混凝土坝智能监控系统研发及在高海拔大温差地区的应用

黄 燕，范志勇，王振红，黄 涛，刘有志

（1.内蒙古引绰济辽有限责任公司，内蒙古 乌兰浩特 137400；2.华能西藏发电有限公司，四川 成都 610200；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

目前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，藏木水电站是我国西藏的第一座装机在50万千瓦时以上的大型电站，低温季节昼夜温差超过25℃、严寒时间长、气候干燥、年温差小而日温差大、年平均温度低、日照丰富而多大风是本工程的基本气候特征。与低海拔、温暖湿润地区的常规混凝土坝相比，藏木混凝土大坝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更为特殊，温控防裂措施将更要有针对性，工程施工质量监控手段更应科学化、智能化，如此方能保证大坝施工安全[1]。

目前我国在高寒、高海拔地区筑坝积累了一定的经验，但还不成熟，系统性不强，尚缺乏此类地区针对性的温控防裂标准和智能监控手段。大多数工程传统的做法是采用旁站监理和施工技术人员依据现场检测数据和监测资料，结合经验和规范要求，对施工质量和工作性态进行监控。但是由于监测和检测数据存在不全面、不及时、不真实、现场人员经验缺乏，现场实施出现问题后也缺乏有效的实时调控手段等诸多问题，施工质量和工作性态监控仍是大坝施工管理的一大难题[2]。

在这样的背景下，中国水科院科研团队在系统总结国内数十座混凝土坝温控防裂经验的基础上，提出了大体积混凝土防裂动态智能温控理论与方法[1-3]。基于自动化监测、GPS、无线传输、网络与数据库、信息挖掘、数值仿真、自动控制等技术，研究解决大体积混凝土温控监控智能化所面临的一系列关键技术难题，研发了一整套包括硬件和软件在内的大体积混凝土防裂智能温控系统，并在高海拔大温差地区的藏木工程中得到成功应用。

2 智能监控方法的提出

2.1 智能监控基本思路2007年，朱伯芳院士首次提出了混凝土坝数字监控的理念[4]，该理念提出了将仪器监测与数字仿真相结合，解决了长期以来大坝施工期工作性态仪器监控与数字仿真相脱离的问题，在鲁地拉、锦屏一级拱坝和溪洛渡拱坝得到应用[5-7]，对于提高大坝施工质量、减少裂缝产生起到了非常重要的促进作用。然而，数字监控方法仍然存在明显的不足，主要反映在两个方面：（1）数字监控没有实现温控信息采集、温控信息传输与管理、温控仿真分析、温控预警与反馈控制的全自动化，温控数据自动采集也仅限于温度监测数据，尚未形成完整闭环系统；（2）无法对混凝土温控过程进行实时监控和自动干预，需要基于有经验的温控专家现场仿真分析后才能对温控实施情况进行有效评估和风险预测，应用推广受限于温控专家的水平和数量，动态调控工作不实时、不智能。

基于这种现状，在现有方法与技术的基础上，考虑到仪器监测和数值仿真各自的优势和不足，提出了智能监控的理念，其基本思想是：以仪器监测数据和数值仿真技术为基础，充分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，实现具备温控信息实时采集与实时传输、温控信息自动管理与评价、温度应力自动分析与反分析、温控措施实时反馈与自动控制以及开裂风险实时预警等功能的系统监控方法，从而实现大坝混凝土的智能监控。

智能监控方法是数字监控方法的升华，在数字监控方法的基础上增加了温控信息的实时采集与自动传输、施工期通水冷却过程的智能控制与管理、温控信息及安全风险预警信息的智能化发布等功能和内容。解决了传统监控方面“不实时、不真实、不系统”的问题，可实现设计温控要求下大坝施工及运行全过程工作性态与安全风险的实时智能控制与管理。

2.2 智能监控的内涵及关键功能智能监控实质上是基于仪器监控，利用当前的现代化科技手段，建立大坝的智能监控模型，从大坝开工到运行，不断进行反分析、仿真分析、安全评估和预报，对大坝工作性态进行真实模拟、可信预测以及实时控制，为大坝施工质量控制和运行管理提供动态决策支持。其内涵及作用主要反映在以下几个方面：（1）智能监控是将仪器监控、数值仿真与智能控制相结合的一种方法，其基本内涵是对监测资料的实时统计分析、对全坝进行全过程进行实时跟踪反馈仿真分析与风险预警，根据反馈分析结果实现温控防裂措施的自动-智能控制。（2）智能监控模型要尽可能模拟大坝真实工作性态，材料变形要考虑弹性变形、徐变和非线性变形，要考虑各种缝的非线性作用，荷载要考虑温度、自重、水压力、渗流场及地应力等，参数要根据监测资料进行动态反演。（3）智能监控要具备预报预警功能，即：根据当时实际状态和预订的计划措施，预报后续施工期及运行期的温度场、应力场和安全系数。（4）智能监控最重要的是要具备自动控制功能，即可以根据大坝的实际状态及理想控制模式进行自动调整与控制，使得大坝工作性态始终处于一种可控的状态。

3 智能监控系统的开发

基于智能监控的思想与内涵，在解决理想温度过程线模型建立、监测数字智能采集与传输、高速反馈仿真分析技术开发、智能通水控制硬件及软件开发、安全风险预报预警功能开发等一系列关键技术问题的基础上，研究开发出一套包括硬件和软件在内的、具有8个功能模块的智能监测系统，实现全坝施工全过程温控防裂的智能监控。智能监控软件系统原理与架构如图1所示。

3.1 提出了理想温度过程线的制定及实现方法所谓理想温度过程线，是指如图2所示的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。按照碾压混凝土重力坝、常态混凝土重力坝、碾压混凝土拱坝和常态混凝土拱坝分类提出了不同的理想温度控制曲线模型[8]。

3.2 开发出智能监控成套信息采集设备，实现了数据采集的定量、定时、定点根据已有工程的经验，传统意义上片面强调对基础温差和最高温度的控制不足以保证温度应力处于较低状态，需要对温度时间梯度和空间梯度进行全过程控制。为此，本系统提出了温控全要素监测的概念，提出了智能温控系统中应该监测的温控要素，这些温控要素包括出机口温度、浇筑温度、入仓温度、大坝内部温度发展过程、水管通水流量、通水水温、温度梯度、降温速率、气温及太阳辐射热等。同时，还提出了与智能温控相配套的安全监测系统布设原则，以及温度分布、温度梯度及保温效果监测方法。

图1 智能监控软件系统原理与架构

图2 不同类型坝体理想温度过程线

为此开发了一整套包括数字温度计、数字温度梯度仪、数字动态测温仪、入仓和浇筑温度采集仪和仓面环境要素监测装置在内的信息数据采集设备。

3.3 开发出现场海量数据传输设备，实现了海量施工与温控数据的实时传输大坝混凝土施工条件较为恶劣，并且要监测的混凝土温控信息量非常巨大，采集的方式及位置都不一样，不可能用一种数据通讯方式完成温控信息的传输，并且不同的传输方式还要考虑施工干扰、缺少强电、恶劣气候、大型机电设备的电磁干扰等不利因素的影响，因此，研究恶劣施工条件下的、数据实时传输可靠性高的大容量混凝土温控信息的数据网络搭建技术与系统是非常必要的。基于此，本系统研发了基于RSB485总线与ZigBee无线等多手段相结合的大容量数据无线实时传输装置，该装置能够适应复杂的现场施工环境，见图3所示。

3.4 开发出智能通水成套设备与控制软件考虑现场复杂的施工环境，研发温控防裂智能通水子系统。该子系统包括水温与流量监测设备、智能温度预测与控制模型、通水流量自动控制设备、水管流量自动换向装置等部分，基于实时温度监测信息，依据设定的降温幅度和降温速率等目标，自动计算出所需的通水水温和流量，并按照计算值自动控制，达到智能通水的目的。

图3 智能监控数据传输设备

该子系统的核心是混凝土智能通水反馈控制模块和通水流量自动控制装置。通水流量自动控制装置应当具有无线自动接收通水指令的功能，而且还能满足在复杂施工条件下进行正常运行的功能，包括防水、耐腐蚀等方面的功能，基于此研发了集高精度数字测温技术、可靠的流量测量与控制技术为一体的测控装置，见图4所示。

图4 智能通水控制系统技术框图

3.5 开发出混凝土温度、应力场高效仿真分析软件开发了混凝土温度、应力场高效仿真分析软件，实现了大坝施工到运行全过程实时跟踪仿真分析，可以及时预测未来温度、应力变化规律和提出防裂所需采取的措施、通水控制参数等，既可以对开裂风险进行预测预报，又可以为智能通水提供控制参数[9]，见图5所示。

图5 高速仿真分析系统模块

3.6 大体积混凝土智能保温关键技术与系统研发在统一的平台下，基于混凝土表面开裂风险预测预警模型与方法，研究开发了智能保温监控子系统，该子系统的应用流程如下：（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；（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手机中。

3.7 混凝土开裂风险实时预警关键技术与系统研发提出了基于实时监测数据和仿真分析成果进行开裂风险预警的方法和模型，实现混凝土开裂风险的实时预警。主要包括：（1）考虑不同结构型式（混凝土坝类型）特点，研究基于实时监测数据和仿真分析成果进行开裂风险判断和预警的方法，包括不同的开裂风险计算模型、开裂风险预警项目与指标体系、预警准则确定方法等，初步考虑可进行浇筑温度超标预警、最高温度超标预警、上下层温差预警、降温速率报警和超冷报警等。（2）考虑拱坝、重力坝、碾压混凝土坝不同坝型的温控特点，采用统计分析和仿真分析方法，研究混凝土坝温控预警模型和相应的准则，开发预警预报与决策支持子系统，基于实时的温控信息，可实现温控超标项和开裂风险的预警，温度发展过程的预报，超标后处理措施的拟定等。

3.8 集成开发了混凝土坝智能监控系统在上述典型模块和关键技术问题研发的基础上，系统集成开发了混凝土坝智能监控系统，实现了信息获取、传输、仿真模拟、预警预报、智能控制、智能保温、风险预警、预报等功能的系统平台。

4 工程应用

4.1 工程概况藏木水电站是雅鲁藏布江干流中游桑日至加查峡谷段规划5级电站的第4级，上游衔接街需电站，下游为加查电站，为二等大（2）型工程。工程位于西藏自治区山南地区加查县境内，大坝为混凝土重力坝。坝顶高程3314.0 m，建基面最低高程为3198.0 m，正常蓄水位3310.0 m，坝顶总长387.5 m。最大坝高116.0 m。大坝共分19个坝段，顺河向最大底宽88 m（中间设纵缝一条），横河向坝宽一般为19～21 m，最大坝宽27 m（10#坝段）。藏木大坝工程所在地区年平均温度9.2℃，极端最高气温32℃，最低气温-16.7℃，年平均昼夜温差15.8℃，低温季节最大昼夜温差常在25℃以上，低温季节月平均湿度在30%以下。

4.2 现场系统实施情况结合藏木工程现场实际施工和冷却降温情况，考虑到10#坝段为厂房坝段，是大坝宽度最宽的坝段（27 m），结构复杂，综合防裂难度最大，同时是本工程建基面最低的坝段，其冷却通水模式可为两侧其他坝段提供借鉴作用，故选择10#坝段作为典型坝段进行现场实验，通过对10#坝段智能通水降温的控制实验，来指导其他坝段的通水冷却。

如图6所示，将现场开发的施工信息管理系统、自动化监测系统、智能通水软件控制系统和硬件系统进行整合，并在现场开始实施通水智能控制，智能通水控制系统总工作路线如图7所示。

图6 智能监控系统模块

图7 藏木大坝智能温控管理系统实施路线

4.3 理想温度过程线的确定藏木大坝为常态混凝土重力坝，大坝设有纵缝，施工期需接缝灌浆。根据大坝现场水管冷却降温规划，大坝冷却包括一期、中期和二期3个阶段，其中一期冷却目标温度20℃，中期冷却目标温度15℃，二期冷却目标温度为接缝灌浆温度9℃。

图8 理想温度过程线

图9 智能通水控制设备与软件现场布置

图10 典型断面数字温度监测布置（单位：m）

图11 实施过程中典型仓混凝土实测温度与理想过程线对比

依据这一设计温降准则和标准，对10#坝段需要进行智能通水控制的浇筑仓的理想过程线进行研究，得到大坝混凝土典型理想过程线如图8。

4.4 现场监控设备布置情况由于藏木大坝的所有冷却水管进出口均设计在大坝廊道内部，因此，智能控制系统的智能控制单元及相关的测量装置均安装在廊道内部10#坝段区域，通过电缆线与位于17#坝段下游侧控制室的软件控制系统（服务器）相联（图9），从而形成一个智能通水控制的封闭环路。现场共布置测控单元15套，流量计和电磁阀各60套，数字式温度计60支，布置如图10所示。

4.5 智能控制应用效果大坝混凝土智能通水控制系统在藏木工程得以顺利的实施，并在以下几个方面为工程现场施工与温控防裂工作发挥了重要作用。

（1）实现了对10#坝段混凝土内部温度和通水流量的全过程实时自动智能监控（图11），有效保证了现场水管冷却通水信息和大坝混凝土温度信息的实时入库与资料共享，为大坝实时了解混凝土内部降温规律、冷却水温、以及通水流量等关键信息提供了可视化展示平台；（2）智能通水的实施为现场水管冷却通道的尽早改造与调整提供了理论依据，为确保温降速率，实现提前达到预期接缝灌浆目标温度和进度争取了充足的冷却时间；（3）智能通水设备的采用为其他坝段现场冷却降温措施的优化选择及调整提供了实时的参考依据；（4）系统运行期间，其他坝段通水均有效的借鉴了10#坝段的冷却方式，整个浇筑过程没有因为冷却不当而出现裂缝、为大坝后期安全运行提供了重要保障；（5）智能控制系统的可行性和适用性得到验证。智能通水系统在藏木大坝的实验性运行期间，10#坝段温降速率、上下层温差、内外温差均控制在较为安全的范围之内，验证了该智能控制系统的可行性和有效性，尤其是面对藏木这种恶劣天气条件和多种不利的现场通水环境条件下（水质差、压差不稳定、设备安装廊道条件差、经常出现停电、淹没廊道、夜间气温低至-15℃以下等不利因素）仍可实现正常运行，证实系统的实用性；（6）藏木智能通水现场应用的成功为其他类似工程的现场通水智能化控制和质量安全管理提供了一个示范工程。

5 结论

（1）智能化控制是对目前“数字化”大坝温控防裂安全管理模式的重大补充，是大坝安全控制由“数字控制”向“智能控制”的重大突破。（2）混凝土坝防裂智能监控系统是一个系统管控平台，具有信息获取、传输、仿真模拟、智能控制、智能保温、风险预警、预报等功能。（3）智能监控系统在藏木工程取得成功应用，表明了该套系统在复杂地区、恶劣环境下的适用性，可以在大坝施工期温控防裂控制与管理工作中发挥重大作用，并具备广阔的推广应用前景。