金沙江上游葉巴灘水電站智能建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)探索與應(yīng)用

夏 勇

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司葉巴灘分公司,四川 成都 610041)

1 前 言

隨著水電工程信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)的發(fā)展,水電站建設(shè)經(jīng)歷了以糯扎渡大壩碾壓質(zhì)量監(jiān)控為代表的數(shù)字化向以溪洛渡智能應(yīng)用為代表的智能化發(fā)展的過程,正逐步朝著工程智能建設(shè)、電站智能運行和流域智能調(diào)度的方向發(fā)展[1-2]。水電站的“智能建設(shè)”可實現(xiàn)自動、實時采集工程建造過程中的各類數(shù)據(jù),包括設(shè)備狀態(tài)及位置信息,材料屬性信息和質(zhì)量信息等建造過程信息,以采用智能化方式,減少人員的工作量,實現(xiàn)水電行業(yè)領(lǐng)域建造過程智能化水平顯著提升[3]。智能技術(shù)在水電站中的應(yīng)用是適應(yīng)時代的產(chǎn)物,通過對設(shè)備的改造升級、仿真分析、實施模擬,以實現(xiàn)水電站的智能管理和有效監(jiān)控,滿足水電站智能建設(shè)精益化管理的需求。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析,基于精細化管理的“智能建設(shè)”與傳統(tǒng)建造模式相比,將能至少能降低 10%～20%以上的資源投入、成本節(jié)約及能耗[4]。

隨著中國水電工程開發(fā)的逐步西移,大型水電工程主要集中在西南高山峽谷地區(qū),面臨著高寒、高海拔、高地震烈度等惡劣自然氣候條件與復雜地質(zhì)條件考驗,開發(fā)與工程建設(shè)管理難度極大,對水電工程建設(shè)的多要素協(xié)同管控提出了嚴苛要求。應(yīng)用“智能建造”新技術(shù)、新理念,研發(fā)應(yīng)用先進的信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù),實現(xiàn)工程安全、高效建設(shè)和運行勢在必行。筆者以葉巴灘水電站智能建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用為出發(fā)點,對高海拔寒冷地區(qū)特高拱壩智能建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究,但是在智能水電站建設(shè)過程中也存在一些現(xiàn)實困難,實現(xiàn)水電站智能建設(shè)對水電行業(yè)而言是長期且艱巨的挑戰(zhàn)。

2 工程概況

金沙江上游河段水電開發(fā)規(guī)劃范圍上起巴塘河口下至奔子欄全長約772 km的干流河段,葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段上,系金沙江上游13個梯級水電站的第7級,總裝機容量2 240 MW,是中央支持西藏經(jīng)濟社會發(fā)展的重大項目、國家“西電東送”接續(xù)基地和西南水電基地建設(shè)的重大工程。

葉巴灘水電站樞紐建筑物主要由攔河大壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等組成,大壩采用混凝土雙曲拱壩設(shè)計,最大壩高217 m,壩身布置5個表孔和4個深孔,壩后水墊塘消能。地下引水發(fā)電系統(tǒng)洞室群規(guī)模巨大,采用“右岸首部式廠房+長尾水”的布置方案,廠內(nèi)安裝4臺單機容量510 MW的混流式機組和2臺單機容量200 MW互為備用的混流式泄放生態(tài)流量機組。兩條尾水洞采用圓形斷面,斷面直徑為14.4 m,長約3.0 km。工程平均海拔3 000 m,極高地應(yīng)力37.57 MPa,壩址區(qū)極端低溫-23.5 ℃,全年最大晝夜溫差達37.0 ℃,超210 m特高雙曲拱壩,480 m級垂直開挖邊坡,綜合技術(shù)難度大。

3 智能建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)探索

葉巴灘水電站工程規(guī)模巨大,面對地形地質(zhì)條件極其復雜、年溫差及日溫差極大、氣候環(huán)境極惡劣、施工質(zhì)量管控要求高等特點,開展基于正向設(shè)計的高寒特高拱壩BIM模型高效數(shù)智體系研究,創(chuàng)建高寒地區(qū)特高拱壩施工多要素智能管控技術(shù)體系,構(gòu)建大型水電工程智能建造管理平臺,對工程建設(shè)中的資源要素、管理程序、結(jié)構(gòu)性態(tài)、進度計劃進行實時動態(tài)分析和耦合仿真預(yù)測,可大幅度降低工程建設(shè)過程中人的不確定行為、物的不確定狀態(tài)、環(huán)境的不確定因素及管理缺陷,實現(xiàn)工程建設(shè)的創(chuàng)造價值[5],有效解決工程建設(shè)中的設(shè)計、施工和管理難題是必要的。

3.1 建基面地質(zhì)缺陷處理關(guān)鍵技術(shù)

工程壩址位于川西金沙江深切峽谷區(qū),岸坡高陡,巖體淺表風化卸荷強烈、深卸荷發(fā)育。深卸荷松弛巖體空間分布復雜,強烈程度變化大,力學性能差,遠遠超出了以往的理論和工程經(jīng)驗,是制約工程安全穩(wěn)定的特殊重大工程地質(zhì)問題。針對上述問題,通過精細地質(zhì)勘探、拱梁分載法、線彈性有限元法、非線性有限元法及地質(zhì)力學模型試驗等方法研究,掌握了深卸荷松弛巖體力學特性和松弛演化規(guī)律,實現(xiàn)深卸荷巖體變模、強度綜合利用和時效變形控制的技術(shù)創(chuàng)新,提出主動保護、精細開挖、快速支護、組合處理、限松弛—控變形的壩基綜合處理新方法;開展雙保護層分區(qū)分級開挖、巖石蓋重固結(jié)灌漿、深層快速錨固等創(chuàng)新技術(shù)研究,形成成套建基面開挖保護處理工法和壩基開挖綜合處理措施,保障壩基開挖質(zhì)量優(yōu)良。

3.2 拱壩安全優(yōu)質(zhì)高效施工關(guān)鍵技術(shù)

在高寒高海拔條件下,如何有效提升混凝土運輸效率,防止在混凝土運輸過程外部氣溫對混凝土內(nèi)部溫度影響;如何確?；炷琳駬v質(zhì)量滿足要求,防止混凝土內(nèi)部存在缺陷,影響高寒條件下混凝土耐久性,對混凝土澆筑全流程管控提出了更高要求。針對上述問題,基于多維耦合的施工進度仿真理論,研發(fā)智能平倉、智能振搗、智能沖毛等混凝土施工智能裝備,提升精品混凝土施工技術(shù)水平;構(gòu)建以混凝土拌合、混凝土運輸、混凝土平倉、混凝土振搗全流程全環(huán)節(jié)的智能監(jiān)控系統(tǒng),形成系列關(guān)鍵線路和重點部位快速施工成套技術(shù),實現(xiàn)混凝土生產(chǎn)質(zhì)量偏差、運輸單循環(huán)時間、混凝土平倉厚度及胚層覆蓋時間、混凝土振搗質(zhì)量全流程智能監(jiān)控。

3.3 拱壩溫控防裂關(guān)鍵技術(shù)

工程區(qū)域氣溫日較差較大,易形成反復的凍融過程,汛期雨日持續(xù)時間長,呈“長冬無夏短春秋、雪稀風大降水少”氣候特點,大體積混凝土溫控防裂技術(shù)難度極大。針對上述問題,通過“試驗研究+數(shù)值仿真+試驗驗證+應(yīng)用優(yōu)化”相結(jié)合的研究方法,實現(xiàn)全壩應(yīng)用中熱水泥混凝土;通過現(xiàn)場振搗試驗、沖毛試驗、凝結(jié)時間和早期強度等試驗,探索形成與之相適應(yīng)的施工工法及溫控策略,提出“小溫差、慢冷卻、早保溫、長養(yǎng)護”溫控理念,實施混凝土預(yù)冷、保溫自卸汽車運輸、吊罐保溫保護、倉面智能噴霧降溫等一系列溫控標準化工藝;配合智能通水系統(tǒng)的全面應(yīng)用,實現(xiàn)混凝土通水冷卻全過程的精準控制,解決大溫差氣候條件下大體積混凝土溫控防裂難題。

3.4 建基面智能灌漿關(guān)鍵技術(shù)

大壩建基面斷層發(fā)育,斷層多組、多方向發(fā)育,交切關(guān)系復雜,延伸長,性狀差,易泥化、軟化,受大量斷層、節(jié)理裂隙的切割,巖體結(jié)構(gòu)異常復雜,壩肩抗滑、邊坡穩(wěn)定、洞室穩(wěn)定、壩基變形等工程地質(zhì)問題突出。針對上述問題,通過智能配漿、壓力流量聯(lián)合控制,實現(xiàn)“一鍵啟動、一鍵結(jié)束”全過程無人化控制、全方位灌漿監(jiān)控;研究全數(shù)字化數(shù)據(jù)中心,實現(xiàn)灌漿作業(yè)數(shù)據(jù)的集成化。

3.5 高邊坡開挖支護智能技術(shù)

左右岸壩肩處于高山峽谷地區(qū),地形陡峻,高位邊坡落石風險對施工期安全和長期運行安全影響較大。針對上述問題,采用Rocfall軟件對高位落石進行運動特征模擬與分析,研究落石的運動軌跡與無防護情況下落石平動速度、彈跳高度、運動動能、停區(qū)域特征,有針對性的對高邊坡落石進行安全防護和避讓;開展高邊坡開挖支護全過程邊坡自動化監(jiān)測,有效監(jiān)控到高邊坡安全穩(wěn)定的影響程度及變化規(guī)律,為邊坡的穩(wěn)定性評價提供充分可靠的數(shù)據(jù)成果支撐。

3.6 智能建設(shè)信息平臺關(guān)鍵技術(shù)

面對高標準高質(zhì)量的建設(shè)需求,如何將大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)與水電工程建設(shè)有機融合,結(jié)合全面感知、真實分析、動態(tài)調(diào)控的智能管理理念,實現(xiàn)工程建設(shè)全生命周期全覆蓋的智能建造體系是重中之重。針對上述問題,通過研發(fā)建設(shè)信息管理平臺一體化,對施工全環(huán)節(jié)、全流程進行實時監(jiān)控、分析、調(diào)控,實現(xiàn)智能控制技術(shù)、BIM信息平臺及綜合監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用,提高工程建設(shè)管理水平。

4 智能建設(shè)研究與應(yīng)用

4.1 基于正向設(shè)計拱壩BIM模型構(gòu)建

高寒地區(qū)特高拱壩一般處于高山陡坡峽谷地區(qū),外業(yè)資料收集極其困難,傳統(tǒng)勘察手段難度大,且海量勘察數(shù)據(jù)量處理分析難度大、復雜地質(zhì)構(gòu)造導致傳統(tǒng)的人工勘察、設(shè)計手段難以實現(xiàn)高效設(shè)計?；贕eoSmart的勘察體系一體化技術(shù),采取數(shù)據(jù)驅(qū)動、正向建模,自動解釋,評價復雜塊體穩(wěn)定,精確施工動態(tài)分析等措施,準確還原、三維評價、精準預(yù)測、動態(tài)分析、指導施工(見圖1),實現(xiàn)葉巴灘水電站480 m級左右岸壩肩高陡邊坡開挖穩(wěn)定、大壩建基面一次驗收通過。

圖1 全專業(yè)多平臺多格式數(shù)據(jù)融合協(xié)同設(shè)計及數(shù)字化交付

(1)高海拔地區(qū)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的工程勘察BIM技術(shù)?；跓o人機、機載三維激光掃描技術(shù),開發(fā)了三維實景數(shù)字化地質(zhì)測繪、無人機前端信息快速采集、巖體結(jié)構(gòu)智能識別等技術(shù),實現(xiàn)了全生命周期勘察的數(shù)字化勘察管理。采用快速建模技術(shù)在云端精確還原復雜的地質(zhì)體,基于模型進行多源異構(gòu)、多模態(tài)、多時態(tài)、復合性的地質(zhì)數(shù)據(jù)分析,全過程正向設(shè)計?；跇?gòu)造模型、單因素屬性模型、多因素綜合屬性模型、幾何—參數(shù)耦合模型為葉巴灘水電站大壩建基巖體質(zhì)量評價問題提供充分依據(jù),解決了建基面選擇、建基巖體利用、地質(zhì)缺陷處理等工程問題。

(2)全專業(yè)多平臺多格式數(shù)據(jù)融合協(xié)同方法。開展多種專業(yè)設(shè)計平臺的對比研究,形成以各輔助平臺開展設(shè)計、總體協(xié)調(diào)平臺協(xié)同。在通用三維設(shè)計平臺基礎(chǔ)上,自研專業(yè)性設(shè)計軟件,創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計及模型迭代方案,實現(xiàn)模型的階段更新和同步,確保模型的準確性和實用性,實現(xiàn)與“葉電云”平臺數(shù)據(jù)互通。

(3)全專業(yè)多場景BIM數(shù)字化交互方案實踐。在提供全套設(shè)計藍圖的同時,也嘗試交付集成部分設(shè)計數(shù)據(jù)的三維模型,用三維模型承載設(shè)計意圖和設(shè)計數(shù)據(jù),形成設(shè)計BIM產(chǎn)品,參建各方基于數(shù)字交互產(chǎn)品開展協(xié)同工作、實時互動,最大限度的避免設(shè)計產(chǎn)品“出廠地”與項目地因空間物理距離導致的信息失真。

4.2 寒冷地區(qū)拱壩施工多要素智能管控體系

以高寒特高拱壩面臨的復雜惡劣施工環(huán)境為基礎(chǔ),構(gòu)建高寒特高拱壩混凝土施工全流程智能管控技術(shù),實現(xiàn)了“混凝土生產(chǎn)-運輸-平倉-振搗”全流程智能監(jiān)控(見圖2)。提出低溫環(huán)境混凝土溫度與強度特性耦合模型,開發(fā)大溫差地區(qū)智能溫控系統(tǒng),實現(xiàn)了拱壩冬季不間斷高強度施工。研究高寒區(qū)特高拱壩智能灌漿關(guān)鍵技術(shù),通過智能化集成、全自動化配漿、壓力流量聯(lián)合控制等,實現(xiàn)了高寒區(qū)特高拱壩基礎(chǔ)處理質(zhì)量全方位受控。研究高山峽谷地區(qū)高寒區(qū)特高拱壩開挖-澆筑全流程智能監(jiān)測體系,實現(xiàn)工程建設(shè)安全全方位分析。大壩經(jīng)歷了低溫冬季、高溫夏季高強度施工,截至目前未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫,為工程安全高質(zhì)快速建設(shè)保駕護航。

圖2 寒冷地區(qū)特高拱壩施工多要素智能管控體系

(1)混凝土澆筑施工全流程管控系統(tǒng)。構(gòu)建了混凝土生產(chǎn)、運輸、平倉振搗全過程智能監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)混凝土生產(chǎn)質(zhì)量偏差、運輸單循環(huán)時間、混凝土平倉厚度及胚層覆蓋時間、混凝土振搗質(zhì)量全流程智能監(jiān)控。

(2)混凝土全環(huán)節(jié)智能溫控。建立了全環(huán)節(jié)的智能調(diào)控模型,包括溫控效果評價和預(yù)警模型、開裂風險預(yù)警模型、拌和監(jiān)控模型、溫度和流量預(yù)測預(yù)報模型、智能通水時空溫度梯度調(diào)控模型、個性化理想溫度控制曲線模型、智能小氣候模型、保溫監(jiān)控模型等(見圖3)。

圖3 寒冷地區(qū)混凝土全環(huán)節(jié)智能溫控綜合監(jiān)控

(3)復雜地形條件下智能灌漿。高寒地區(qū)特高拱壩智能灌漿主要通過智能配漿、壓力流量聯(lián)合控制,實現(xiàn)配漿-灌漿“一鍵啟動、一鍵結(jié)束”的無人化控制,實現(xiàn)了灌漿過程流量、密度、壓力、注灰量等指標的實時監(jiān)控與智能反饋控制,有效提升了灌漿過程控制水平。

(4)高邊坡高地應(yīng)力邊坡智能監(jiān)測與防護。集成管理施工期圍巖監(jiān)測與穩(wěn)定分析動態(tài)反饋分析成果數(shù)據(jù),包括開挖洞段的局部和整體穩(wěn)定性評價結(jié)果、開挖支護參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果、圍巖穩(wěn)定安全控制措施等,并將這些數(shù)據(jù)和信息展示在基于BIM技術(shù)的三維模型中,有效分析現(xiàn)場施工過程及環(huán)境條件等因素對工程邊坡安全穩(wěn)定的影響程度及變化規(guī)律,為邊坡的穩(wěn)定性評價提供了充分可靠的數(shù)據(jù)成果支撐,以指導工程施工和管理決策。

4.3 智能建設(shè)信息管理平臺

以BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能與大數(shù)據(jù)等新一代計算機技術(shù)為依托,研發(fā)了勘察技術(shù)管理、智慧大壩、智慧地廠、智慧機電、綜合管理、合同投資管理、數(shù)字防汛等為一體的智能建設(shè)平臺,集成應(yīng)用智能澆筑、智能溫控、智能灌漿系統(tǒng)、智能噴霧機、纜機及平倉振搗設(shè)備智能監(jiān)控等一系列智能建造技術(shù),有效地解決了高海拔寒冷地區(qū)特高拱壩施工過程高效管控與科學決策管理難題,管理實現(xiàn)了預(yù)警決策指揮。通過預(yù)警決策指揮模塊,工程管理決策者可快速掌握工程建設(shè)過程中的工程形象面貌、質(zhì)量數(shù)據(jù)、安全狀況、水文氣象、視頻監(jiān)控及預(yù)警信息,提升信息協(xié)同效率。此外,以現(xiàn)場問題、施工需求為導向,開展了多維、多場、多要素的工程全生命周期安全與工作性態(tài)評價,通過大壩施工期工作性態(tài)的動態(tài)跟蹤仿真分析、風險預(yù)警及措施優(yōu)化,動態(tài)反饋指導現(xiàn)場施工。智能建設(shè)大量運用監(jiān)測(監(jiān)控)感知、BIM、智能識別、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等技術(shù),根據(jù)水電工程建設(shè)特點,實現(xiàn)了工程建設(shè)管理的信息化、數(shù)字化、智能化[6]。

4 結(jié) 論

智能建設(shè)是電力技術(shù)進步的必然結(jié)果,通過采用先進的通信技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù),能夠幫助大型項目實現(xiàn)施工過程智能管控,尤其是根據(jù)以人為本的理念,在高海拔、高寒地區(qū)可降低工人勞動強度,節(jié)約工程投資,促進工程目標的實現(xiàn)。水電站智能化建設(shè)過程應(yīng)積極探索,穩(wěn)步推進,綜合考慮技術(shù)和管理等因素,進行充分的風險和效益評估,通過技術(shù)創(chuàng)新不斷提升水電站的智能化水平并最終實現(xiàn)智能水電站建設(shè)的目標,該思路在現(xiàn)階段應(yīng)為實現(xiàn)水電站智能化的現(xiàn)實可行方案。金沙江上游葉巴灘水電站智能建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)探索與應(yīng)用中的主要工作包括:

(1)葉巴灘水電站針對工程建設(shè)過程中所面臨的設(shè)計難題、施工難題、管理難題,開展基于正向設(shè)計BIM模型高效數(shù)智體系研究,創(chuàng)建高寒地區(qū)特高拱壩施工多要素智能管控技術(shù)體系,構(gòu)建大型水電工程智能建設(shè)信息管理平臺,有效解決工程地形地質(zhì)條件復雜、年溫差及日溫差極大、氣候環(huán)境極惡劣、施工質(zhì)量管控要求高等問題,實現(xiàn)了信息技術(shù)和工程管理技術(shù)的深度融合,為建成技術(shù)先進、管理高效的精品工程奠定基礎(chǔ)。

(2)葉巴灘水電站智能建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)探索與應(yīng)用,契合行業(yè)工程數(shù)字化、智能化的發(fā)展方向,對工程的安全質(zhì)量保證、改善作業(yè)人員工作條件、提高工作效率、節(jié)約資源和降低成本具有重要作用。

(3)葉巴灘水電站作為在建同緯度海拔最高拱壩,對中國正在或者即將進行的藏區(qū)、高寒區(qū)高拱壩智能建設(shè)具有重要指導和引領(lǐng)意義,推動能源數(shù)字化和智能化發(fā)展,加快提升能源產(chǎn)業(yè)鏈智能化水平,為類似工程提供參考。