0 引言

水工大體積混凝土裂縫嚴(yán)重影響工程質(zhì)量和耐久性，甚至威脅結(jié)構(gòu)安全。溫度荷載是裂縫產(chǎn)生的主要原因[1]，全過程控制混凝土溫度，特別是采用通水冷卻措施，能有效降低開裂風(fēng)險[2]，且通水冷卻防裂效果的好壞與通水方案的科學(xué)合理性及落實(shí)情況直接相關(guān)。傳統(tǒng)建造模式下，大體積混凝土通水冷卻降溫過程采用人工監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理速度慢、數(shù)據(jù)精度低、溫控效果差且施工目標(biāo)難以保證[3]。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、仿真計(jì)算等技術(shù)的高速發(fā)展，使得實(shí)時動態(tài)獲取大壩真實(shí)工作性態(tài)并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)冷卻通水流量、通水時長的智能化控制即大體積混凝土智能溫控防裂成為可能[3-7] O

然而，現(xiàn)有的智能溫控系統(tǒng)仍存在以下問題： ① 控制策略方面，智能控溫預(yù)設(shè)溫度曲線是固定不變的，特定部位的控溫曲線往往是根據(jù)前期的計(jì)算分析得到的，無法考慮現(xiàn)場各類不確定因素對混凝土結(jié)構(gòu)的影響； ② 硬件設(shè)備方面，現(xiàn)有的智能通水系統(tǒng)大多需要將冷卻水管、通訊、供電電纜連接梳理到一起，在現(xiàn)場建立大量的分控站，增加現(xiàn)場管路布置的同時，無疑增加了分控站搭建維護(hù)成本，同時大幅增加現(xiàn)場管理的難度。

因此，針對以上問題，本文依托福建霍口水庫工程，采用動態(tài)分析計(jì)算技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對現(xiàn)有智能溫控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，成功開發(fā)了大體積混凝土智能通水冷卻控制系統(tǒng)。通過對壩體全過程開展實(shí)時信息感知、自動分析和應(yīng)急控制措施布置，逐步實(shí)現(xiàn)個性化、自動化、數(shù)字化和智能化管理。這將有助于解決混凝土裂縫問題，提高工程質(zhì)量和耐久性，確保工程安全和延長工程合理使用年限。

1 項(xiàng)目概況

霍口水庫工程位于福建省福州市羅源縣境內(nèi)，被列入“十四五\"期間172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程，是一座以供水為主，結(jié)合防洪、兼顧發(fā)電等綜合利用的水利工程，工程規(guī)模為大（2）型，主要由攔河主壩、右岸副壩、地面電站廠房及過魚設(shè)施等組成?；艨谒娬緣沃穮^(qū)多年平均氣溫 19.1°C ，歷年極端最高氣溫 38.7^qC ，碾壓混凝土壩施工過程需重點(diǎn)考慮高氣溫影響。主壩壩型為碾壓混凝土重力壩，最大壩高 91.0m ，壩軸線長 338.0m ，壩頂寬 8m 。水庫正常蓄水位 190.0m ，總庫容2.97億 m³ ，防洪庫容0.35億 m³ ，電站裝機(jī)容量6萬 kW ，承擔(dān)著福州市中心城區(qū)、羅源縣等閩江口北岸城市群約373萬人的供水任務(wù)，具有重要地位。

2智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

大體積混凝土智能溫控系統(tǒng)硬件包括前端監(jiān)測和控制硬件、后端信息采集和控制設(shè)備兩類，對應(yīng)的硬件架構(gòu)示意如圖1所示。

2.1.1 前端監(jiān)測和控制硬件

霍口水庫混凝土智能溫控防裂系統(tǒng)在建設(shè)過程中選擇的前端監(jiān)測和控制硬件主要包括環(huán)境信息監(jiān)測設(shè)備、混凝土溫度監(jiān)測設(shè)備、水溫監(jiān)測設(shè)備、通水流量監(jiān)測設(shè)備、通水方向控制設(shè)備、通水流量控制設(shè)備等。

（1）小型氣象站：安裝在壩址區(qū)較高部位，用于跟蹤監(jiān)測大壩在澆筑施工過程中的氣溫、風(fēng)速、日照輻射信息，作為混凝土大壩澆筑施工過程中溫度場、應(yīng)力場動態(tài)仿真分析的邊界條件。

（2）混凝土溫度測溫設(shè)備：為避免碾壓混凝土壩在施工過程中造成測溫電纜破壞，根據(jù)碾壓混凝土澆筑層的特點(diǎn)，在大壩上游面附近、澆筑層中心、大壩下游面附近埋設(shè)了測溫探頭，采用無線測溫將不同測點(diǎn)溫度信息按照指定頻率發(fā)送到后端信息采集控制設(shè)備。

（3）通水冷卻控制設(shè)備：主要包括四通換向閥、電磁閥、數(shù)字流量計(jì)及控制模塊，通過變壓設(shè)備將電壓調(diào)至36V確保安全，采用專用電纜并聯(lián)供電，遠(yuǎn)程控制模塊接收指令后執(zhí)行操作。

2.1.2后端信息采集控制設(shè)備

后端信息采集控制設(shè)備主要是指現(xiàn)場智能設(shè)備控制柜，其主要功能是實(shí)時接收現(xiàn)場小型氣象站、測溫模塊溫度信息。同時將現(xiàn)場信息發(fā)送至布置在云平臺的智能溫控系統(tǒng)，智能溫控系統(tǒng)通過動態(tài)分析，計(jì)算后續(xù)各閥門開度控制指標(biāo)，將其發(fā)送到現(xiàn)場智能控制柜（圖2），再通過智能控制柜向現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送指令進(jìn)行調(diào)整。

2.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2.2.1 系統(tǒng)總體框架

智能溫控軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)混凝土全過程溫控信息的自動感知、互聯(lián)、分析及控制，采用一體化管控平臺設(shè)計(jì)，集成信息化系統(tǒng)，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同。系統(tǒng)分6層：信息采集、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)資源、模型服務(wù)、智慧應(yīng)用及運(yùn)行環(huán)境，系統(tǒng)框架如圖3所示。

（1）信息采集層。采集層是溫度感知等信息來源的基礎(chǔ)，由各類自動監(jiān)測設(shè)施設(shè)備和人工監(jiān)測等項(xiàng)目組成，為系統(tǒng)提供信息依據(jù)和基礎(chǔ)。其中，溫控信息采集模塊運(yùn)用自動化量測設(shè)備對出機(jī)口溫度、澆筑溫度、入倉溫度、大壩內(nèi)部溫度、水管通水流量、通水水溫、溫度梯度、氣溫及太陽輻射熱等有關(guān)溫控的各個要素進(jìn)行實(shí)時自動采集。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。網(wǎng)絡(luò)通信層是數(shù)據(jù)傳輸與運(yùn)行的基礎(chǔ)，保障信息采集、傳輸及安全，采用物聯(lián)網(wǎng)、有線及無線通信。物聯(lián)網(wǎng)總線通過數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)治理，支持多設(shè)備接人和規(guī)約兼容，提升智能溫控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率與質(zhì)量。所采集的溫控信息經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)匯總后，通過有線/無線通信實(shí)時傳輸至數(shù)據(jù)庫。

（3）數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層是業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，供所采集數(shù)據(jù)的匯集交換與資源管理，可為智能溫控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)源的訪問及存儲功能，可按數(shù)據(jù)類別分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫等，可通過數(shù)據(jù)訪問接口（RESTAPI）進(jìn)行調(diào)用。

（4）模型服務(wù)層。模型服務(wù)層以通用的技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)，將模型進(jìn)行整合封裝、發(fā)布共享，智能溫控系統(tǒng)涉及的主要應(yīng)用模型開發(fā)包括溫度場模型、應(yīng)力場模型和仿真模型等。模型組件開發(fā)應(yīng)按照計(jì)算過程劃分成多個模塊，每個模塊能獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)用微服務(wù)、面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）等技術(shù)進(jìn)行封裝。

（5）智慧應(yīng)用層。智慧應(yīng)用層基于用戶需求，以及數(shù)據(jù)資源層和模型服務(wù)層提供的訪問調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)處理結(jié)果的展示，提供人機(jī)交互過程，主要包括數(shù)據(jù)信息的接收、處理、存儲、統(tǒng)計(jì)、查詢、發(fā)布等過程。智能溫控系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用包括信息服務(wù)、風(fēng)險預(yù)警、三維展示、溫度智能控制等功能模塊，為混凝土壩防裂提供決策支持和管理手段。

（6）安全保障體系。安全保障體系為實(shí)現(xiàn)信息共享提供安全支持。安全保障體系包括實(shí)體安全、主機(jī)安全、鏈路安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全和應(yīng)用安全等方面。

（7）信息化標(biāo)準(zhǔn)體系。信息化標(biāo)準(zhǔn)體系綜合現(xiàn)有信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的保障體系，在總體結(jié)構(gòu)的各層都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。信息化標(biāo)準(zhǔn)體系包括安全標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化管理等。

2.2.2 混凝土結(jié)構(gòu)動態(tài)分析模型

傳統(tǒng)的動態(tài)大體積混凝土智能溫控方法在混凝土澆筑施工過程中，往往基于監(jiān)測溫度對混凝土降溫過程按照既定的降溫曲線進(jìn)行控制，無法考慮澆筑間歇變動、澆筑溫度變化、澆筑季節(jié)調(diào)整等因素的影響。該項(xiàng)目實(shí)施過程中開發(fā)了大體積混凝土溫度、應(yīng)力動態(tài)仿真計(jì)算模塊，如圖4所示。該模塊能夠根據(jù)需要，動態(tài)計(jì)算分析澆筑塊當(dāng)前的溫度應(yīng)力狀態(tài)，并對目標(biāo)溫度指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整優(yōu)化。

2.2.3改進(jìn)的埋置單元法實(shí)現(xiàn)

在該大體積混凝土溫度場水管冷卻計(jì)算模塊中，對已有的埋置單元法進(jìn)行改進(jìn)，推導(dǎo)相應(yīng)的水管水溫計(jì)算公式，引入考慮沿程水溫變化的混凝土溫度場迭代算法[8]，進(jìn)而提高原有算法的計(jì)算精度和適用范圍。其中，埋置單元法基本理論和計(jì)算方法如下：

（1）將水管所通過的單元視為水管埋置單元，在此類單元的溫度場泛函中添加了沿虛擬水管邊界的積分，相當(dāng)于添加了虛擬水管的邊界條件，得到修正后的水管埋置單元泛函[9]：

式中： β^′ 和 β 分別為氣溫邊界和水溫邊界條件下的等效熱交換系數(shù)； T 為混凝土溫度， C：a 為導(dǎo)溫系數(shù)，m²/d;θ 為絕熱溫升， C_;τ 為齡期， d;t 為時間， d;T_a 為氣溫； T_w 為水溫； 為氣溫邊界； 為水溫邊界。

（2）根據(jù)傅立葉熱傳導(dǎo)定律和熱量平衡條件，可得水管沿程水溫增量為

式中： φ_w，c_w 和 ρ_w 分別為冷卻水的流量（ m³/d ）、比熱（kJ?kg^-1?C^-1 ）和密度（ kg/m³ ）； λ 為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)， n 為水管外表面混凝土面的外法線向坐標(biāo)。

2.2.4系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

為落實(shí)霍口水利樞紐施工期溫度監(jiān)控管理智能化建設(shè)，針對用戶實(shí)際需求，運(yùn)用GPS技術(shù)、自動監(jiān)測技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)、自動控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫控信息實(shí)時自動感知、互聯(lián)、分析與控制。系統(tǒng)將充分利用及整合現(xiàn)有水利信息化成果，主要服務(wù)于大壩建設(shè)期間的自動化管理。將該系統(tǒng)分為7個子系統(tǒng)，具體見圖5。

（1）信息采集系統(tǒng)。通過集成自動化量測設(shè)備，該模塊能夠?qū)崟r自動采集出機(jī)口溫度、澆筑溫度、混凝土澆筑信息、倉面溫控、通水冷卻、混凝土內(nèi)部溫度、氣溫及太陽輻射熱等溫控要素。主要設(shè)備包括澆筑溫度記錄儀、水溫測量儀、內(nèi)部溫度監(jiān)測設(shè)備、出機(jī)口溫度記錄儀和太陽輻射熱測量儀等，均通過GPS定位或唯一地址編碼確定位置，實(shí)現(xiàn)溫控信息的全自動實(shí)時采集。整體架構(gòu)如圖6所示。

（2）信息傳輸系統(tǒng)。智能溫控系統(tǒng)的信息傳輸機(jī)制：終端設(shè)備定時向指定服務(wù)器發(fā)送定位信息，服務(wù)器接收并處理后保存至數(shù)據(jù)庫，供后續(xù)顯示和決策使用。通信采用TCP協(xié)議，每次傳輸后斷開連接，設(shè)備間獨(dú)立無交流，發(fā)送時間由終端決定。開發(fā)工作基于物聯(lián)網(wǎng)4G模塊與Modbus硬件，運(yùn)用多線程編程、TCP/IP理論、VisualStudio2015、C#編程語言和數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件。該軟件利用VisualStudio2015平臺，在SQLServer2015數(shù)據(jù)庫中存儲和管理數(shù)據(jù)，通過C#.NET的窗體應(yīng)用程序開發(fā)，構(gòu)建了一個完整的軟件體系。

（3）信息評價系統(tǒng)。溫控信息評價系統(tǒng)主要以圖、表等方式對監(jiān)測信息和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。針對溫度、濕度、水量、流量等監(jiān)測運(yùn)行情況，進(jìn)行報表分析，并對用戶提供混凝土澆筑過程中各項(xiàng)溫控參數(shù)、混凝土澆筑信息、設(shè)備信息的分類等精確查詢服務(wù)。

（4）開裂風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)。開裂風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)以及仿真計(jì)算得到大壩真實(shí)的工作性態(tài)，在開裂風(fēng)險到達(dá)一定程度后會發(fā)出預(yù)警，可對預(yù)警結(jié)果發(fā)出干預(yù)指令。

（5）智能通水控制系統(tǒng)。智能通水控制系統(tǒng)對實(shí)時數(shù)據(jù)做出及時反饋，結(jié)合評價分析結(jié)果，開展通水調(diào)控，降低混凝土開裂風(fēng)險。具體而言，從大壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，對不同部位的冷卻水管，根據(jù)設(shè)定的峰值溫度、降溫速率、各期目標(biāo)溫度，配合實(shí)測的大壩混凝土溫度歷程，實(shí)時動態(tài)地對冷卻水供水閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)通水降溫智能化，確保升溫、降溫過程符合溫控指標(biāo)要求。此外，該模塊可顯示智能通水調(diào)控信息，形成調(diào)控日志。

（6）仿真分析系統(tǒng)。在動態(tài)反演分析的基礎(chǔ)上，對典型項(xiàng)段開展仿真分析，實(shí)時評價大項(xiàng)溫度、應(yīng)力、變形狀態(tài)及混凝土抗裂安全度，對潛在開裂風(fēng)險進(jìn)行動態(tài)預(yù)警。針對霍口碾壓混凝土重力壩的環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料特點(diǎn)，開發(fā)相應(yīng)的仿真分析及反分析計(jì)算模塊，結(jié)合實(shí)時監(jiān)測計(jì)算成果，開展混凝土關(guān)鍵熱學(xué)、力學(xué)參數(shù)的動態(tài)反演，以及典型壩段的動態(tài)仿真分析。

（7）用戶管理系統(tǒng)。主要用于錄入和顯示用戶各項(xiàng)信息，并按角色進(jìn)行分類管理，根據(jù)角色不同進(jìn)行不同權(quán)限分配，可通過地址及權(quán)限對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時訪問。

3智能溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)混凝土壩防裂智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包括以下4個部分。

（1）采用物聯(lián)網(wǎng)、自動測控技術(shù)實(shí)現(xiàn)大壩內(nèi)部溫度計(jì)、溫度梯度儀、倉面溫度梯度儀、骨料溫度測試記錄儀、混凝土出機(jī)口溫度、入倉澆筑溫度測試記錄儀、小型氣象站、水溫傳感器、流量計(jì)、四通換向閥的數(shù)據(jù)自動采集和傳輸，建立自動化的大壩溫控監(jiān)測體系。

（2）數(shù)據(jù)資源層采用SQLServer作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以SL323-2011《實(shí)時水雨情數(shù)據(jù)庫》，SZY302-2012《國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識》等數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與管理。

（3）采用Java語言編程實(shí)現(xiàn)混凝土大壩防裂智能溫控系統(tǒng)的專業(yè)支撐模型，并封裝成Web服務(wù)，為智慧應(yīng)用提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口。

（4）智慧應(yīng)用層采用JavaWeb的3層架構(gòu)及MVC模式，運(yùn)用Spring、WebService、MyBatis、React等核心技術(shù)，開發(fā)B/S模式的智慧應(yīng)用系統(tǒng)，在保證技術(shù)先進(jìn)性的同時兼顧實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、可管理性。

霍口水庫混凝土壩防裂智能溫控系統(tǒng)開發(fā)完成后，面向業(yè)務(wù)管理人員提供實(shí)時監(jiān)測、智能控制、仿真分析等功能模塊。以智能控制模塊為例展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果，界面如圖7所示，通過界面左側(cè)的二級菜單和頂部的菜單欄可實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的切換。智能控制系統(tǒng)運(yùn)行后，將實(shí)時監(jiān)測與仿真分析相結(jié)合，為實(shí)現(xiàn)霍口水庫混凝土壩防裂溫度智能控制提供管理平臺支撐。

4結(jié)語

本研究依托福建霍口水庫工程開發(fā)建設(shè)，針對當(dāng)前智能通水系統(tǒng)的不足，成功研發(fā)了一套大體積混凝土智能通水冷卻控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了硬件和軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以下3個方面的目標(biāo)。

（1）通過開發(fā)遠(yuǎn)程控制模塊，實(shí)現(xiàn)對各類控制設(shè)備的集中管理，簡化了大壩工程澆筑過程的控制流程。（2）采用單條低壓供電電纜為冷卻水管控制設(shè)備供電，既保證了供電安全，又提升了施工安全性。（3）借助溫度應(yīng)力仿真計(jì)算模塊，系統(tǒng)能夠?qū)崟r模擬和分析混凝土溫度應(yīng)力場，為通水冷卻過程提供精準(zhǔn)的動態(tài)優(yōu)化與調(diào)整方案。

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（編輯：江燾，舒忠磊）

Design and implementation of intelligent temperature control system for crack prevention of roller compacted concrete dam in coastal high temperature area

CHEN Cheng （Fujian Mindian Investmentand Development Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 35OOo1，China）

Abstract：Inlightoftheisueswithexistinginteligenttemperaturecontrolsystem，suchaspoorflexibilityofcontrol strategies，high maintenancecostsand managementchallenges，wefocusedontheconstructionof rollercompacted concretedams inhigh temperature coastal areas，andusedadvanced technologies such as the InternetofThings，the Interet and system integration to developan intellgent monitoring system for temperature“perception-analysis-feedback\" throughout the concrete construction proces.The results showed that：from raw material pre-cooling，warehousing，pouring，watercoling tocuring，this process hadrealizedautomaticsensing，interconnection，analysisandcontrolofconcrete temperature information at allstages，ensuringa“known”and“controllble”working stateduring theconstruction periodof concretedams，significantlyreducingtheriskofcracking，andachievingthegoal ofsientificandeficientconstruction site management.

Key words：rolercompacted concrete dam；temperature monitoring；crack prevention；system integration；inteligent monitoring system