徐建江 朱永亮 瞿振寰
（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川成都 610072）
摘要：针对西南金沙江下游深山峡谷复杂地形高拱坝混凝土浇筑精细化管控的世界性难题，聚焦高拱坝混凝土浇筑全过程核心工艺，遵循“全面感知、真实分析、智能控制”的智能建造理论，确立了“施工效率全环节智能监控分析+平仓振捣工艺数字分析评价+缆机运行安全智能预警”相结合的技术线路，构建了高拱坝混凝土高效优质浇筑闭环智能管控理论体系，发明了成套智能监控设备与综合分析模型，研发了混凝土浇筑全过程闭环控制云平台，解决了混凝土优质高效安全浇筑的施工难题，弥补了监管难、协调难、溯源难等不足，实现了浇筑效率、平仓振捣质量、缆机运行安全三优的目标，促进了混凝土浇筑向数字建造转型。
关键词：水电工程；智能匹配；效率分析；质量监控；安全管理
中图分类号：TV53+6 文献标识码：A 文章编号：
Research on key technology of intelligent control in the whole process of super high arch dam pouring
XU Jianjiang1, ZHU Yongliang2, QU Zhenhuan1
(1. POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu University, Sichuan 610072, P.R. China; 2. China Three Gorges Projects Development Corporation Limited, Chengdu University, Sichuan 400045, P.R. China)
Abstract: In view of the worldwide difficult problem of precise control over concrete placement of High Arch Dam in the complex terrain of deep mountain and gorge in the lower reaches of southwest Jinsha River, this paper focuses on the core process of concrete placement of high arch dam, following the intelligent construction theory of "overall perception, real analysis and intelligent control" , the technical line of "construction efficiency whole link intelligent monitoring and analysis + digital analysis and evaluation of vibration technology of unsealed silos + intelligent early warning of cable crane Operation Safety" is established, the theory system of closed-loop intelligent management and control for high-efficiency and high-quality concrete placement of high arch dam is constructed, a set of intelligent monitoring equipment and a comprehensive analysis model are invented, and a closed-loop control cloud platform for the whole process of concrete placement is developed, the construction problems of high-quality, high-efficiency and safe pouring of concrete are solved, the defects of supervision, coordination and tracing to the source are made up, and the goals of pouring efficiency, vibrating quality of open silos and safe operation of cable crane are realized, promoted the transition from concrete pouring to digital construction.
Key words: Hydropower Project; intelligent matching; Efficiency Analysis; quality monitoring; Safety Management; closed-loop control
在中国的西部，数以千计的河流纵横流淌，成为世界上水能资源蕴藏最为丰富的区域之一。在江河奔流的深谷中，已建锦屏、溪洛渡等巨型水电站正在为国家“西电东送”贡献着自己的力量，在建乌东德、白鹤滩、双江口等巨型工程也将投入运行。然西部水电站绝大多数处于高山峡谷亦或高原地区，自然条件恶劣，且工程建设是一个庞大而复杂的过程，参建单位、参建人员、施工工序等均是多样化的。自建国以来，一代又一代的水电建设者历经肩挑背扛、机械化施工、信息化管理的行业变迁，逐步认识到传统建设“沟通基本靠吼、监督基本靠走、过程难以控制、事后无法追溯”等难题严重制约着水电行业的发展与进步。自藏木、溪洛渡水电站开始，水电工程建设顺应以数字化、网络化、智能化为本质特征的第四次工业革命潮流，开启了大型水电工程智能化建设的新篇章[1][2]，旨在引入工业互联网新思维，构建起全要素、全产业链、全价值链全面连接的新型水电工程建造体系，实现水电工程建设数字化转型。
1 研究现状
混凝土拱坝施工系统管控过程是多目标决策检验过程，传统工程建设过程管理，通常依赖于工程人员的专业素养与责任，效率低，响应慢，难以对工程建设过程各环节进行实时、客观、全面管控。如何实现从粗放式管理到精细化控制、智能控制的模式转变[3]，是当前研究重点。目前，国内针对土石坝、碾压混凝土坝等坝型的施工过程管控技术研究较多，对于传统浇筑型混凝土拱坝施工智能监控技术研究较少。
刘毅、张国新等人针对碾压混凝土的温控需求，研发了碾压混凝土坝数字监控系统[4]。该系统可实现对大坝开始施工直至服役结束整个生命过程的工作性态的监控，从过程中最大限度地杜绝裂缝的产生；刘东海等人提出了高碾压混凝土坝智能碾压的概念及实现过程[5]，研究了大坝实时监控和智能反馈控制的原理，建立了大坝压实质量多元回归模型，提出了碾压混凝土坝压实度全仓面实时评价方法，实现了施工过程中碾压机工作性态的自适应调整；吴斌平，崔博等提出了基于全球定位技术（GPS）和实时动态差分技术（RTK）的大坝浇筑碾压施工质量实时监控理论[6]，实现了碾压机械位置及振动状态的实时监控与分析；林恩德针对水电工程不同坝型碾压施工的特点[7]，提出了新一代碾压施工质量监控系统的组成与主要分析指标及方案,系统创新实现了包括北斗定位、司机操作指引与离线运行、动态激振力监控与CMV分析、斜层碾压、基于虚拟现实场景的动态监控与三维重建等功能。
2关键技术研究
高拱坝混凝土浇筑全过程智能管控关键技术是以仓面质量控制为驱动，以大坝施工效率、质量、安全为关键控制条件，研究混凝土浇筑全要素、全工艺链、全价值链全面连接智能管控方法与技术体系，构建“数据-算法-模型”的高拱坝混凝土浇筑智能分析关键技术，实现大坝混凝土浇筑“规范、有序、协调、健康”的智能管控。
2.1 高拱坝混凝土高效优质浇筑闭环智能管控理论体系
（1）高拱坝浇筑全要素、全工艺链、全价值链全面连接智能管控方法：引入工业互联网思维，以“全面感知、真实分析、智能控制”的智能建造理论为理论基础，以混凝土浇筑过程智能化管控为研究对象，构建 “全要素真实感知、全工艺链联动分析、全应用面智能管控”的智能化管控方法，如图1所示。
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图1 高拱坝混凝土全面连接智能管控方法
Fig.1 Intelligent management and control method for concrete connection of High Arch Dam
（2）浇筑效率、质量、安全智能管控闭环技术体系：针对智能建造在混凝土浇筑应用场景中如何落地的难题，构建以智能建造理论为基础，专业分析为核心，业务应用为导向的智能管控技术体系，如图2所示，完成以问题为导向的感知、分析、反馈及优化的闭环管控研究。
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图2 高拱坝混凝土施工全过程高效智能管控闭环体系
Fig.2 Closed-Loop System of High Arch Dam concrete construction
（3）浇筑全过程、全环节、全要素定量分析控制标准：针对混凝土浇筑管控指标多样性与位置时段变化的问题，研究混凝土浇筑的效率质量安全三类24项量化控制指标与指标迭代率定模型，构建大坝混凝土浇筑“生产-运输-平振”全过程的定量分析控制标准，为混凝土浇筑分析预警提供数据依据。
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图3 大坝浇筑全过程定量分析控制标准
Fig.3 Standard for Quantitative analysis control of dam construction
2.2高拱坝混凝土浇筑智能分析关键技术
（1）全工艺链全环节智能监控方法和设备:针对混凝土施工机械多状态参数同步采集与联合分析的问题，采用GNSS-RTK+UWB融合定位技术、传感器技术、物联网技术，研发成套智能监控设备，构建集“生产、运输、平振”于一体的混凝土浇筑全环节匹配机制，利用WIFI或4G通信，构建秒级数据通讯通道，结合大数据分析理论，清洗剔差，实现混凝土生产、运输、平振的数据采集与各环节联动匹配与分析。
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图4 大坝混凝土浇筑全过程智能化监控设备
Fig.4 Intelligent monitoring equipment for the whole process of dam concrete pouring
（2）三层级递进式效率智能分析方法与模型：针对混凝土浇筑效率影响因子多样性的问题，结合现场施工情况，研究以缆机为中心的“综合评估、起源分析、溯源定位”三阶梯递进式异常因子识别预警模型，优化了传统效率管控无法有效联动分析的难题，以缆机环节耗时为核心、生产浇筑上下游联动分析的混凝土效率影响因素快速定位。
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图5 运输效率三层级递进式效率分析模型
Fig.5 Three-level progressive efficiency analysis model for transportation efficiency
（3）四步走循序式质量分析方法与模型：针对混凝土浇筑质量受入仓温升、下料匹配、振捣质量、匹配覆盖等多因子综合影响的问题，研究“需运匹配、入仓控制、平振有序、坯层覆盖”四步走循序式分析预警模型，确保从仓面要料运料匹配、入仓控时控温、及时平仓、振捣工艺、坯层覆盖耗时等关键指标达标。
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图6 浇筑质量 “四步走”循序式分析模型
Fig.6 "four-step" sequential analysis model for pouring quality
（4）以包络图为核心的多平台缆机群运行安全分析方法与模型：针对高山峡谷大风条件下缆机群高效安全运行的问题，研究以运行包络图为核心的缆机高效安全分析与管控模型，构建缆机群在大风条件下缆机-缆机、缆机-边坡、缆机-高坝块、缆机-施工机械的安全分析模型，确保缆机群在大风条件下安全运行。
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图 7 多平台缆机群运行安全分析模型
Fig.7 Safety analysis model of multi-platform Cable Crane Group
3高拱坝混凝土浇筑全过程闭环控制云平台研究及应用
3.1平台研究
（1）全工艺链秒级数据采集与海量数据分析系统：研究“需、产、运、振”四过程秒级数据匹配采集与关键节点信息抽取系统，完成混凝土浇筑全过程海量数据的采集与匹配。
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图 8 全工艺链数据采集与传输模型
Fig.8 Data acquisition and transmission model of the whole process chain
（2）浇筑全过程质量安全效率三链条联动分析系统；研究“效率、质量、安全”三大类联动分析预警系统，实现混凝土浇筑全流程闭环分析与预警。
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图 9 混凝土浇筑三类联动分析预警系统
Fig.9 Three kinds of linkage analysis and early warning system for concrete pouring
（3）集状态描述、异常诊断、层级预警为一体的多维高效协同管控系统：研发以PC、Web、APP、移动终端为工具，以拱坝浇筑效率、质量、安全业务需求为导向，以混凝土浇筑自下而上全应用层级消息对称为核心的多维多协同管控系统，实现大坝混凝土浇筑“规范、有序、协调、健康”的智能建造管控。
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图10 大坝混凝土浇筑智能管控系统
Fig.10 Intelligent management and control system for concrete pouring of dam
3.2工程应用
乌东德大坝为混凝土双曲拱坝，河床建基面高程718m，坝顶高程988m，最大坝高270m，坝体设横缝不设纵缝，共分15个坝段，混凝土方量约273万m3。2019年3月2#-0009仓浇筑效率偏低，通过对其浇筑过程与入仓强度分析，如图11所示，其浇筑强度低的主要原因为：①2#-0009仓为左岸边坡坝段，受仓面复杂结构与边坡影响，3台缆机无法同时入仓；②2#-0009仓入仓强度按时段不均衡，仅2019年3月31日10:00~19:00入仓前度较高均值为11.5罐，未达到单台缆机小时标准强度（8罐/小时）；③2#-0009仓小时入仓强度在10罐以上为14个小时，占比为27.45%，整个过程受仓面及施工干扰较大，未能持续有效进行混凝土入仓。
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图11 缆机入仓强度数据分析
Fig.11 Analysis of the strength data of cable crane entering the warehouse
乌东德大坝工程应用本系统，获取坯层的振捣点位数据集，一方面，基于振捣点位位置信息与振捣影响范围，绘制坯层振捣覆盖图形报告，分析坯层振捣覆盖率及那些区域未振捣；另一方面，基于振捣点位的时长与深度值，按颜色进行区分，绘制坯层振捣质量标准图形报告，真实反应坯层振捣质量是否合格。振捣过程中可按小区域定时分析，以便现场施工人员及时掌握坯层的欠振、漏振情况，及时补振，进而保障混凝土施工质量，如图12所示。
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图12 仓面振捣质量分析
Fig.12 Analysis of vibrating quality of BIN surface
乌东德工程地处高山峡谷大风条件，施工过程中最大风速分别达42.9m/s，系统持续以秒级数据监控与分析缆机安全距离，实现了多缆机连续三年零事故运行。
4结论
1) 本文直面西南金沙江下游特高拱坝高拱坝混凝土浇筑精细化管控的难题，采用“全面感知、真实分析、智能管控”的智能建造理论，发明了全工艺链全环节智能监控方法和设备，提出了三层级递进式效率智能分析方法与模型，研发了集状态描述、异常诊断、层级预警为一体的多维高效协同管控系统，弥补了监管难、协调难、溯源难等不足，实现了大坝混凝土高效优质施工的目标。
2)本文研发的特高拱坝混凝土运输过程智能管控平台，已在乌东德水电站、白鹤滩水电站等工程中成功应用，共计监控施工机械87台， 大坝2000余仓、700余万方混凝土浇筑，原始数据39亿余条、成果数据1亿余条，成功分析出制约混凝土浇筑效率关键因素，各项混凝土浇筑施工设备利用率提高30%，料运匹配错误减少30%，实现浇筑资源优化配置与浇筑过程精细化、标准化管控，270m乌东德拱坝39个月全线到顶，白鹤滩拱坝2019年度浇筑方量突破270万方，大坝建造速度行业领先；成功实现混凝土浇筑质量过程化标准化管控，料运匹配错误减少30%，无序振捣减少80%，过振欠振降低50%，基本无漏振。
3)物联网技术与大数据技术在水电行业尤其是混凝土坝施工全过程智能分析与控制方面的研究和应用尚处于起步阶段，面临着众多需要攻关的困难和难点，需要紧密结合工程建设需求不断探索和创新[8][9]。相信随着物联网、大数据技术及新基建的不断成熟完善和水电行业智能分析与控制技术研究的不断深入，必将推动我国乃至世界智能筑坝技术的持续发展。
参考文献
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