張國新，李松輝，劉 毅，張 磊

(中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

我國已建成了二灘、小灣、拉西瓦、構皮灘、龍灘、光照、錦屏一級、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，將取得顯著的社會和經(jīng)濟效益［1-2］。

裂縫控制一直是大體積混凝土施工的難點之一。溫控防裂的理論研究與工程實踐，最早始自20世紀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”仍然是一個客觀現(xiàn)實［3-5］?；炷亮芽p產(chǎn)生的原因復雜，有結構、材料、施工等方面的原因，其中一個重要原因是信息獲取的“四不”(不及時、不準確、不真實、不系統(tǒng))導致的溫控措施與溫控管理不到位。同時，由于人為的控制方式，施工質(zhì)量受現(xiàn)場工作人員個人素質(zhì)的影響較大，產(chǎn)生與設計狀態(tài)相比較大的偏差，導致溫差大、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、設計、科研、建設及管理的最優(yōu)化、可視化和網(wǎng)絡化，開發(fā)出國內(nèi)第一個數(shù)字化溫控系統(tǒng)——混凝土溫度與應力控制決策支持系統(tǒng)，并在周公宅工程中獲得應用。該系統(tǒng)可在大壩施工過程中根據(jù)實際施工條件和溫控措施對大壩進行全過程仿真分析，及時了解壩體各壩塊的溫度與應力狀態(tài)以及各種溫控措施的實際效果，并可預報竣工后運行期的溫度和應力狀態(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、初次蓄水期乃至運行期全過程數(shù)字仿真分析相結合，實現(xiàn)對大壩溫度、變形、應力等關鍵要素的全過程全場實時監(jiān)控，有效地克服了儀器監(jiān)測“空間上離散”、“時間上斷續(xù)”的不足。2009年“數(shù)字監(jiān)控”技術在錦屏一級及溪洛渡工程中應用，運用該技術可以實時開展大壩工作性態(tài)評估，同時為施工期動態(tài)設計提供決策支持［8-9］。

鐘登華院士、馬洪琪院士將信息化與數(shù)字化相結合，提出了“數(shù)字大壩”［10-12］的理念，并在糯扎渡工程獲得應用，該系統(tǒng)基于GPS、GPRS和PDA技術，實現(xiàn)了碾壓遍數(shù)、碾壓軌跡、行車速度、激振力、壓實厚度等碾壓參數(shù)的全過程、精細化、在線實時監(jiān)控，為高心墻堆石壩建設的質(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，結合人工智能、自動化等技術，便可實現(xiàn)施工過程中若干工序的智能化［13-15］。在水利工程領域，張國新等［13］提出了“數(shù)字大壩”朝“智能大壩”轉變的設想，指出可將智能化技術應用于降低澆筑溫度、控制倉面溫度、通水冷卻、混凝土養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié)。李慶斌［14］就智能大壩進行了詳細論述，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)、自動測控和云計算技術實現(xiàn)個性化管理與分析，并實施對大壩性能進行控制的構想，指出智能大壩是在對傳統(tǒng)混凝土大壩實現(xiàn)數(shù)字化后，采用通信與控制技術對大壩全生命周期實現(xiàn)所有信息的實時感知、自動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)進行了相關的研究和實踐。

信息化、數(shù)字化、數(shù)值模擬仿真、大數(shù)據(jù)等技術的迅速發(fā)展為大壩溫控防裂的智能化提供了機遇。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、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，從根本上達到混凝土溫控防裂的目的。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的構成

智能監(jiān)控系統(tǒng)的構成同人工智能類似，包括感知、互聯(lián)、分析決策和控制4個部分。感知部分主要是對各關鍵要素的采集(自動采集、人工采集和信息傳輸)。互聯(lián)是通過信息化的手段實現(xiàn)多層次網(wǎng)絡的通信，實現(xiàn)遠程、異構的各種終端設備和軟硬件資源的密切關聯(lián)、互通和共享?？刂瓢ㄈ斯じ深A和智能控制兩部分，其中，人工干預主要是在智能分析、判斷、決策的基礎上形成報警、預警及反饋多種方案和措施的指令，根據(jù)指令進行人為干預;智能控制主要是自動化及智能化的溫度、濕度、風速等小環(huán)境指標控制以及混凝土養(yǎng)護和通水冷卻調(diào)控。分析決策部分是整個系統(tǒng)的核心，通過學習、記憶、分析、判斷、反演、預測等手段，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)控的有機整體，如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的構成

智能監(jiān)控系統(tǒng)包含了“監(jiān)”和“控”2個層次，“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行智能控制或人工干預。圖2為整個混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場構成示意圖，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)設置分控站，用以搜集相關信息并發(fā)出控制指令，對各環(huán)節(jié)中可能自動控制的變量如通水流量、倉面氣溫、濕度、倉面噴淋時間、噴淋強度等進行智能控制，各分控站通過無線傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)與總控室的信息交換，構成完整的監(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)場構成示意圖

感知即實時采集施工各個環(huán)節(jié)的信息。在拌和樓、機口、倉面等溫控場所均可布置數(shù)字式測溫設備，如數(shù)字溫度計(包括固定式、手持式)和紅外溫度計等。通過分析，總結出22個需要實時感知的觀測量(即太陽輻射、氣溫信息、倉面溫度、骨料溫度、機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、內(nèi)部溫度、進口水溫、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觀測，少數(shù)觀測量如機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度采用手持式數(shù)字溫度計進行半自動化觀測。

針對溫控全要素全過程感知指標，研發(fā)了成套的智能感知設備，如數(shù)字溫度計，溫度梯度儀，倉面小氣候儀，骨料紅外測溫裝置，機口、入倉、澆筑溫度測試儀等。開發(fā)的倉面小氣候儀可同時監(jiān)測溫度、濕度、風速和風向，用于實時監(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、開倉時間、收倉時間等。部分信息以設計數(shù)據(jù)的方式在系統(tǒng)內(nèi)建模，部分需要隨施工進程逐點輸入。

1．2 互聯(lián)部分

互聯(lián)是通過信息化手段，通過研發(fā)相關設備，設置分控站及總控室，使各施工設備之間、測溫設備之間、測溫設備與分控站之間、分控站與總控室之間建立實時通信，實現(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)各種溫控數(shù)據(jù)的實時采集、共享、分析、控制及反饋(互聯(lián)結構如圖3所示)。

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

實現(xiàn)互聯(lián)的設備主要包括傳感器、控制器、移動終端、施工設備、通水設備、固定終端、展示設備等?；ヂ?lián)所采用的技術手段主要包括云互聯(lián)、藍牙、RS總線、ZigBee、WIFI、GPS等。設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)的方式實現(xiàn)，最后通過公共廣域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的遠程訪問。

圖4為入倉澆筑溫度測量數(shù)據(jù)互聯(lián)結構，入倉、澆筑溫度測試儀通過藍牙與移動終端連接并通過GPS進行自動定位，移動終端通過WIFI網(wǎng)絡與分控站或總控室服務器連接，測量的溫度、濕度可通過該種互聯(lián)方式實時自動傳輸至數(shù)據(jù)庫，最后通過遠程方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的遠程訪問。

圖4 入倉、澆筑溫度測量數(shù)據(jù)互聯(lián)結構

1．3 分析決策部分

分析決策是整個智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心，直接或間接獲取的感知量，通過學習、記憶、分析、判斷、反演、預測等，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、溫度和流量預測預報模型、溫控效果評價模型、表面保溫預測模型、開裂風險預測預警模型這6個模型，通過這6個模型可以對混凝土當前溫度控制狀態(tài)進行評價及預測。

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

b．理想溫度過程線模型是指在一定的溫控標準下，考慮不同壩型特點和不同壩體分區(qū)，按照溫度應力最小的原則，從溫差分級、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性化溫度控制曲線。

c．溫度和流量預測預報模型可以預測未來溫度變化，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，同時利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自學習和自修正，該模型計算公式如下:

d．溫控效果評價模型。該模型通過設計的8張表格和12張圖形可以直觀、實時、全面地定量評價溫控措施施工質(zhì)量。

e．表面保溫預測模型。該模型根據(jù)大壩每日實際澆筑情況實時搜索暴露面，考慮天氣預報、實測氣溫、混凝土內(nèi)部溫度等信息，通過應力仿真計算暴露面長周期應力及短周期應力，并對兩者進行疊加，根據(jù)應力分析結果及實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．開裂風險預測預警模型。該模型通過對大壩澆筑到運行全過程的實時跟蹤反演仿真分析，及時預測未來溫度、應力及開裂風險，實時提出預警并給出建議。

1．4 控制部分

控制包括人工干預和智能控制兩部分，主要包括5個子系統(tǒng)(圖5)。其中，預警發(fā)布及干預反饋子系統(tǒng)和現(xiàn)場決策支持子系統(tǒng)需要人工干預。預警發(fā)布及干預反饋子系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)場實時獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過分析決策模塊進行自動計算，對超標量進行自動報警或預警，并將報警或預警信息自動發(fā)送至施工人員的終端設備上，施工人員根據(jù)報警或預警信息進行人工干預?，F(xiàn)場決策支持子系統(tǒng)是通過溫控周報、月報、季報、階段性報告以及現(xiàn)場培訓等方式實現(xiàn)溫控施工的階段性總結。

圖5 控制部分結構示意圖

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)一的信息平臺和實測數(shù)據(jù)，運用經(jīng)過率定和驗證的預測分析模型，通過自動控制設備對通水流向、流量、水溫進行自動控制。智能小環(huán)境子系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場實時監(jiān)測的溫度、濕度，自動控制倉內(nèi)小環(huán)境設備(如噴霧機)，使倉面小環(huán)境滿足現(xiàn)場混凝土澆筑要求。智能養(yǎng)護子系統(tǒng)是根據(jù)實時監(jiān)測的混凝土內(nèi)部溫度、表面溫度等信息自動控制流水養(yǎng)護、花管養(yǎng)護等設備。

2 工程應用

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、溪洛渡、魯?shù)乩?、藏木等工程中獲得成功應用。采用該智能監(jiān)控系統(tǒng)后，錦屏一級拱壩未發(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用。

圖6為藏木工程智能通水結果，圖中包含了實測流量、預測流量、實測溫度、目標溫度和預測溫度等5個感知量，由圖6可知，實測溫度與目標溫度和預測溫度基本一致。圖7為該系統(tǒng)針對錦屏一級拱壩基礎約束區(qū)固結灌漿“一進一出”和“三進三出”工況提供的長、短周期應力疊加計算結果，由圖7可知“三進三出”保溫方案是最優(yōu)方案。

圖6 藏木工程智能通水結果

圖7 錦屏一級拱壩基礎約束區(qū)長、短周期應力疊加計算結果

3 結語

信息化、數(shù)字化、智能化技術的發(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環(huán)節(jié)(包括原材料預冷、混凝土拌和、運輸、入倉、平倉、振搗、通水冷卻、表面養(yǎng)護等)，利用數(shù)字化技術、互聯(lián)技術和自動控制技術，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。基于數(shù)字化技術的感知技術可以實時、準確地獲取各個環(huán)節(jié)的有效信息(如溫度、流量、風速、壓力等);基于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的互聯(lián)技術可以將施工現(xiàn)場的感知儀器、施工機械、控制設備、移動終端、固定終端等進行互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)隨時隨地的有線、無線、遠程及近程訪問，通過材料預冷、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)計分析模型，以應力最優(yōu)、措施合理可行為目標，動態(tài)確定每倉混凝土的冷卻曲線，在此基礎上調(diào)整各環(huán)節(jié)的溫控參數(shù)，通過預測目標溫度和實測目標溫度的反復比較，不斷調(diào)整溫控參數(shù)，使最高溫度、溫差、溫度變化速率達到最優(yōu)，從而達到防裂的目的。

目前大體積混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)已在錦屏一級、溪洛渡、魯?shù)乩?、藏木等工程中成功應用，取得良好的效果。應用實踐表明，分析決策部分的幾個溫控模型是技術關鍵，應用于具體工程時各模型還有待不斷改進、優(yōu)化。

［1］中國水力發(fā)電工程學會．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踐［J］水力發(fā)電學報，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力與溫度控制［M］．北京:中國電力出版社，1999．

［4］劉毅，張國新．混凝土壩溫控防裂要點探討［J］．水利水電技術，2014，45(1):77-89．(LIU Yi，ZHANG Guoxin．Discussion on key points of temperature control and crack prevention dam ［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2014，45(1):77-89．(in Chinese))

［5］朱伯芳，張國新，許平，等．混凝土高壩施工期溫度與應力控制決策支持系統(tǒng)［J］．水利學報，2008，39(1):1-6．(ZHU Bofang，ZHANG Guoxin，XU Ping，et al．Decision making support system for temperature and stress control of high concrete dams in construction period ［J］．Journal of HydraulicEngineering，2008，39(1):1-6．(in Chinese))

［6］朱伯芳．混凝土壩的數(shù)字監(jiān)控［J］．水利水電技術，2008，39(2):15-18．(ZHU Bofang．Numerical monitoring of concrete dams［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2008，39(2):15-18．(in Chinese))

［7］朱伯芳，張國新，賈金生，等．混凝土壩的數(shù)字監(jiān)控:提高大壩監(jiān)控水平的新途徑［J］．水力發(fā)電學報，2009，28(1):130-136．(ZHU Bofang，ZHANG Guoxin，JIA Jinsheng，et al．Numerical monitoring of concrete dams:a new way for improving the safety control of concrete dams［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2009，28(1):130-136．(in Chinese))

［8］劉毅，張國新，王繼敏，等．特高拱壩施工期數(shù)字監(jiān)控方法、系統(tǒng)與工程應用［J］水利水電技術，2012，43(3):33-37．(LIU Yi，ZHANG Guoxin，WANG Jimin，et al．Numerical monitoring methods and system for construction of super high arch dam and its engineering practice ［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2012，43(3):33-37．(in Chinese))

［9］張國新，張磊，劉毅，等．錦屏一級拱壩施工期工作性態(tài)反演仿真分析［C］//陳云華．流域水電開發(fā)重大技術問題及主要進展．鄭州:黃河水利出版社，2014:225-231．

［10］馬洪琪，鐘登華，張宗亮，等．重大水利水電工程施工實時控制關鍵技術及其工程應用［J］．中國工程科學，2011，13(12):20-27．(MA Hongqi，ZHONG Denghua，ZHANG Zongliang，et al．Key technologies of real-time construction control for major hydraulic and hydroelectric projects［J］．Engineering Sciences，2011，13(12):20-27．(in Chinese))

［11］鐘登華，劉東海，崔博．高心墻堆石壩碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控技術及應用［J］．中國科學:技術科學，2011，48(7):1027-1034．(ZHONG Denghua，LIU Donghai，CUI Bo．Real-time compaction quality monitoring of high core rock fill dam ［J］．Science China:Technological Sciences，2011，48(7):1027-1034．(in Chinese))

［12］馬洪琪．糯扎渡水電站摻礫黏土心墻堆石壩質(zhì)量控制關鍵技術［J］．水力發(fā)電，2012，38(9):12-15．(MA Hongqi．Key technologies on construction quality control of rock fill dam with core wall filled by clay soil mixed with gravel in Nuozhadu Hydropower Station Project［J］．Water Power，2012，38(9):12-15．(in Chinese))

［13］張國新，劉有志，劉毅．“數(shù)字大壩”朝“智能大壩”的轉變:高壩溫控防裂研究進展［C］//賈金生，陳云華．水庫大壩建設與管理中的技術進展:中國大壩協(xié)會2012學術年會論文集．鄭州:黃河水利出版社，2012:74-84．

［14］李慶斌．論智能大壩［J］．水力發(fā)電學報，2014，33(1):139-146．(LI Qingbin．Demonstration on intelligent dam［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2014，33(1):139-146．(in Chinese))

［15］張國新，劉毅，李松輝，等．混凝土壩溫控防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)及其工程應用［J］．水利水電技術，2014，45(1):96-102．(ZHANG Guoxin，LIU Yi，LI Songhui．et al．Intelligent monitoring and control system for temperature control and crack prevention of concrete dam and its engineering application［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2014，45(1):96-102．(in Chinese))

［16］譚愷炎，陳軍琪，燕喬，等．大體積混凝土冷卻通水數(shù)據(jù)自動化采集系統(tǒng)研制及應用［C］//賈金生．水庫大壩建設與管理中的技術進展:中國大壩協(xié)會2012學術年會論文集．鄭州:黃河水利出版社，2012:502-507．

［17］張國新．SAPTIS:結構多場仿真與非線性分析軟件開發(fā)及應用［J］，水利水電技術，2013，44(1):31-44．(ZHANG Guoxin．Development and application of SAPTIS:a software of multi-field simulation and nonlinear analysis of complex structure［J］．Water Resources and Hydropower Engineering，2013，44(1):31-44．(in Chinese))