張國新，李松輝，劉 毅，張 磊

(中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

我國已建成了二灘、小灣、拉西瓦、構(gòu)皮灘、龍灘、光照、錦屏一級(jí)、溪洛渡等一批特高混凝土壩，白鶴灘、烏東德、馬吉等特高拱壩近期也陸續(xù)開工，這些高壩的建成將對緩解我國電力資源緊張、解決水資源短缺問題發(fā)揮重要作用，將取得顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益［1-2］。

裂縫控制一直是大體積混凝土施工的難點(diǎn)之一。溫控防裂的理論研究與工程實(shí)踐，最早始自20世紀(jì)30年代，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已逐步建立了一整套相對完善的溫控防裂理論體系［3］，形成了較為系統(tǒng)的混凝土溫控防裂措施，包括分縫分塊、降低澆筑溫度、通水冷卻、表面保溫等，但“無壩不裂”仍然是一個(gè)客觀現(xiàn)實(shí)［3-5］?；炷亮芽p產(chǎn)生的原因復(fù)雜，有結(jié)構(gòu)、材料、施工等方面的原因，其中一個(gè)重要原因是信息獲取的“四不”(不及時(shí)、不準(zhǔn)確、不真實(shí)、不系統(tǒng))導(dǎo)致的溫控措施與溫控管理不到位。同時(shí)，由于人為的控制方式，施工質(zhì)量受現(xiàn)場工作人員個(gè)人素質(zhì)的影響較大，產(chǎn)生與設(shè)計(jì)狀態(tài)相比較大的偏差，導(dǎo)致溫差大、降溫幅度大、降溫速率大、溫度梯度大這“四大”溫控施工問題，最終導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

針對特高拱壩溫控防裂出現(xiàn)的問題，朱伯芳院士提出了數(shù)字水電站的概念，即水電站規(guī)劃、設(shè)計(jì)、科研、建設(shè)及管理的最優(yōu)化、可視化和網(wǎng)絡(luò)化，開發(fā)出國內(nèi)第一個(gè)數(shù)字化溫控系統(tǒng)——混凝土溫度與應(yīng)力控制決策支持系統(tǒng)，并在周公宅工程中獲得應(yīng)用。該系統(tǒng)可在大壩施工過程中根據(jù)實(shí)際施工條件和溫控措施對大壩進(jìn)行全過程仿真分析，及時(shí)了解壩體各壩塊的溫度與應(yīng)力狀態(tài)以及各種溫控措施的實(shí)際效果，并可預(yù)報(bào)竣工后運(yùn)行期的溫度和應(yīng)力狀態(tài)［6］。2007年朱伯芳院士又提出“數(shù)字監(jiān)控”的概念［6-7］，將傳統(tǒng)的儀器監(jiān)測與工程施工期、初次蓄水期乃至運(yùn)行期全過程數(shù)字仿真分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對大壩溫度、變形、應(yīng)力等關(guān)鍵要素的全過程全場實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效地克服了儀器監(jiān)測“空間上離散”、“時(shí)間上斷續(xù)”的不足。2009年“數(shù)字監(jiān)控”技術(shù)在錦屏一級(jí)及溪洛渡工程中應(yīng)用，運(yùn)用該技術(shù)可以實(shí)時(shí)開展大壩工作性態(tài)評估，同時(shí)為施工期動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供決策支持［8-9］。

鐘登華院士、馬洪琪院士將信息化與數(shù)字化相結(jié)合，提出了“數(shù)字大壩”［10-12］的理念，并在糯扎渡工程獲得應(yīng)用，該系統(tǒng)基于GPS、GPRS和PDA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、行車速度、激振力、壓實(shí)厚度等碾壓參數(shù)的全過程、精細(xì)化、在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，為高心墻堆石壩建設(shè)的質(zhì)量控制提供了一條新的途徑，并可以推廣至碾壓混凝土壩。

以信息化、數(shù)字化為基礎(chǔ)，結(jié)合人工智能、自動(dòng)化等技術(shù)，便可實(shí)現(xiàn)施工過程中若干工序的智能化［13-15］。在水利工程領(lǐng)域，張國新等［13］提出了“數(shù)字大壩”朝“智能大壩”轉(zhuǎn)變的設(shè)想，指出可將智能化技術(shù)應(yīng)用于降低澆筑溫度、控制倉面溫度、通水冷卻、混凝土養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)。李慶斌［14］就智能大壩進(jìn)行了詳細(xì)論述，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)測控和云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化管理與分析，并實(shí)施對大壩性能進(jìn)行控制的構(gòu)想，指出智能大壩是在對傳統(tǒng)混凝土大壩實(shí)現(xiàn)數(shù)字化后，采用通信與控制技術(shù)對大壩全生命周期實(shí)現(xiàn)所有信息的實(shí)時(shí)感知、自動(dòng)分析與性能控制的大壩。譚愷炎等［16］針對大體積混凝土冷卻通水系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的研究和實(shí)踐。

信息化、數(shù)字化、數(shù)值模擬仿真、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅速發(fā)展為大壩溫控防裂的智能化提供了機(jī)遇。筆者針對大體積混凝土溫控施工及數(shù)字監(jiān)控存在的問題，提出了“九三一”溫度控制模式［2］，即九字方針(早保護(hù)、小溫差、慢冷卻)、三期冷卻(一期冷卻、中期冷卻和二期冷卻)和一個(gè)監(jiān)控(智能監(jiān)控)。通過“九三一”溫度控制模式，配合智能化控制可有效解決“四大”溫控施工問題，從根本上達(dá)到混凝土溫控防裂的目的。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成同人工智能類似，包括感知、互聯(lián)、分析決策和控制4個(gè)部分。感知部分主要是對各關(guān)鍵要素的采集(自動(dòng)采集、人工采集和信息傳輸)?；ヂ?lián)是通過信息化的手段實(shí)現(xiàn)多層次網(wǎng)絡(luò)的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、異構(gòu)的各種終端設(shè)備和軟硬件資源的密切關(guān)聯(lián)、互通和共享?？刂瓢ㄈ斯じ深A(yù)和智能控制兩部分，其中，人工干預(yù)主要是在智能分析、判斷、決策的基礎(chǔ)上形成報(bào)警、預(yù)警及反饋多種方案和措施的指令，根據(jù)指令進(jìn)行人為干預(yù);智能控制主要是自動(dòng)化及智能化的溫度、濕度、風(fēng)速等小環(huán)境指標(biāo)控制以及混凝土養(yǎng)護(hù)和通水冷卻調(diào)控。分析決策部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過學(xué)習(xí)、記憶、分析、判斷、反演、預(yù)測等手段，最終形成決策。感知、互聯(lián)和控制相輔相成，相互依存，以分析決策為核心形成智能監(jiān)控的有機(jī)整體，如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

智能監(jiān)控系統(tǒng)包含了“監(jiān)”和“控”2個(gè)層次，“監(jiān)”是通過感知、互聯(lián)功能對影響溫度控裂、防裂的施工各環(huán)節(jié)信息進(jìn)行全面的檢測、監(jiān)測和把握;“控”則是對混凝土施工過程中影響溫度的因素進(jìn)行智能控制或人工干預(yù)。圖2為整個(gè)混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場構(gòu)成示意圖，在拌和樓、澆筑倉面、通水冷卻倉、混凝土表面等部位布置傳感器，根據(jù)需要在壩區(qū)設(shè)置分控站，用以搜集相關(guān)信息并發(fā)出控制指令，對各環(huán)節(jié)中可能自動(dòng)控制的變量如通水流量、倉面氣溫、濕度、倉面噴淋時(shí)間、噴淋強(qiáng)度等進(jìn)行智能控制，各分控站通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)與總控室的信息交換，構(gòu)成完整的監(jiān)控系統(tǒng)。

1．1 感知部分

圖2 混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場構(gòu)成示意圖

感知即實(shí)時(shí)采集施工各個(gè)環(huán)節(jié)的信息。在拌和樓、機(jī)口、倉面等溫控場所均可布置數(shù)字式測溫設(shè)備，如數(shù)字溫度計(jì)(包括固定式、手持式)和紅外溫度計(jì)等。通過分析，總結(jié)出22個(gè)需要實(shí)時(shí)感知的觀測量(即太陽輻射、氣溫信息、倉面溫度、骨料溫度、機(jī)口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、內(nèi)部溫度、進(jìn)口水溫、出口水溫、通水流量、水管壓差、溫度梯度、水流方向、最高溫度、一冷溫度、中冷溫度、二冷溫度、內(nèi)外溫差、基礎(chǔ)溫差、上下層溫差、降溫速率)用于監(jiān)控施工各環(huán)節(jié)影響溫控的因素及混凝土的狀態(tài)，大多數(shù)觀測量可用固定式儀器自動(dòng)觀測，少數(shù)觀測量如機(jī)口溫度、入倉溫度、澆筑溫度采用手持式數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行半自動(dòng)化觀測。

針對溫控全要素全過程感知指標(biāo)，研發(fā)了成套的智能感知設(shè)備，如數(shù)字溫度計(jì)，溫度梯度儀，倉面小氣候儀，骨料紅外測溫裝置，機(jī)口、入倉、澆筑溫度測試儀等。開發(fā)的倉面小氣候儀可同時(shí)監(jiān)測溫度、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控倉面環(huán)境，通水冷卻環(huán)節(jié)除需要觀測冷卻水溫和混凝土溫度外，還要觀測進(jìn)出口水壓、流向、流量等。還有一些影響溫度控制的因素不能直接用儀器自動(dòng)感知，需要人工采集數(shù)據(jù)錄入，如澆筑倉的幾何信息、位置、開倉時(shí)間、收倉時(shí)間等。部分信息以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的方式在系統(tǒng)內(nèi)建模，部分需要隨施工進(jìn)程逐點(diǎn)輸入。

1．2 互聯(lián)部分

互聯(lián)是通過信息化手段，通過研發(fā)相關(guān)設(shè)備，設(shè)置分控站及總控室，使各施工設(shè)備之間、測溫設(shè)備之間、測溫設(shè)備與分控站之間、分控站與總控室之間建立實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)混凝土自原材料、混凝土拌和、混凝土倉面控制、混凝土內(nèi)部生命周期內(nèi)各種溫控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、共享、分析、控制及反饋(互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示)。

圖3 大體積混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的設(shè)備主要包括傳感器、控制器、移動(dòng)終端、施工設(shè)備、通水設(shè)備、固定終端、展示設(shè)備等?；ヂ?lián)所采用的技術(shù)手段主要包括云互聯(lián)、藍(lán)牙、RS總線、ZigBee、WIFI、GPS等。設(shè)備與分控站或總控室之間的互聯(lián)主要通過局域網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，分控站與總控室可通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，最后通過公共廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程訪問。

圖4為入倉澆筑溫度測量數(shù)據(jù)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，入倉、澆筑溫度測試儀通過藍(lán)牙與移動(dòng)終端連接并通過GPS進(jìn)行自動(dòng)定位，移動(dòng)終端通過WIFI網(wǎng)絡(luò)與分控站或總控室服務(wù)器連接，測量的溫度、濕度可通過該種互聯(lián)方式實(shí)時(shí)自動(dòng)傳輸至數(shù)據(jù)庫，最后通過遠(yuǎn)程方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的遠(yuǎn)程訪問。

圖4 入倉、澆筑溫度測量數(shù)據(jù)互聯(lián)結(jié)構(gòu)

1．3 分析決策部分

分析決策是整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心，直接或間接獲取的感知量，通過學(xué)習(xí)、記憶、分析、判斷、反演、預(yù)測等，最終形成決策信息。系統(tǒng)中主要包括SAPTIS(simulation analysis program for temperature and stress)仿真分析模型、理想溫度過程線模型、溫度和流量預(yù)測預(yù)報(bào)模型、溫控效果評價(jià)模型、表面保溫預(yù)測模型、開裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測預(yù)警模型這6個(gè)模型，通過這6個(gè)模型可以對混凝土當(dāng)前溫度控制狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)及預(yù)測。

a．SAPTIS仿真分析模型［17］是筆者團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)30年開發(fā)的一個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)全過程、多場耦合仿真分析模型。該模型的特點(diǎn)可以概括為“9321”，“9”是指可以模擬的9個(gè)過程:氣象變化過程、基巖開挖過程、回填支護(hù)過程、澆筑硬化過程、溫度控制過程、灌漿錨固過程、時(shí)效變形過程、蓄水滲透過程和長期運(yùn)行過程;“3”是指水-熱-力三場耦合;“2”是2個(gè)非線性，即彈塑性非線性和損傷非線性;“1”是1個(gè)迭代，即各種縫的開閉迭代。采用該模型可以模擬工程自基礎(chǔ)開挖到建設(shè)、運(yùn)行全過程各環(huán)節(jié)的溫度場、滲流場及應(yīng)力場，及時(shí)對大壩整體和局部的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值評估［17］。

b．理想溫度過程線模型是指在一定的溫控標(biāo)準(zhǔn)下，考慮不同壩型特點(diǎn)和不同壩體分區(qū)，按照溫度應(yīng)力最小的原則，從溫差分級(jí)、降溫速率、空間梯度控制等因素考慮，針對不同的工程、不同的混凝土分區(qū)甚至不同倉混凝土制定的個(gè)性化溫度控制曲線。

c．溫度和流量預(yù)測預(yù)報(bào)模型可以預(yù)測未來溫度變化，給出通水控制參數(shù)。該模型考慮了內(nèi)部發(fā)熱、表面散熱、相鄰塊傳熱、通水帶熱等因素的影響，同時(shí)利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)和自修正，該模型計(jì)算公式如下:

d．溫控效果評價(jià)模型。該模型通過設(shè)計(jì)的8張表格和12張圖形可以直觀、實(shí)時(shí)、全面地定量評價(jià)溫控措施施工質(zhì)量。

e．表面保溫預(yù)測模型。該模型根據(jù)大壩每日實(shí)際澆筑情況實(shí)時(shí)搜索暴露面，考慮天氣預(yù)報(bào)、實(shí)測氣溫、混凝土內(nèi)部溫度等信息，通過應(yīng)力仿真計(jì)算暴露面長周期應(yīng)力及短周期應(yīng)力，并對兩者進(jìn)行疊加，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果及實(shí)際采用的保溫材料參數(shù)特性，給出是否需要保溫及保溫層厚度的建議。

f．開裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測預(yù)警模型。該模型通過對大壩澆筑到運(yùn)行全過程的實(shí)時(shí)跟蹤反演仿真分析，及時(shí)預(yù)測未來溫度、應(yīng)力及開裂風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)時(shí)提出預(yù)警并給出建議。

1．4 控制部分

控制包括人工干預(yù)和智能控制兩部分，主要包括5個(gè)子系統(tǒng)(圖5)。其中，預(yù)警發(fā)布及干預(yù)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)和現(xiàn)場決策支持子系統(tǒng)需要人工干預(yù)。預(yù)警發(fā)布及干預(yù)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過分析決策模塊進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，對超標(biāo)量進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警或預(yù)警，并將報(bào)警或預(yù)警信息自動(dòng)發(fā)送至施工人員的終端設(shè)備上，施工人員根據(jù)報(bào)警或預(yù)警信息進(jìn)行人工干預(yù)?，F(xiàn)場決策支持子系統(tǒng)是通過溫控周報(bào)、月報(bào)、季報(bào)、階段性報(bào)告以及現(xiàn)場培訓(xùn)等方式實(shí)現(xiàn)溫控施工的階段性總結(jié)。

圖5 控制部分結(jié)構(gòu)示意圖

智能控制主要包括智能通水子系統(tǒng)、智能小環(huán)境子系統(tǒng)、智能養(yǎng)護(hù)子系統(tǒng)。智能通水子系統(tǒng)主要是按照理想化溫控曲線的要求，基于統(tǒng)一的信息平臺(tái)和實(shí)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用經(jīng)過率定和驗(yàn)證的預(yù)測分析模型，通過自動(dòng)控制設(shè)備對通水流向、流量、水溫進(jìn)行自動(dòng)控制。智能小環(huán)境子系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測的溫度、濕度，自動(dòng)控制倉內(nèi)小環(huán)境設(shè)備(如噴霧機(jī))，使倉面小環(huán)境滿足現(xiàn)場混凝土澆筑要求。智能養(yǎng)護(hù)子系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的混凝土內(nèi)部溫度、表面溫度等信息自動(dòng)控制流水養(yǎng)護(hù)、花管養(yǎng)護(hù)等設(shè)備。

2 工程應(yīng)用

自2009年起大體積混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)部分功能已在錦屏一級(jí)、溪洛渡、魯?shù)乩?、藏木等工程中獲得成功應(yīng)用。采用該智能監(jiān)控系統(tǒng)后，錦屏一級(jí)拱壩未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫，魯?shù)乩亓伪O(jiān)控壩段裂縫明顯少于未監(jiān)控壩段，藏木重力壩監(jiān)控壩段未發(fā)現(xiàn)裂縫。目前，該系統(tǒng)正在豐滿及黃登工程中全面運(yùn)用。

圖6為藏木工程智能通水結(jié)果，圖中包含了實(shí)測流量、預(yù)測流量、實(shí)測溫度、目標(biāo)溫度和預(yù)測溫度等5個(gè)感知量，由圖6可知，實(shí)測溫度與目標(biāo)溫度和預(yù)測溫度基本一致。圖7為該系統(tǒng)針對錦屏一級(jí)拱壩基礎(chǔ)約束區(qū)固結(jié)灌漿“一進(jìn)一出”和“三進(jìn)三出”工況提供的長、短周期應(yīng)力疊加計(jì)算結(jié)果，由圖7可知“三進(jìn)三出”保溫方案是最優(yōu)方案。

圖6 藏木工程智能通水結(jié)果

圖7 錦屏一級(jí)拱壩基礎(chǔ)約束區(qū)長、短周期應(yīng)力疊加計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的發(fā)展為溫控防裂的智能化創(chuàng)造了條件，在混凝土溫度控制的各個(gè)環(huán)節(jié)(包括原材料預(yù)冷、混凝土拌和、運(yùn)輸、入倉、平倉、振搗、通水冷卻、表面養(yǎng)護(hù)等)，利用數(shù)字化技術(shù)、互聯(lián)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，可有效避免傳統(tǒng)施工方式帶來的偏差和人為因素帶來的不確定性?；跀?shù)字化技術(shù)的感知技術(shù)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取各個(gè)環(huán)節(jié)的有效信息(如溫度、流量、風(fēng)速、壓力等);基于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的互聯(lián)技術(shù)可以將施工現(xiàn)場的感知儀器、施工機(jī)械、控制設(shè)備、移動(dòng)終端、固定終端等進(jìn)行互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的有線、無線、遠(yuǎn)程及近程訪問，通過材料預(yù)冷、拌和、倉面小環(huán)境、冷卻通水的智能化控制可以做到溫控多環(huán)節(jié)全程高精度控制。

智能監(jiān)控的核心是分析與決策，利用確定性仿真分析方法和統(tǒng)計(jì)分析模型，以應(yīng)力最優(yōu)、措施合理可行為目標(biāo)，動(dòng)態(tài)確定每倉混凝土的冷卻曲線，在此基礎(chǔ)上調(diào)整各環(huán)節(jié)的溫控參數(shù)，通過預(yù)測目標(biāo)溫度和實(shí)測目標(biāo)溫度的反復(fù)比較，不斷調(diào)整溫控參數(shù)，使最高溫度、溫差、溫度變化速率達(dá)到最優(yōu)，從而達(dá)到防裂的目的。

目前大體積混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)已在錦屏一級(jí)、溪洛渡、魯?shù)乩⒉啬镜裙こ讨谐晒?yīng)用，取得良好的效果。應(yīng)用實(shí)踐表明，分析決策部分的幾個(gè)溫控模型是技術(shù)關(guān)鍵，應(yīng)用于具體工程時(shí)各模型還有待不斷改進(jìn)、優(yōu)化。

［1］中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)．中國水力發(fā)電年鑒:2013［M］．北京:中國電力出版社，2015．

［2］張國新，劉毅，李松輝，等．“九三一”溫度控制模式的研究與實(shí)踐［J］水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33(2):179-184．(ZHANG Guoxin，LIU Yi，LI Songhui，et al．Research and practice of Nine-Three-One temperature control mode［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2014，33(2):179-184．(in Chinese))

［3］朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］．北京:中國電力出版社，1999．

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