝基础灌浆监控

大坝基岩灌浆监控系统(见图5)覆盖了灌浆施工的设计、计划、施工等多个阶段，从单元孔段的定义到施工过程数据、质量检测数据的采集，到最终的单孔验收、成果整理分析，提供全过程的单元、孔、段、灌次、时程数据的管理和分析，保证了设计、施工、检查等灌浆资料的完整性，提高灌浆成果资料整理的工作效率。

图5 大坝基岩灌浆监控系统加浆量实时监控界面

通过应用系统对灌浆数据进行采集，实现了各个孔段的灌浆数据实时自动获取，和灌浆数据图形化分析。相较于传统分析记录节约了大量人力物力，且生成的成果精确直观，极大的方便了灌浆施工成果分析。

2.4 项目实施总体情况

2015年3月，项目研发完成，并首次在黄登大坝第一仓混凝土施工中得到应用。此后，系统通过不断完善和补充，在黄登、大华桥水电工程得到成功应用。2018年4月12日，黄登水电站大坝最后一仓混凝土浇筑完成。

目前黄登水电站大坝已顺利封顶，累计完成混凝土超过350万m3；工程已于2017年11月下闸蓄水；1号、2号、3号机组已分别于2018年7月5日、7月12日、8月16日投产发电，较可研规划分别提前约6个月、8.5个月和11.5个月。

3 系统亮点及创新点

通过系统地总结和提炼，数字黄登系统主要创新点和亮点主要如下：

(1)首次系统建立了200 m级高碾压混凝土坝全过程、全环节、全要素施工标准和质量控制指标。建立了高碾压混凝土坝数字化的原材料检测、拌合物制备、仓面碾压、层间结合、变态加浆和温度控制等施工标准、工艺控制、指标体系；建立了混凝土智能温控指标体系和标准，提出了“基础温差适当放宽、内外温差从严控制”的高碾压混凝土重力坝温控设计原则。

(2)首次系统提出200 m级高碾压混凝土坝施工质量数字监控关键技术。提出了高碾压混凝土坝仓面升层时间的实时监控方法，实现了对碾压混凝土仓面层间结合时间的实时动态管控；提出了高碾压混凝土坝变态混凝土加浆量实时监控方法，实现了对于变态混凝土加浆量的实时控制。提出了高碾压混凝土坝全过程防裂智能温控方法，实现了温控全要素实时感知与互联互通，开裂风险的智能分析以及混凝土温控施工全过程反馈控制。

(3)创建了高碾压混凝土坝闭环控制的全过程信息化管控平台。将原材料检测、混凝土生产、碾压质量控制、温度智能控制、施工工艺监控、大坝基础灌浆监控、安全监测、决策支持、运行管理等环节有机融合，形成了一个闭环控制的全过程信息化管控平台。

4 实施效果

黄登水电站致力于打造“优质精品工程”、“流域窗口示范工程”，进而争创“国家优质工程”，应用互联网+技术，研发和实施了数字黄登·施工管理信息化系统，取得应用效果主要如下：

(1)办公成本节约。通过施工流程电子化管理，采用先电子流程审核、后实物打印的模式，预计文件资料打印成本可降低40%；人员交通成本可降低20%。

(2)节省温控通水费用。相对于传统人工经验调整温控通水控制要素，智能温控可实现对现场温控数据的及时、准确、全面获取；对通水流量和温控质量进行精细化控制。其一方面提高温控施工质量，另一方面可大量节省冷却通水量和人力；同时更能适应现场恶劣条件。黄登水电站混凝土方量350万m3，混凝土浇筑中使用智能温控系统，每天可节省人力约50人；节约冷却通水水量15%左右；温控标准实时优化调整将最高温度标准放宽2℃，混凝土冷却量减小了4℃，经测算，综合成本共节约约6 000万元。

(3)人员投入减少，工作效率提高。通过自动化、数字化的数据采集手段，现场施工过程数据采集效率提高，高峰期现场数据采集人员显著减少；生产数据资料与成果整理全部通过系统自动生成，节省管理人员大量数据整理、校对的时间，更注重最终的成果分析，人员工作负荷显著降低；通过施工流程电子化管理，成果与信息的跨单位流转和反馈效率提高；原始数据与过程数据集中存放在系统中进行管理，竣工资料整理的周期大大缩短，工作量大幅减少，效率显著提高。

(4)工作质量提高。所有施工过程数据通过系统综合管理平台集中统一管理，数据完整性非常高，形成完整的工程数字化档案。信息可以实现工程参建各方的共享，直接为工程的设计、施工组织与质量管理服务。施工过程质量监控系统(如碾压质量监控、温度监控、灌浆监控等)可以做到对现场施工的及时监控和精细化控制，可随时了解现场的综合状况，及时分析、快速反馈，有效降低风险，提高工程质量。

(6)掌握核心技术。系统研发后能形成多项专利和自主知识产权，目前已累计取得3项发明专利、6项实用新型专利及5项软件著作权，其他积极申报待批的知识产权还有约15项。2018年9月16日，经大坝工程学会组织专家评审，“200 m级高碾压混凝土坝数字化建设创新与实践”技术成果达到国际领先水平。

(7)其他。项目的研发及应用有力推动了黄登水电站大坝建设的质量，极大地提升了电站建设质量管理水平；在此基础上，黄登水电站成功实现了“一年三投”发电目标，较可研规划分别提前约6个月、8.5个月和11.5个月，提前发电产生效益显著。

5 结 语

基于高碾压混凝土坝数字化建设的相关系统，已成功应用于黄登、大华桥等水电工程，并将继续向乌弄龙、托巴等工程进一步推广应用。本项目研究和应用成果在以下4个方面可促进了我国筑坝水平的提升：一为大体积混凝土温控施工质量提供直接技术支撑，二为系统总结提高混凝土温控设计理论水平提供资料支撑；三为混凝土坝工程验收提供直接依据；四为碾压混凝土大坝施工质量监控提供示范，本项目可扩展至大坝施工质量监控的其他方面，实现混凝土坝施工期工作性态的“可知”和“可控”，填补国内相关领域的空白。本项目的研究成果还可应用于水电行业大体积混凝土施工尤其是混凝土坝的建设，也可向核电、港口等其他行业推广，应用前景广阔。

基于现有的“数字黄登”系统及预留接口，系统在推广应用时还可在如下几方面实现进一步的提升。

(1)建立大坝混凝土温控反演及反馈分析子系统，实现基于监测信息的混凝土温度场自动反馈仿真分析。以大坝施工工艺监控、大坝混凝土温度控制监控及大坝安全监测的相关数据信息为基础，运用大体积混凝土温度场及温度应力三维有限元分析程序、神经网络和遗传算法等技术，实现混凝土热、力学性能及边界条件的反演分析，确保仿真计算得到的温度场反映现场实际情况。利用反演参数，进行大坝施工期温度场及温度应力跟踪仿真分析或某一典型时段坝体温度和应力的预测分析，确保温控防裂预警的实时性和准确性，用于指导大坝温控措施的优化调整及评估大坝工作性态和安全性。

(2)基于大坝施工期结束后生成的BIM模型，建立大坝运行期后评价系统，实现对碾压混凝土坝进行全生命周期的数字监控和质量管理。大坝运行期的主要任务转为坝体工程的安全监测，基于大坝施工期结束后生成的BIM模型，建立大坝运行期后评价系统，以结构风险评估为中心，以GIS为协同、管理平台的水电工程全生命周期安全管理的思路。在工程全生命周期中的各个阶段，始终以工程风险的数学指标进行控制，采用协同管理模式，通过集成的工程统一BIM数字模型进行信息交流、反馈和风险分析，进而做出相应的管理决策。运行期后评价系统可包括以下功能：①监测信息的有效管理与可视化查询、分析。通过运行BIM中布设的监测设备模型，实现监测信息的有效管理与可视化查询、分析等功能。②坝体运行期安全监测与评价。针对坝体变形、应力、渗漏量等监测数据及发展变化对坝体的工作形态进行评价，提出必要的工作处理措施；跟踪坝基渗漏量情况评价坝基基础处理效果；依据声波长观测孔的测量数据了解坝基受力状况，评价坝体的安全性能。③考虑坝体材料老化的长期安全性评价。④坝体运行期加固设计及历史信息管理。⑤坝体溃坝分析、坝体运行期安全预警及应急预案制定。⑥综合以上信息，可建立基于BIM的数字坝体运行期安全控制与调度平台。