錦屏一級水電站高拱壩施工實(shí)時控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鄭江

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610051)

錦屏一級水電站高拱壩施工實(shí)時控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鄭江

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610051)

錦屏一級水電站特高拱壩高305 m，為已建世界最高拱壩，其高水壓力對工程施工質(zhì)量要求高。工程區(qū)河谷深切、地形陡峻，有限的空間資源不利于施工布置和進(jìn)度管控，骨料先天缺陷和大壩結(jié)構(gòu)孔洞多等不利因素增加了高拱壩溫控防裂的難度，使工程建設(shè)面臨巨大的挑戰(zhàn)。研究并在施工全過程中運(yùn)用了高拱壩混凝土施工質(zhì)量與進(jìn)度實(shí)時控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實(shí)時性、連續(xù)性、自動化、數(shù)字化的特點(diǎn)，對工程施工質(zhì)量和進(jìn)度信息進(jìn)行了采集和分析，工程蓄水后各項監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示大壩工作性態(tài)正常。

錦屏一級水電站；特高拱壩；進(jìn)度仿真；綜合信息集成；實(shí)時控制分析；4．5 m倉層厚度

1 概述

高拱壩施工是一個由基礎(chǔ)處理、混凝土澆筑、接縫灌漿以及金屬結(jié)構(gòu)安裝等多個項目組成的龐大系統(tǒng)，且該系統(tǒng)的各施工項目交叉實(shí)施，錯綜復(fù)雜，因此迫切需要獲取和分析工程綜合信息，用以指導(dǎo)復(fù)雜的巨型水電工程管理決策，保障施工質(zhì)量控制。目前，信息技術(shù)越來越多地運(yùn)用于工程建設(shè)，李惠人等人針對大型橋梁建立了基于網(wǎng)絡(luò)平臺在線智能健康監(jiān)測系統(tǒng)［1］；朱伯芳提出了混凝土壩數(shù)字監(jiān)控的概念，利用全壩全過程的仿真計算分析，為混凝土壩溫度控制決策提供依據(jù)［2］；鐘登華等人提出了高拱壩施工全過程動態(tài)仿真建模理論與方法［3］。

錦屏一級水電站雙曲拱壩壩高305 m，為世界第一高拱壩，厚高比為0．207；壩體共設(shè)26個壩段，壩體混凝土方量約476．47萬m3。工程面臨壩體厚度大、壩基兩岸坡度陡、結(jié)構(gòu)孔洞多、壩區(qū)晝夜溫差大、冬季干燥、混凝土原材料抗裂性能不優(yōu)等不利條件，溫控防裂難度大［4］，施工質(zhì)量控制要求高。同時，工程由于復(fù)雜地質(zhì)條件邊坡開挖支護(hù)等難題超出原設(shè)計預(yù)期而造成大壩施工工期延后9個月，故拱壩優(yōu)質(zhì)快速施工問題更為突出。為此，工程建設(shè)方成立了課題組，在已有理論的基礎(chǔ)上，針對工程實(shí)際問題的需要，研究并在工程建設(shè)中運(yùn)用了錦屏一級水電站高拱壩施工實(shí)時控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)設(shè)計

為滿足特高拱壩建設(shè)對質(zhì)量和施工進(jìn)度進(jìn)行在線實(shí)時監(jiān)測和反饋控制的要求，實(shí)現(xiàn)業(yè)主和監(jiān)理對工程建設(shè)的深度參與和精細(xì)管理，該系統(tǒng)的設(shè)計包含8個模塊:倉面施工信息采集分析模塊、混凝土原材料質(zhì)檢信息采集分析模塊、混凝土試驗(yàn)信息采集與分析模塊、高線拌和系統(tǒng)混凝土生產(chǎn)信息采集分析模塊、纜機(jī)運(yùn)行信息采集分析模塊、大壩溫控信息采集分析模塊、灌漿信息采集分析模塊、大壩施工進(jìn)度實(shí)時控制分析模塊。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 高拱壩實(shí)時控制系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2．1 大壩混凝土施工動態(tài)信息PDA采集系統(tǒng)

通過監(jiān)理和施工單位手持PDA(也可通過電腦進(jìn)行IE端錄入)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時采集(系統(tǒng)技術(shù)路線見圖2)，包括大壩倉面施工信息(基礎(chǔ)面或施工縫面、模板、預(yù)埋件、開倉申請單、倉號基本信息、澆筑工序質(zhì)量等工序質(zhì)檢信息)和現(xiàn)場的混凝土試驗(yàn)信息(混凝土的坍落度和含氣量等)兩部分。執(zhí)行“施工單位三級自檢，監(jiān)理審核”的工序質(zhì)檢流程，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有錄入錯誤或者工序質(zhì)量檢查不合格時，其上層管理人員將其駁回至施工單位初檢人員。

圖2 PDA采集系統(tǒng)總體技術(shù)路線示意圖

2．2 溫控信息自動采集與分析系統(tǒng)

錦屏一級水電站拱壩混凝土施工期實(shí)施溫度監(jiān)測的溫度計達(dá)3 565支，溫控觀測的頻次高。為更加高效、準(zhǔn)確和及時地掌握混凝土內(nèi)部溫度，課題組研發(fā)并實(shí)施了大壩混凝土施工期溫度自動化監(jiān)測系統(tǒng)，將自動化采集設(shè)備布置在壩體廊道內(nèi)，溫度計電纜通過預(yù)埋向上或向下牽引至壩體廊道內(nèi)的自動化采集單元，從而減少了監(jiān)測設(shè)備對倉面施工的干擾，克服了自動化采集設(shè)備布置的難題。運(yùn)用該系統(tǒng)，可以實(shí)時溫控數(shù)據(jù)共享，隨時檢查溫控情況，該系統(tǒng)同時具備根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價指標(biāo)進(jìn)行自動報警的功能。

2．3 拱壩混凝土施工進(jìn)度動態(tài)仿真與實(shí)時控制分析系統(tǒng)

壩體混凝土澆筑是以澆筑機(jī)械為“服務(wù)臺”，澆筑壩塊作為澆筑服務(wù)“對象”的、復(fù)雜、多級的隨機(jī)有限源服務(wù)系統(tǒng)。通過綜合比較所設(shè)定的大壩混凝土澆筑仿真探尋的目標(biāo)是:在滿足各種約束限制下(1．時間約束(如備倉時間、鋼襯安裝時間、最長間歇期)；2．三大高差限制(整體大壩高差，相鄰壩段高差、懸臂高差)；3．纜機(jī)工作范圍的限制(最小安全間距)；4．基礎(chǔ)處理速度對壩塊選擇的約束；5．氣候條件對澆筑的影響(雨季月需扣除降雨對施工的影響時長))，在安排混凝土大壩澆筑塊的澆筑順序時，使大壩的澆筑工期最緊湊，使各機(jī)械設(shè)備的利用率最高。高拱壩混凝土澆筑施工仿真是一個動態(tài)優(yōu)化的過程，根據(jù)實(shí)際工程的進(jìn)展與進(jìn)度偏差情況，動態(tài)地進(jìn)行下一階段實(shí)施方案的優(yōu)化活動。高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時控制流程見圖3。

圖3 高拱壩施工進(jìn)度實(shí)時控制流程圖

2．4 大壩施工綜合信息集成系統(tǒng)

采用三維建模技術(shù)、GIS技術(shù)、海量數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，將錦屏一級水電站大壩設(shè)計和施工過程中涉及的各種工程信息(大壩倉面施工信息、混凝土原材料質(zhì)檢信息、混凝土試驗(yàn)信息、高線拌和系統(tǒng)混凝土生產(chǎn)信息、纜機(jī)運(yùn)行信息、大壩溫控信息、灌漿信息等)進(jìn)行動態(tài)采集與數(shù)字化處理(如入庫的溫度數(shù)據(jù)可以以倉號為中心進(jìn)行檢索，并可自動繪制輸出各種溫度歷時過程曲線，如混凝土內(nèi)部平均溫度歷時曲線；溫控數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入溫控仿真分析系統(tǒng)，開展全壩全過程溫度仿真分析)，構(gòu)建錦屏一級水電站大壩綜合數(shù)字信息平臺，研發(fā)了支持IE訪問的大壩綜合信息集成系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

2009年8月，在惡劣的樞紐工程區(qū)建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為系統(tǒng)投入試運(yùn)行提供了基礎(chǔ)條件；2010年2月，系統(tǒng)各主要功能模塊基本開發(fā)完畢，系統(tǒng)正式投入試運(yùn)行(系統(tǒng)主界面見圖4)，并根據(jù)現(xiàn)場需求不斷反饋完善。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，實(shí)現(xiàn)了大壩建設(shè)過程中的進(jìn)度、質(zhì)量、監(jiān)測等信息的動態(tài)集成管理以及大壩施工進(jìn)度的實(shí)時跟蹤和仿真預(yù)測分析功能，提高了大壩施工質(zhì)量監(jiān)控與進(jìn)度控制的水平和精度，為保證大壩施工進(jìn)度和工程質(zhì)量提供了技術(shù)平臺支持。

圖4 系統(tǒng)總界面圖

3．1 溫控信息采集與分析系統(tǒng)使用取得的成效

系統(tǒng)高峰時段日錄入數(shù)據(jù)量達(dá)360萬條，課題組運(yùn)用系統(tǒng)提供的圖表對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行了高效管理，并在參建各方之間提供了共享的數(shù)據(jù)平臺。運(yùn)用該系統(tǒng)，可以實(shí)時共享溫控數(shù)據(jù)，隨時檢查溫控情況，系統(tǒng)報警預(yù)警項目包括系統(tǒng)最高溫度超標(biāo)預(yù)警、降溫速率超標(biāo)預(yù)警、溫度回升超標(biāo)預(yù)警、溫差超標(biāo)預(yù)警、數(shù)據(jù)缺失預(yù)警等。同時，將該系統(tǒng)自動采集到的溫度數(shù)據(jù)用于錦屏一級水電站全壩全過程的溫控仿真分析，每周通報分析成果，使參建各方能夠及時掌握大壩溫度應(yīng)力狀態(tài)，滿足了特高拱壩溫控防裂精細(xì)化要求。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知，錦屏一級水電站大壩全壩最高溫度平均合格率為96．7%，溫度回升符合率為96．4%，一期冷卻、中期冷卻和二期冷卻降溫速率合格率分別達(dá)到98．2%、98．6%和99．1%。大壩混凝土一期、中期和二期冷卻內(nèi)部溫差符合率分別為95．8%、96．8%和100%，全壩無危害性裂縫出現(xiàn)。

3．2 大壩混凝土施工進(jìn)度動態(tài)仿真與實(shí)時控制分析系統(tǒng)應(yīng)用成效

由于錦屏一級水電站大壩澆筑倉數(shù)目多達(dá)1 496個，因此，大壩進(jìn)度編制是一個異常繁瑣而需要考慮多方面因素的過程。課題組在工程建設(shè)全過程中充分運(yùn)用了混凝土施工進(jìn)度動態(tài)仿真與實(shí)時控制分析系統(tǒng)，開展了拱壩混凝土澆筑進(jìn)度仿真分析工作，并將其用于編制大壩混凝土澆筑月計劃、年計劃和總進(jìn)度計劃(系統(tǒng)仿真分析形成的拱壩每半年仿真形象面貌見圖5)，用于分析施工機(jī)械和倉層厚度對大壩澆筑進(jìn)度的影響。

圖5 拱壩每半年仿真形象面貌圖

為研究按期發(fā)電的可行性，運(yùn)用該系統(tǒng)開展了“4臺纜機(jī)+3 m倉層厚度”(可研階段施工規(guī)劃)、5臺纜機(jī)方案+3 m倉層厚度和5臺纜機(jī)+非結(jié)構(gòu)部位4．5 m倉層厚度三種方案的比較分析，根據(jù)分析成果得知5臺纜機(jī)+非結(jié)構(gòu)部位4．5 m倉層厚度滿足要求，而后錦屏一級水電站拱壩澆筑在原4臺纜機(jī)的基礎(chǔ)上新增了1臺纜機(jī)并首次在拱壩中全面推廣采用4．5 m倉層厚度澆筑。2013年8月，工程按照可研工期如期發(fā)電，2013年12月，大壩歷時50個月全線澆筑至壩頂；2014年8月24日工程順利蓄水至正常蓄水位，工程各項監(jiān)測指標(biāo)正常，大壩施工質(zhì)量經(jīng)受住了設(shè)計水頭的考驗(yàn)。

4 結(jié)語

課題組研發(fā)并在實(shí)際工程中應(yīng)用了錦屏一級水電站高拱壩施工實(shí)時控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了混凝土施工倉面信息、混凝土原材料檢驗(yàn)信息、混凝土試驗(yàn)信息、混凝土生產(chǎn)信息、纜機(jī)運(yùn)行信息、壩體混凝土溫度信息、灌漿信息、施工進(jìn)度信息等與質(zhì)量和進(jìn)度緊密相關(guān)的各基礎(chǔ)信息的實(shí)時采集、傳輸、共享與分析，并開展了全過程進(jìn)度仿真分析，確定了大壩混凝土澆筑纜機(jī)配置和倉層厚度方案，工程成功趕回了因壩基開挖滯后等不利因素而影響的9個月工期，電站按照可研工期發(fā)電，工程質(zhì)量經(jīng)受住了300 m級特高水頭的考驗(yàn)，豐富了特高拱壩優(yōu)質(zhì)快速施工關(guān)鍵技術(shù)，可為國內(nèi)外同類工程提供借鑒。

［1］ 朱伯芳．混凝土壩的數(shù)字監(jiān)控［J］．水利水電技術(shù)，2008， 39(2):15-18．

［2］ 李 惠，周文松，歐進(jìn)萍，等．大型橋梁結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測系統(tǒng)集成技術(shù)研究［J］．土木工程學(xué)報，2006，39(2):46-52．

［3］ 鐘登華，吳康新，練繼亮．基于多Agent的混凝土壩施工仿真與優(yōu)化研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20(2):485-489，498．

［4］ 王繼敏，段紹輝，鄭 江．錦屏一級拱壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)問題［A］．水庫大壩建設(shè)與管理中的技術(shù)進(jìn)展——中國大壩協(xié)會2012學(xué)術(shù)年會論文集［C］．鄭州，2012．

TV7;TV52;TV37

B

1001-2184(2015)05-0075-04

鄭 江(1986-)，男，四川西昌人，工程師，碩士，從事水電工程建設(shè)技術(shù)與管理工作．

(責(zé)任編輯:李燕輝)

2015-06-18