大體積混凝土防裂智能監(jiān)控技術及工程應用

李松輝，張國新，劉 毅，張 龑

（中國水利水電科學研究院 水電可持續(xù)發(fā)展研究中心，北京 100038）

1 研究背景

大體積混凝土裂縫是長期困擾工程界的問題之一，裂縫的出現(xiàn)會影響工程的安全性和耐久性，增加后期修補費用，帶來經(jīng)濟損失和不利社會影響。溫度控制是混凝土防裂的主要手段，近期建設的高混凝土壩多存在澆筑倉面大，混凝土標號高，筑壩條件惡劣等特點，增加了混凝土的開裂風險，提高了溫控防裂難度，僅靠傳統(tǒng)的防裂方式，已難以保證大壩不出現(xiàn)危害性裂縫，近期建設的某高壩的經(jīng)驗教訓也充分說明這一點［1］。

現(xiàn)有溫控模式存在“不完整、不及時、不準確”的問題。即：（1）監(jiān)測斷面有限，監(jiān)測儀器和頻次偏少，每天只能獲取典型斷面的有限數(shù)據(jù)，即“不完整”；（2）監(jiān)測體系不夠自動化、實時化，每天測得數(shù)據(jù)量有限且不能及時反饋，而溫度控制是涉及氣象、水文、材料、施工、結構等跨專業(yè)的復雜問題，在條件變化或出現(xiàn)問題需要決策時，一般也難以實時給出及時有效的解決方案，即“不及時”。（3）現(xiàn)場資料一般由施工單位提供，監(jiān)測數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過人工采集和后處理，即“不準確”［1-4］。

本文在總結國內幾十個混凝土壩溫控防裂實踐經(jīng)驗的基礎上，以現(xiàn)有溫控防裂理論為技術支撐，結合大體積混凝土溫控防裂工作中的關鍵技術問題，采用理論分析、數(shù)值計算、軟硬件研發(fā)、室內試驗、現(xiàn)場試驗等多種手段，圍繞大體積混凝土防裂智能監(jiān)控的理論方法、數(shù)字模型、關鍵技術及系統(tǒng)進行研究與開發(fā)，形成智能化溫控感知—分析—控制的三步曲，開發(fā)出一套具有完整自主知識產權的大體積混凝土防裂智能化監(jiān)控系統(tǒng)，并在魯?shù)乩?、藏木、錦屏一級等工程獲得成功應用。

2 大體積混凝土防裂智能監(jiān)控技術構架

大體積混凝土防裂智能監(jiān)控技術首先要解決的是確定感知量、分析量和控制量的問題，如圖1所示。在感知信息方面，提出了大體積混凝土智能監(jiān)控的理念，形成了大體積混凝土溫控全要素監(jiān)測的方法；在計算分析方面，形成了大體積混凝土熱力學參數(shù)反分析、溫控施工效果評價、通水流量預測、溫度應力、縫開度分析等方法；在反饋控制層面，形成了智能通水理論、裂縫自動監(jiān)控、預警信息自動發(fā)布、表面保溫等方法。

圖1 大體積混凝土防裂智能監(jiān)控技術架構

2.1混凝土智能溫控的理念的提出2002年，水利部設立了科技創(chuàng)新項目“混凝土高壩施工期溫度控制決策支持系統(tǒng)”，中國水利水電科學研究院依托該項目開發(fā)了國內第一個“混凝土高壩施工期溫度與應力控制決策支持系統(tǒng)”，并用于周公宅拱壩。2007年，朱伯芳［3］首先提出了數(shù)字監(jiān)控的理念，該理念提出了將儀器監(jiān)測與數(shù)字仿真相結合，解決了長期以來大壩施工期工作性態(tài)儀器監(jiān)控與數(shù)字仿真相脫離的問題。但是，數(shù)字監(jiān)控存在管理不閉環(huán)、調控不智能問題，為此，張國新等［4］進一步提出了智能監(jiān)控的理念，通過信息實時采集與傳輸、信息高效管理與可視化、溫度應力仿真分析與反分析、溫控效果評價與預警、溫控施工智能控制（含智能通水），裂縫自動監(jiān)控與預警、以溫控施工監(jiān)控的智能化促進大體積混凝土溫控施工的精細化。

2.2大體積混凝土溫控信息自動采集根據(jù)已有工程的經(jīng)驗教訓，傳統(tǒng)意義上片面強調對混凝土基礎溫差和最高溫度的控制難以保證最大溫度應力小于抗拉強度，需要全過程控制溫度變化的時間梯度和空間梯度。為此，本文提出了溫控全要素監(jiān)測的概念，提出智能化監(jiān)控系統(tǒng)中應該監(jiān)測的溫控要素，這些要素包括出機口溫度、澆筑溫度、入倉溫度、大壩內部溫度發(fā)展過程、水管通水流量、通水水溫、溫度梯度、降溫速率、氣溫及太陽輻射熱等。同時，還提出了與智能化溫控相配套的安全監(jiān)測設備布設原則，以及溫度分布、溫度梯度及保溫效果監(jiān)測方法。

2.3大體積混凝土關鍵熱力學參數(shù)反分析要實現(xiàn)大體積混凝土的智能化溫控，溫度場和應力場仿真預測結果的準確性至關重要，而仿真計算結果準確與否與所采用的熱、力學參數(shù)的選擇緊密相關，為此，本文作者提出了根據(jù)混凝土內部溫度監(jiān)測曲線反演混凝土絕熱溫升的方法，根據(jù)混凝土溫度梯度監(jiān)測數(shù)據(jù)反演導熱系數(shù)和放熱系數(shù)的方法，以及根據(jù)無應力計監(jiān)測數(shù)據(jù)反演線膨脹系數(shù)的方法，大體積混凝土智能通水反饋控制方法，為大體積混凝土反饋仿真預測結果的準確性和可靠性提供了重要保證。

3 大體積混凝土防裂智能化的關鍵技術

基于大體積混凝土智能監(jiān)控理論研究出一整套大體積混凝土防裂動態(tài)智能化溫控的理論模型，主要解決采用何種技術實現(xiàn)感知、分析和控制的問題，關鍵技術組成結構圖見圖2。

在感知信息方面，關鍵技術包括數(shù)字測溫技術、無線傳輸技術、紅外測溫技術、數(shù)據(jù)庫技術等。在計算分析方面，提出了理想溫度控制曲線模型、溫控效果評價模型、溫度過程預測模型、表面開裂風險預測預警模型、智能通水反饋控制模型、裂縫監(jiān)控與預警控制模型等。在反饋控制方面，關鍵技術包括自動化控制技術、數(shù)據(jù)庫技術及網(wǎng)絡傳輸技術等。計算分析模型關鍵技術簡述如下。

圖2 大體積混凝土防裂智能化的關鍵技術組構

3.1大壩混凝土理想溫度控制曲線模型所謂理想溫度過程線，是指大壩混凝土在冷卻過程中所遵循的一條降溫曲線，按照這條曲線進行降溫，大壩混凝土由于溫度變化導致的開裂風險相對最小。通常壩型不同、筑壩材料不同（如碾壓混凝土重力壩、常態(tài)混凝土重力壩、碾壓混凝土拱壩和常態(tài)混凝土拱壩）分別有不同的理想溫度控制曲線模型，圖3、圖4為二期冷卻及三期冷卻理想溫度過程線，其中Tm、Tc1、Tc2、Td等控制指標根據(jù)不同工程的特點通過仿真計算得到。

圖3 二期冷卻理想溫度過程線

圖4 三期冷卻理想溫度過程線

3.2基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的混凝土溫控效果評價模型根據(jù)實時監(jiān)測到的氣溫、骨料溫度、出機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、通水冷卻流量和水溫、水管進出口壓差、混凝土內部溫度等信息，建立統(tǒng)計模型，用來評價溫控施工效果以及偏差程度，以圖表形式表示。以溫控綜合曲線為例，該曲線包括澆筑倉布設的各溫度計平均溫度過程線、倉面氣溫過程線以及通水冷卻進水口和出水口水溫過程線。從該圖表可以評估某一澆筑倉的內外溫差、降溫速率等指標是否滿足設計要求，也可以用來分析通水冷卻措施的合理性。

3.3基于實時監(jiān)測信息的混凝土溫度過程預測模型預測模型的預測流程如下：根據(jù)當天的溫度監(jiān)測資料、外界氣溫資料、混凝土絕熱溫升資料等預測混凝土內部第2天溫度增量，將預測溫度增量與當天實測溫度疊加得到第2天的預測溫度值；第2天根據(jù)實測溫度與預測溫度的對比對預測模型中絕熱溫升等參數(shù)進行修正，運用修正后的模型繼續(xù)預測第3天的溫度增量，以此類推，最終實現(xiàn)大體積混凝土內部溫度過程的精準預測。這一預測模型的精度將隨著實測資料的積累而不斷提升。

該模型的基本公式如下式所示：

式中：Ti+1為預測時間i+1時刻的溫度；Ti為當前溫度；Δθi為絕熱溫升；α1為表面散熱系數(shù)；為表面溫度；α2為相鄰塊散熱系數(shù)；-Tb為相鄰塊溫度；α3為通水散熱系數(shù)；L為管長；Tw為水溫；a為管徑；qi、qi+1分別為i時刻及i+1時刻流量。

運用該模型進行現(xiàn)場預測，結果表明：一期冷卻平均誤差0.09℃，方差0.01℃；中期冷卻平均誤差0.06℃，方差0.002℃；二期冷卻平均誤差0.04℃，方差0.004℃，預測精度滿足現(xiàn)場控制要求。

3.4混凝土表面開裂風險預測預警模型該模型包括長周期表面溫度應力計算子模型、根據(jù)天氣預報進行晝夜溫差應力預測子模型以及考慮表面保溫效果的溫度應力計算子模型，主要用于表面開裂風險的評估。評估方式如下：首先根據(jù)混凝土熱、力學參數(shù)和多年平均氣溫情況預先計算長周期表面溫度應力，然后根據(jù)天氣預報計算短周期表面溫度應力，兩者相疊加并與當時齡期的混凝土強度相對比，可以得到相應的安全系數(shù)，如果安全系數(shù)低于標準，則還需計算應采取的保溫措施。

3.5混凝土智能通水反饋控制模型該模型通過綜合考慮絕熱溫升、溫度梯度及降溫速率等因素，通過大壩混凝土理想溫度控制曲線模型計算得到的理想溫度過程線確定已知降溫目標，并據(jù)此預測通水水溫和流量。

3.6混凝土裂縫監(jiān)控與預警控制模型混凝土在外界力的作用下，其內部將產生局部彈塑性能集中現(xiàn)象，當能量積聚到某一臨界值之后，就會引起微裂縫的產生和擴展，微裂隙的產生與擴展伴隨著彈性波或者應力波的釋放并在周圍快速傳播，這種彈性波稱為微震。利用微震監(jiān)測技術對微震事件進行實時監(jiān)測，可對微裂縫定位并直觀反映混凝土內部裂隙的變化情況，本文將該技術引用到大體積混凝土裂縫監(jiān)控與預警控制，研發(fā)了信號濾波、裂縫監(jiān)控與預警模型。其主要思想如下：混凝土內部微裂縫產生于宏觀裂縫之前，產生過程釋放能量并發(fā)生微震動，該模型利用微震監(jiān)測技術實時監(jiān)測混凝土微震情況，分析裂縫發(fā)生的部位、時間、強度，從而判斷宏觀裂縫發(fā)生的可能（部位、時間、強度），預先提出預警并分析可采取的措施。

圖5 大體積混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)

4 大體積混凝土防裂智能化的關鍵技術的實現(xiàn)

大體積混凝土防裂智能化控制須通過硬件設備和軟件系統(tǒng)聯(lián)合實現(xiàn)，基于關鍵技術和數(shù)字模型，本文作者及團隊研發(fā)出整套大體積混凝土溫控防裂智能化硬件設備及擁有自主知識產權的軟件系統(tǒng)，其組成如圖5所示。在感知信息方面，研發(fā)了集高精度的數(shù)字測溫技術、流量測量與控制技術于一體的測控裝置，大容量數(shù)據(jù)無線實時傳輸裝置等硬件設備，信息采集軟件子系統(tǒng)及信息傳輸軟件子系統(tǒng)；在計算分析方面，基于智能化溫控理論方法和模型，開發(fā)了仿真分析及反分析子系統(tǒng)、溫控管理及效果評價子系統(tǒng)、智能保溫子系統(tǒng)、開裂風險預警子系統(tǒng)等；在反饋控制方面，研發(fā)了智能通水子系統(tǒng)、裂縫監(jiān)控與預警控制子系統(tǒng)、干預反饋子系統(tǒng)、預警發(fā)布子系統(tǒng)，并形成了現(xiàn)場派遣科研直接參與工程建設的機制。

4.1大體積混凝土溫控硬件設備研發(fā)大壩施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，本文作者及團隊研發(fā)出了多種適合混凝土施工期復雜環(huán)境的溫度實時監(jiān)測設備，實現(xiàn)了混凝土骨料、出機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、內部溫度等信息的實時采集和存儲。例如：骨料溫度監(jiān)測設應用高精度紅外探頭對骨料溫度進行非接觸測量，混凝土機口、入倉、澆筑溫度監(jiān)測設備研制了適合插入混凝土結構牢固、熱響應速度快的數(shù)字溫度傳感器，并將信息通過ZigBee等無線通訊方式傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)庫；大壩混凝土內部溫度信息監(jiān)測設備，根據(jù)大壩現(xiàn)場電源供應不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸線布設困難、現(xiàn)場大型機械設備眾多等環(huán)境特點，開發(fā)出一種自帶鋰電池、可以定時存儲測溫數(shù)據(jù)和定時蘇醒，通過ZigBee、GSM/GPRS等無線通訊手段與中心數(shù)據(jù)庫通訊，實現(xiàn)“無人值守”的溫度監(jiān)測與反饋控制。

4.2大體積混凝土智能監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計思路如下：（1）采集大體積混凝土施工有關溫控要素信息（包括混凝土澆筑信息、出機口溫度信息、澆筑溫度信息、通水冷卻信息、倉面溫控信息、混凝土內部溫度信息等），實現(xiàn)信息實時自動傳輸；（2）設計相關溫控管理圖表，形成溫控信息可視化管理平臺，實現(xiàn)海量溫控數(shù)據(jù)的高效化管理和直觀化顯示；（3）溫度應力的正分析及反分析，按照實際的進度提出溫控周報、溫控月報、溫控季報、溫控年報及階段性科研分析報告，實時把握大體積混凝土的實際熱力學參數(shù)及溫度應力狀態(tài)；（4）對混凝土溫控施工情況進行評價，對分析成果中的超標量進行實時預警，對超標程度及處理情況進行類別劃分及級別劃分，并將需要處理的意見建議通過統(tǒng)一的平臺發(fā)送至不同權限的施工與管理人員；（5）運用經(jīng)過率定和驗證的預測分析模型，實現(xiàn)通水冷卻、混凝土預冷、保溫等施工指令發(fā)送，通過自動控制設備或人工方式完成下一個時段的溫控施工。

圖6 10-3智能通水結果

圖7 10#-5智能通水結果

4.3工程應用（1）系統(tǒng)在魯?shù)乩こ讨械膽谩ｔ數(shù)乩娬竟こ涛挥谠颇鲜〈罄碇葙e川縣與麗江區(qū)永勝縣交界的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段規(guī)劃8個梯級電站中的第7級電站。壩高140 m，具有底寬大、無縱縫、地震烈度高、溫控要求高、干熱河谷、夏季氣溫高、晝夜溫差大等特點，溫控難度較大。2010年10月～2012年10月筑壩期間，應用本文的大體積混凝土防裂智能化控制技術，10#、15#、19#3個典型壩段進行數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)應用，10#-11#缺口回填壩段進行智能監(jiān)控系統(tǒng)應用。

圖6—圖7為系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測結果，通過應用大體積混凝土防裂智能化控制技術，魯?shù)乩娬境晒崿F(xiàn)：（1）實現(xiàn)了溫控資料的自動采集與自動分析；（2）實現(xiàn)了大壩全過程溫控信息的可視化統(tǒng)計與查詢；（3）實現(xiàn)了當前大壩混凝土開裂風險的預警和報警；（4）實現(xiàn)了分析成果及預警信息的自動發(fā)布；（5）缺口壩段實現(xiàn)了通水的智能控制，實現(xiàn)了連續(xù)上升高度26.4 m，使得大壩混凝土內部溫度過程在“無人干預”的情況下全面滿足溫控技術要求，缺口壩段未發(fā)現(xiàn)裂縫［5-7］。

（2）系統(tǒng)在藏木工程中的應用。藏木水電站是西藏目前最大的水電開發(fā)項目，也是雅魯藏布江干流上規(guī)劃建設的第一座水電站，壩高116 m，為混凝土重力壩，具有氧氣稀薄、施工條件差、溫差大、蒸發(fā)量大等特點。2011年11月～2013年12月，大體積混凝土防裂智能化控制技術應用于藏木大壩10#壩段。圖8為軟件界面實時監(jiān)測結果。

圖9、圖10為溫度過程流量過程。從圖中可以看出，通過本技術的實施，藏木水電站成功實現(xiàn)了復雜條件下的全過程水管冷卻降溫智能控制，實測溫度與理想溫度過程線基本吻合。同時，本系統(tǒng)還為業(yè)主單位增加了第四方監(jiān)督，確保了工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性、準確性與可靠性［5］，為現(xiàn)場施工管理提供了有力的數(shù)據(jù)支持，對保證工程實現(xiàn)三期截流節(jié)點目標、蓄水發(fā)電及大壩后期運行安全提供了重要保障。

圖8 軟件界面實時監(jiān)測結果

圖9 10#-I-23倉溫度和流量過程

圖10 10#-I-27倉溫度和流量過程

5 結論

大體積混凝土防裂智能監(jiān)控系統(tǒng)由感知、分析、控制所組成，感知是通過信息化的多種技術，實現(xiàn)混凝土自原材料、機口、倉面和通水等各溫控要素的實時采集與互聯(lián)互通，“分析決策”是整個系統(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，包括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等?！翱刂啤卑ㄈ斯じ深A和智能控制兩部分，人工控制主要是預警信息的反饋發(fā)布，智能控制主要為智能通水、智能倉面等。2010年—2013年本技術在魯?shù)乩?、藏木等工程獲得成功應用，效果良好，監(jiān)控混凝土無危害性裂縫發(fā)生。

［1］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.

［2］朱伯芳.小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向［J］.水利水電技術，2009，40（1）：44-50.

［3］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.

［4］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］//水庫大壩建設與管理中的技術進展.北京：中國大壩協(xié)會，2012.

［5］郭晨，張國新，魏永新，等.大體積混凝土冷卻通水自動控制系統(tǒng)在魯?shù)乩娬镜膽醚芯浚跜］//2013年大壩安全監(jiān)測專委會年會暨大壩安全評價技術交流會論文集.2013.

［6］張國新，劉毅，李松輝.大體積混凝土防裂動態(tài)智能溫控系統(tǒng)［R］.北京：中國水利水電科學研究院，2014.

［7］張國新，李松輝，劉毅，等.數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)及其在魯?shù)乩こ讨械膽茫跜］//2012年度碾壓混凝土筑壩技術交流研討會論文集.2012.