数字化大坝技术在缙云抽水蓄能电站工程中的应用

田继荣 黄成家 杨磊 李增焕 周碧云

摘要：针对抽水蓄能电站大坝填筑碾压及基础灌浆施工的特点和管理难点，基于智能感知和智能分析方法，提出了“1+1+1+N”的数字化大坝技术应用体系，建立了以数字化大坝技术应用为核心的“及时预警→现场处置→线上消警”的施工质量监控体系，并将其应用于浙江缙云抽水蓄能电站。应用结果表明：构建的数字化大坝技术应用体系能够为工程建设的参建各方服务，实现工程建设的精细化管理。研究成果可为数字化大坝技术应用与管理体系的实践以及数字孪生抽水蓄能电站建设提供借鉴。

关键词：

抽水蓄能电站； “1+1+1+N”； 数字化大坝； 精细化管理； 数字孪生

中图法分类号：TV512

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.020

文章编号：1006-0081（2023）07-0116-06

0 引 言

抽水蓄能电站是助力“双碳”目标的重要途径，2021年中国国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划》，助力中国抽水蓄能电站建设，对电站建设管理水平和投产效率与质量提出了更高的要求。2016年2月国家发改委发布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，明确提出了“智能发电”概念。在此背景下，中国众多学者在抽水蓄能电站工程数字化、智能化建造，智慧化运维管理方面进行了广泛探索。叶宏等［1］结合抽水蓄能电站数字化现状和存在的问题，提出了数字化智能电站理念，并对数字化与智能化电站设计思路和架构进行了探索；陈宁等［2］研制开发了溧阳抽水蓄能电站施工质量实时控制技术；李斌等［3］研发了数字化灌浆监测系统，提高了灌浆工程信息化管理水平；何铮等［4］对泛在电力物联网下抽水蓄能电站智慧管理模式的发展进行了一定的探索与实践。

针对抽水蓄能电站数字化建设及智慧化运维管理，国内学者已有了一定的研究，对抽水蓄能电站的大坝填筑、灌浆工程等施工工艺采用了较为成熟的数字化手段进行管理。但是目前针对抽水蓄能电站数字化建设管理的技术应用相对单一，抽水蓄能电站规划设计、建设施工与运营管理各个阶段的技术应用相互割裂，缺乏贯穿全生命周期的BIM+GIS全信息三维模型作为数据底板，需在此基础上打造数字孪生抽蓄电站，实现数字化技术对抽水蓄能电站规划、设计、建造、运营全生命周期的赋能。

本文針对浙江缙云抽水蓄能电站实际情况和存在的问题，从工程建设管理的角度，探讨了“1+1+1+N”的数字化大坝技术应用体系在浙江缙云抽水蓄能电站的应用。

1 工程背景

浙江缙云抽水蓄能电站位于浙江省丽水市缙云县境内，为Ⅰ等大（1）型工程，电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成，总装机容量为1 800 MW。电站上、下水库大坝均采用混凝土面板堆石坝，上水库大坝最大坝高59.2 m，下水库大坝最大坝高92.6 m。上下水库大坝填筑总量约190万m3。

为提高缙云抽水蓄能电站大坝施工管理的效率和水平，响应智能发电要求，缙云抽水蓄能电站工程项目组针对缙云抽水蓄能电站大坝基础处理及填筑碾压的管理难点，充分利用网络信息技术、物联网技术、北斗/GPS定位技术、三维可视化技术，结合现场实际的施工管理体系，开展数字化大坝关键技术研究与应用实践。

2 数字化大坝总体架构

根据浙江缙云抽水蓄能电站大坝数字化施工管理与建设需求，结合工程数字化、智能化建造、智慧化运营管理要求，构建了面向数字化大坝建设与管理的“1+1+1+N”总体架构，即1个数据资源管理中心+1个BIM+GIS融合的三维数字沙盘+1个数字化大坝施工管理平台+大坝填筑碾压质量实时监控、上坝运料车辆实时监控、大坝基础灌浆数字化监测以及施工期视频实时监控等N项智能建造技术。 该技术体系的成功应用，满足了缙云电站工程管理监控需求，提高了现场施工管理水平，成功实现了缙云电站大坝施工的“全过程、全范围、全要素、全流程”精细化管理。“1+1+1+N”的数字化大坝技术应用体系总体架构见图1。

2.1 数据资源管理中心

根据缙云抽水蓄能电站数字化大坝功能业务的要求和特性，在一体化数据库框架下，构建了数据资源管理中心，为数字化大坝施工管理平台、大坝填筑碾压质量实时监控、上坝运料车辆实时监控、大坝基础灌浆数字化监测以及施工期视频监控等技术应用提供标准化的数据服务和专题服务，形成统一的数据汇聚、存储和发布体系，实现各业务数据资源的交互共享和标准化服务发布，为数字化大坝技术应用提供统一、高效、标准化的数据交换和服务发布平台。平台包括数据资源维护管理、数据资源统计分析、数据交换共享服务与其他数据服务等。

2.2 基于BIM+GIS融合的三维数字沙盘

依托缙云抽水蓄能电站，基于HydroStation三维协同设计平台和ProjectWise协同工作平台，构建了缙云抽水蓄能电站工程地质、工程枢纽以及工厂三维精细化模型，实现了原生设计模型（非压缩转换）的轻量化发布，并基于B/S架构实现了模型浏览、双向查询、定位、漫游等功能，有效解决了三维模型轻量化发布时信息损失问题，支撑从设计信息到施工管理信息的无缝对接。

融合主要建筑BIM模型+三维GIS底图+倾斜摄影等多种类型的可视化数据，基于全融合工程图形引擎技术，搭建了缙云抽水蓄能电站三维数字沙盘，从而实现了基于BIM + GIS全信息三维模型的“一张图”管理，为数字化移交、数字孪生电站的构建和电厂智慧运维奠定模型基础。

2.3 数字化大坝施工管理平台

三维数字化大坝施工管理平台通过建立工程建设管理标准系统，对大坝填筑施工过程的计划、进度、质量进行全程管理，为运料车辆实时监控子系统、大坝填筑碾压质量实时监控子系统提供了统一的基础数据管理平台，实现了以施工（碾压）单元为核心的综合进度与质量分析。平台通过手持式数据采集终端、自动化采集设备等手段收集大坝碾压相关质量、运输车辆上坝状态信息、各材料分区单元质检数据等。通过预先制定的标准规范与监控现场质量管理过程数据，分析出超标及异常信息，及时提醒现场管理人员采取纠正措施，实现闭环控制。

3 智能建造关键技术研究

3.1 大坝填筑碾压质量实时监控

对于抽水蓄能电站，碾压作业是确保仓面压实的核心环节，施工期大坝填筑的质量直接关系到大坝的安全运行。从历史经验来看，电站运营期间坝体结构出现问题基本都与施工期的填筑碾压质量有关。大坝填筑碾压是动态连续的施工过程，信息量庞大且信息相关性高，依靠人工现场控制碾压施工参数的方法会受到人为因素的干扰，无法对大坝填筑碾压施工质量进行全过程、实时、精准控制，也不能满足当前抽水蓄能电站投产效率与质量的要求。

针对缙云抽水蓄能电站大坝填筑碾压质量管控的相关要求，结合新一代计算机技术，搭建了缙云抽水蓄能电站大坝填筑碾压质量实时监控系统，对大坝填筑碾压质量进行了实时监控，如图2所示。基于该系统实时监控碾压参数，实现了现场碾压施工过程碾压机运行轨迹、遍数、速度、振动状态的可视化监控，并且对超标参数进行实时预警与闭环处理，实现了大坝填筑碾压质量的事中控制，确保大坝施工质量严格受控。每个施工单元施工结束后，系统能够自动生成碾压报表，作为质量验收的辅助材料。通过统一的三维数字化施工管理平台，集成大坝填筑碾压实时监控系统，自动根据实时坐标生成碾压单元模型，結合三维BIM+GIS模型实现大坝填筑碾压进度的实时更新，碾压监控图形报告见图3。

3.2 上坝运料车辆实时监控技术

在面板堆石坝建设过程中，确保上坝堆石料能够按照既定的路线运输至指定位置并且精确卸料，

是保障大坝填筑碾压建设进度与质量、控制建设成本的重要因素，因此，对面板堆石坝坝体填筑过程中上坝运输料交通运输环节进行有效管控很有必要［5］。根据缙云抽水蓄能电站面板堆石坝上坝料的特点和土石方平衡的控制要求，利用GPS等技术，对坝料运输车辆从开挖面到坝面，以及坝料运输车辆全程进行在线监控。通过在运输车辆上安装车载定位终端接收卫星信号，完成车辆的自动定位，同时通过感应装置实时采集车辆的空满载情况，通过网络将车辆信息数据传送到服务器，从而实现整个坝区运料车辆的全程监控及调度。

3.3 大坝基础灌浆施工数字化监测技术

水电工程基础加固和防渗处理的重要措施之一是水泥灌浆，工程全生命周期运行安全在很大程度上受到灌浆工艺质量的影响［6-7］。基础灌浆工程由于其隐蔽工程的属性和特点，一直被列为水电工程质量管理的核心和焦点［8］。为保证水库的防渗效果，减少水资源损失，提高水能利用率，灌浆施工尤为重要［9］。灌浆施工管理目前主要存在以下问题。

（1） 作为隐蔽工程，无法直观检查与评价灌浆施工质量，产品质量与施工队伍的经验和责任心紧密相关，传统的检查方法借助分析检查孔资料、施工过程数据和局部影像资料来进行事后评价，难以确保灌浆施工质量。

（2） 灌浆施工作业面分散，管理人员难以及时对所有灌浆作业面的过程和进度进行统一管理，施工过程控制难度大。

（3） 灌浆施工过程中抬动等异常情况处置难度大，传统的管理模式无法及时有效对异常的灌浆数据进行鉴别，异常情况处置不及时对灌浆施工效果及工程量影响较大。

（4） 灌浆工程数据量大，传统利用EXCEL表格处理海量数据的手段耗时费力，并且由于缺乏有效的可视化展示与分析手段，原始采集的数据不能得到充分挖掘和应用，无法利用数据驱动价值。

针对缙云抽水蓄能电站大坝基础灌浆工程施工的特点和管理难点，基于数字化信号加密传输、无线物联网、灌浆数据智能分析等技术搭建了数字化灌浆监测系统，结合现场实际的施工管理体系，建立了“及时预警→现场处置→线上消警”的闭环控制体系，并在工程中进行广泛应用。对缙云抽水蓄能电站上、下水库大坝固结灌浆、帷幕灌浆等全部灌浆部位进行无线组网和网络传输。通过将灌浆记录仪接入无线传输网络，实时监测现场各灌浆部位、灌浆记录仪编号、灌浆孔号、段次、流量、压力、密度、抬动等灌浆参数变化情况，并对压力、抬动进行实时预警，对灌浆部位和灌浆成果进行可视化分析，准确、迅速地分析灌浆成果，实现对现场灌浆工程施工的实时监控与异常预警报警的闭环处理。数字化灌浆实时监测预警报警反馈控制机制见图4。

3.4 施工期视频监控技术

在缙云抽水蓄能电站主要施工区域设置视频监控，对施工区域的主要工作面进行监控。融合视频监控等多种监控手段，对大坝填筑碾压以及基础灌浆施工进行多角度可视化数字化监控。通过系统开发将施工期视频监控系统的视频信息进行整合，实现视频监控信息的在线实时查询以及录像回放，实现工程施工过程中的问题追溯［10］。

4 应用成效

大坝填筑碾压质量实时监控系统自投入运行以来，截至目前已经完整监控了196个仓面的碾压施工情况，实现了对碾压机碾压轨迹、行驶速度、碾压遍数、碾压高程、激振力等质量参数的实时监控，对不满足设计标准的碾压机械工作参数进行及时报警，有效控制了大坝填筑碾压质量，提高了施工管理效率和水平。除去异常值状况，平均碾压遍数合格率为96.69%，其中大坝坝体上游垫层料及过渡料85仓，平均碾压遍数合格率为96.80%；大坝坝体上游主堆区堆石料66仓，平均碾压遍数合格率为97.45%；大坝坝体下游堆石料45仓，平均碾压遍数合格率为95.36%。从数字灌浆监测系统投入运行以来，截至目前共记录了百余个灌浆孔的实时数据、过程数据和报表数据，其中实时数据达数10万条，过程数据和报表数据近1万条，异常报警数据近200条，并形成分序灌浆工程量统计表、灌浆单位注灰量综合剖面图等统计信息（工作界面见图5～8），实现了对灌浆实时压力、流量、密度、抬动等质量参数的实时监控，对超出阈值的灌浆数据进行报警，有效控制了大坝基础灌浆施工质量，使得基础灌浆设计更加精细、工程管理更加有效、数据查询更加便捷、分析评价更加专业、成果展示更加丰富。

5 结 语

传统的工程建设管理模式已不能较好地适应抽水蓄能电站大坝建设管理和投产效率要求。针对缙云抽水蓄能电站面板堆石坝工程特点和技术难点，基于智能感知和智能分析方法，提出了“1+1+1+N”的数字化大坝技术应用体系，实现了对大坝基础灌浆施工、上坝运料车辆管理、填筑碾压质量监控等全过程的实时管控，完成了设计、施工生产、质量控制与成果的大坝建设全过程管理，可实时指导施工、有效控制工程建设过程、控制工程成本，提高管理水平与效率。本文研究成果和所提出的数字化大坝体系可为数字化大坝及数字孪生抽水蓄能电站建设提供借鉴。

参考文献：

［1］ 叶宏，孙勇，韩宏韬，等.抽水蓄能数字化智能电站建设探索与实践［J］.水电与抽水蓄能，2021，7（6）：17-20.

［2］ 陈宁，钟登华，龚家明，等.溧阳抽水蓄能电站面板堆石坝施工质量实时控制技术［J］.水利水电技术，2015，46（10）：112-115.

［3］ 李斌，陈玉荣，孟宪磊，等.基于智能物联的数字化灌浆监测系统在河北丰宁抽水蓄能电站的应用［J］.水电与抽水蓄能，2019，5（4）：21-24.

［4］ 何铮，张林.泛在电力物联网下的抽水蓄能电站智慧管理模式思考［J］.水电与抽水蓄能，2019，5（5）：27-30.

［5］ 钟登华，时梦楠，崔博，等.大坝智能建设研究进展［J］.水利學报，2019，50（1）：38-49.

［6］ FAN Q，WANG Z，XU J，et a1.Study on deformation and control measures of columnar jointed basalt for baihetan super—high arch dam foundation［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2018，51（8）：2569-2595.

［7］ LIN P，ZHU X，LI Q，et a1.Study on optimal grouting timing for controlling uplift deformation of a super high arch dam［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2016，49（1）：115-142.

［8］ 樊启祥，黄灿新，蒋小春，等.水电工程水泥灌浆智能控制方法与系统［J］.水利学报，2019，50（2）：165-174.

［9］ 邱彬如.抽水蓄能电站工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［10］ 田继荣，张帅，林瀚文，等.数字化建设管理模式在DG水电站中的应用［J］.人民长江，2021，52（1）：224-229.

（编辑：唐湘茜，张 爽）