工程科研在前坪水库建设中的应用

□应越红

（河南省前坪水库建设管理局）

1 实施目标

近年来，随着一批特高大坝的建设，传统的施工手段和施工评价方法难以胜任，大坝数字化建设呈现出强劲的发展动力。在智能大坝理念推广的背景下，前坪水库作为国务院确定的172项重大水利工程之一，开工伊始就树立了“科学统筹、超前谋划”的理念，确立了“建设优质工程、打造美丽前坪”的总目标。工程科研以“工程安全、运行高效，居高望远、引领发展”为指导，以“创新驱动发展”为动力，充分汲取高科技力量，探索心墙土石坝建设4.0模式，构建智能化的建设管理和高效运行系统，为优质工程建设提供科技支撑。

2 主要任务

2.1 优化设计关键技术

包括4个课题：①土石坝料分区优化设计。通过对坝壳料分区方案、软硬岩混合应用方案论证，利用三维数字化信息，优化工程布置，提高工程质量。②深覆盖层处理方案优化。③消能防冲方案优化。开展溢洪道、导流洞等结构水力学模型试验，优化水力学参数，降低溢洪道破坏风险。④粘土心墙自修复性能优化。

2.2 数值仿真分析关键技术

包括5个课题：①土石坝应力变形全生命过程仿真。建立土石坝三维时变数字模型，分析预测大坝沉降量，优化大坝筑坝材料分区，减少发生不均匀变形的区域。②土石坝渗流有限元分析。优化分析防渗灌浆效果，提高土石坝渗透变形的安全性和水库运行的安全性。③大体积混凝土温度控制，保证大体积混凝土浇筑质量。④地基加固与危险边坡稳定分析。开展大坝基础可能存在的不良地层结构加固技术研究和坝肩高陡边坡处理方案优化研究，满足土石坝基础变形与强度要求。针对库区地形地质条件复杂，开展地质灾害的风险分析和处理措施优化以及安全监测研究。⑤水库防汛调度优化。

2.3 施工组织总体规划技术

包括6个课题：①施工期导流水力控制技术。对施工中的导流规划、围堰防渗墙、围堰堰体的快速施工、施工期过水防护、各施工阶段的水流控制等关键技术开展研究。②深覆盖层围堰及防渗墙快速施工技术。开展围堰深覆盖层防渗墙、膜土防渗体系及坝堰结合要求下的围堰快速施工技术研究，为大坝深覆盖层施工赢得时间。③大坝施工期安全风险与成本风险协同控制技术。研究不确定因素对安全与成本目标的影响以及二者本身之间的相互影响，对施工方案进行综合均衡优化。④大坝施工期安全风险动态评估技术。研究各施工阶段因超标准洪水导致事故发生的风险概率与风险损失的对应关系，动态评价大坝施工期的风险程度，为提前采取风险控制措施和提高大坝施工期的安全水平提供依据。⑤大坝分期分区坝面施工规划。合理分区填筑，加快施工进度。⑥大坝施工总进度及快速施工技术。开展施工总进度和合理工期研究，为早日实现工程效益提供支持。

2.4 筑坝料源与土石方平衡技术

包括4 个课题：①心墙料挖掘、堆存技术。在大坝填筑作业面附近进行一定量的心墙料的储存，研究储存期间含水率变化、装卸分离等关键问题。②反滤料生产系统节能减排技术。开展系统运行作业、毛料粒径控制、半成品调料仓大小和变频启动循环水利用等技术研究，有利于节能减排。③筑坝材料工程特性与施工技术研究。通过不同土料的科学试验，得出合理的土料掺砾级配及含水量指标，满足心墙土料的强度、抗渗要求。④筑坝料多源、多料种综合利用。结合不同施工阶段各施工部位开挖填筑特点、料场布置、料场开采计划以及各堆石料、过渡料、反滤料级配要求等因素，开展土石坝施工多料源的调配研究，提高开挖料的利用率。

2.5 土石坝施工智能化控制技术

包括7个课题：①施工质量监测与控制技术。主要有心墙料上坝前含水量检测、施工现场砂砾石压实度及含水率偏差快速检测技术、与坝体填筑区物料分布差异性大相关实测技术研究等。②大坝施工期安全监测、分析技术。建立基于GIS的土石坝碾压质量监控与评价系统，研究建立进行大坝变形、沉降、渗流等安全监测布置的三维可视化模型。③水库施工现场安全智能管理系统。为保障工程现场安全生产，对在场人员设备管理实现实时控制、危险预警需要采用自动检测智能化管理系统。④大坝数字仿真分析。建立大坝沉降预测变形模型，对现场施工起到一定的指导作用。⑤施工过程动态仿真辅助调度系统。便于科学地组织调配施工资源以及对未来施工进度进行预测。⑥筑坝料智能物流、智能碾压施工技术。实现现场施工调度指挥和信息跟踪、反馈。⑦碾压设备无人驾驶远程控制技术，促进施工机械的智能化发展。

2.6 物联网安全监测与大数据应用技术

包括6 个课题：①开展视频监控系统。结合水情测报、大坝安全监测、水库环境监测等系统的实时数据，为防洪调度和安全防护等决策提供更直观、丰富的信息。②库区洪水预报及水质监测系统。结合库水容量信息，综合考虑水库的发电、灌溉，航运等兴利目标，构建大坝防洪调度系统。建立水质监测系统，保证入库水质达到标准，增强应对突发性污染事故快速反应能力。③闸门自动开启系统。对闸门远程监控系统中的关键技术进行深入探索，结合本工程提出一套精度高、实时性强、网络安全的闸门远程监控系统。④大坝运行期风险综合评价系统。研究定量分析在发生超标准洪水的条件下，不同调度方案可能造成的事故概率与事故后果，合理确定防洪调度方案。⑤土石坝与近坝边坡安全监测与预警系统。研制构建一套土石坝自动化安全监测，研发滑坡预测预报系统，提前预报滑坡的发生，避免大规模的滑坡影响水库的安全运行。⑥系统集成研究。基于设计、施工以及运行各子系统模块，集成为“前坪水库建设管理与高效运行系统”，掌握工程运行状况，进行工程安全预报和预警。

3 实现途径

3.1 加强组织协调

在科研大纲的框架下，建管局同清华大学、北京航空航天大学、中国水利科学研究院、南京水利科学研究院、郑州大学、华北水利水电大学、省水利勘测设计研究有限公司、省水利勘测有限公司、省水利科学研究院及各工程参建单位等建立协调机制，开展监督评估、动态调整等工作。制定专项实施政策。根据专项课题攻关计划，成立由业内专家组成的专家委员会，结合国内外科技前沿动态及发展趋势，及时提出咨询意见，确保课题的高效开展。

3.2 健全管理制度

充分发挥专业机构在专项过程管理中的优势，健全专业化机构的管理职能，确保专项目标实现。按照专项涉及的领域及内容，制定专项管理工作方案，规范项目受理、评审、立项、过程管理及验收等工作。加强科技成果评价和知识产权管理，加强课题经费监督审议，建立科技诚信和责任倒查机制。

3.3 加快成果转化

建立一批监测预警与防范示范工程区段，充分利用工程事故应急预案机制，促进研究成果在工程建设与高效运行管理实际工作中的应用与推广。落实科技成果使用处置和收益政策，调动参建单位从事科技成果转化应用的积极性。

3.4 促进信息共享

统筹监测预警系统，完善数据共享机制及办法，建立跨单位的数据共享机制，推进监测预警数据共享，为科学研究提供数据支持。通过多种形式，交流与讨论科研最新成果，公布研究成果。

4 实施步骤

前坪水库科研分三期进行。第一期主要启动为设计服务的科研内容以及部分施工方面的科研内容，第二期启动发布以施工阶段相关的科研内容为主，第三期以发布水库运行管理科研任务为主，开展水库高效运行的系统建设方面的科研工作和集成大数据信息平台的研究。

5 结语

前坪水库通过33 个课题的科研攻关，解决了工程各个建设阶段的技术难题，建立了建设管理与高效运行整体系统。这套系统基于物联网、无线通讯、计算机控制等新近高科技成果，由设计、施工与运行三个子系统组成，负责组织、管理前坪水库建设管理以及以后高效运行的大数据平台，将前坪水库打造为“互联网+水利工程”的一个典范。研究成果形成论文、论著、国家专利及标准等，在为前坪工程安全、高效、快速建设提供综合保障的同时，对中国土石坝信息化建设起到了促进作用。