大體積混凝土防裂智能監控技術及工程應用

桑 亮

（北京市南水北調工程建設管理中心，北京 100195）

1 大體積混凝土大壩建設存在的問題

據統計我國近幾年建成了許多特高混凝土壩，例如拉西瓦、龍灘、溪洛渡大壩等,這些特高混凝土壩的建立在很大程度的緩解了我國電力緊缺的問題，為我國的經濟發展提供保障。同時在修建這些特高混凝土壩的過程中也存在許多的施工難點，裂縫控制就是其中的一項。隨著我國水電大壩項目的增多，已逐步形成一套比較系統的大體積混凝土溫控防裂措施,但大壩出現裂縫的現象依舊普遍存在，特別是一些大體積混凝土還是很容易出現裂縫。混凝土出現裂縫的原因有很多種,如工程結構不合理、材料使用不當、施工控制不到位等均能引起,在這些原因中，最重要的一點是裂縫信息獲取的遲緩而且不準確，從而導致裂縫產生后的溫控措施實施不夠及時，導致大壩出現安全隱患[1～2]。

隨著中國加大對信息智能技術、數字模擬仿真技術的科學研究，大體積混凝土大壩的防裂控制有了新的思路。本文根據大體積混凝土存在的裂縫問題,提出了“九三一冶”的混凝土溫度控制要求,具體“九”即混凝土早保護、小溫差、慢冷卻；“三”代表三期冷卻；“一”代表智能監控。在進行水利大壩施工時，通過貫徹“九三一冶”溫度控制要求,配合智能監控技術，可以很大程度的預防解決大體積混凝土的裂縫問題[3～5]。

2 智能監控系統

智能監控系統是集圖像處理、模式識別、計算機視覺技術為一體的人工智能系統，它利用計算機的強大的數據處理能力，對獲取的視頻信息進行準確判斷識別，快速檢測定位事故現場，找出監測視頻內的異常片段，并進行保存傳輸到中央處理器上，實現異常情況的提前預警。智能監控可以實現全天候、全自動的智能監控。按其不同的功能可以分為感知、互聯、分析決策和控制這四大塊，具體的構成流程見圖1。

圖1 智能監控系統的構成

智能監控系統有兩個層面，一個是監測，一個是控制。監測即是通過感知系統對影響大體積混凝土大壩開裂的溫度因素的施工流程和工程運行情況進行實時監測；控制即是對影響大體積混凝土壩開裂的溫度因素進行提前智能控制防御。混凝土防裂智能監控系統的現場具體控制流程圖見圖2。施工中應選擇合適的控制點布置數字溫度計等監測設備，用于監測各環節的實時溫度和混凝土的狀態，將所有環節的施工材料溫度控制在工程要求范圍內。

圖2 大體積混凝土防裂智能監控系統的現場工作流程

2.1 智能監控感知部分

感知就是利用專業的數字測溫設備（數字溫度計、紅外線溫度計等）進行施工各環節的實時監測。在進行具體施工時，確定12 個需要實時監控測溫，分別為太陽照射氣溫、入倉溫度、機口溫度、材料溫度、澆筑溫度、進出口水溫、水管壓差、三期溫度、最高溫度、內外溫差、上下層溫差、降溫速率等。在施工時通過對這12 個施工點進行實時溫度監控，能夠準確監測混凝土的具體施工情況，大幅度降低混凝土的開裂。但是有些施工溫度智能監控存在局限，這時則需要人工采集溫度數據，例如機口的溫度、混凝土澆筑時的溫度等。

2.2 智能監控互聯部分

互聯是通過信息化技術建立各監控設備之間的連接，實現各設備之間的信息傳輸，使混凝土施工過程中的各個環節和混凝土內部結構的溫控數據能夠得到及時的控制，如果在施工過程中有異常現象能夠及時傳輸到中央處理器，具體智能互聯運作方式見圖3。

圖3 大體積混凝土防裂智能互聯結構

圖4 是大體積混凝土澆筑的數據傳輸方式。從圖4 可以看出大體積混凝土在進行澆筑是需要進行溫度控制，采用溫度測溫儀進行測量，測溫儀與PDA（移動終端）之間的連接是通過藍牙網絡，PDA 和數據終端處理器之間的連接是通過WIFI 網絡進行信息的傳輸。設備之間通過網絡建立聯系，將大壩混凝土澆筑現場的實時溫度傳輸到服務器上，實現施工流程的實時監控。

圖4 大體積混凝土澆筑的數據傳輸方式

2.3 智能監控分析決策部分

智能監控系統的核心是數據的分析決策,是將智能監控感知到的信息通過智能監控互聯傳輸到互聯的中央處理器上，通過一系列的分析預測，最終得到數據分析結果。智能監控的分析決策系統的建立需要6 個數據系統的支持，通過模型間的獨立運作和相互配合，實現大體積混凝土施工時實時溫度狀態的數據捕獲，并對獲得的數據進行分析評價和提前預測。SAPTIS仿真分析系統可以實現混凝土結構全過程、多場耦合仿真分析，可以模擬大體積混凝土工程自工程開挖、施工、建設、運行全過程各環節的滲流場、溫度場和應力場的數據實時監測和控制, 做到大壩建設期間和運行時期的狀態監測和數據評估；溫度和流量預測預報系統通過控制表面散熱、內部發熱、通水帶熱、相鄰模塊傳熱等因素對工程施工的影響進而預測工程的未來溫度變化，提出最新的通水控制參數，還可以利用監測數據對當前的溫度和流量進行修正；開裂風險預測預警系統對大壩工程的開挖、施工、建設、運行全過程各環節進行實時跟蹤反演仿真分析，及時提前預測溫度和應力的數據變化，然后對開裂風險進行評估，根據評估結果提出預警；表面保溫預測系統綜合考慮實測氣溫、天氣預報、混凝土內部溫度等數據信息，根據大壩實際混凝土澆筑情況實時監控混凝土暴露面,計算暴露面的周期應力的數據，對應力結果進行分析結合采用的保溫材料參數數據,最終確定混凝土是否保溫及確定保溫的方案；理想溫度過程線系統是在工程要求的溫控標準下，針對不同的大壩特點、不同的壩體分區制定（遵循溫度應力最小原則）個性化溫度控制曲線；溫控效果評價系統是通過建立溫控評估表格和圖形，進行直觀的數據對比分析，對工程施工質量進行全面的評估。

2.4 智能監控控制部分

在進行大體積混凝土智能監控時，其控制部分包括智能控制和人工干預。

智能小環境子系統對大體積混凝土施工現場的溫度、濕度進行實時監測，然后控制倉內的小環境設備比如噴霧機等,利用這些設備調整倉面小環境的溫度，使其滿足混凝土澆筑的工程要求。智能養護子系統是根據實時監測獲取的大體積混凝土表面和內部溫度數據，然后對設備進行控制（花管養護、流水養護設備）。智能通水子系統主要是基于監測設備實測數據按照提前制定的標準化溫控曲線要求通過運用預測分析模型,利用自動控制設備對通水方向、水溫、流量進行控制。以上三個系統都可以進行智能控制。

預警發布及干預反饋是根據實時獲取施工的監測數據，然后利用智能監控的計算機系統對這些數據進行計算分析,得出的分析數據不符合工程質量要求進行自動預警,并將預警信息傳輸至施工技術人員的終端設備上,然后進行人工干預。現場決策是通過會議、培訓、報道等形式對溫度控制工作進行總結。預警發布和干預反饋、施工現場決策需要人為進行參與。

3 工程應用

最早在2009 年時防裂智能監控的一些功能在大體積混凝土大壩的建設中得到廣泛的應用，運用此技術已建成的大壩有溪洛渡、藏木、魯地拉等工程。圖5 是某工程剛建設完成的智能通水結果,此工程共設置了5 個感知量，分別為實測溫度、實測流量、目標溫度、預測流量、預測溫度等，從圖5 可以看出,實測溫度、目標溫度和預測溫度這三個數據誤差在工程允許范圍內。

圖6 是運用智能監控系統對此工程的拱壩基礎固結灌漿長、短周期應力疊加進行計算的結果顯示,從圖6 計算的結果可以確定“三進三出”方案是此工程的最佳保溫方案。

圖5 智能通水結果

圖6 拱壩基礎固結灌漿工況長、短周期應力疊加計算方案對比

4 結語

隨著科技的發展，信息化、數字化、智能化技術應用，為大體積混凝體溫控防裂技術提供了更多的可能。運用智能監控系統能夠控制大體積混凝土施工的各個環節，包括施工材料的提前預冷、混凝土制備、混凝土灌注、通水冷卻、表面養護等環節,很好地避免以往的施工方式帶來的施工誤差和人為帶來的施工不確定性。目前防裂智能監控系統在很多的大體積混凝土大壩的施工中取得很好的效果。具體的應用實踐表明：智能監控技術能夠實時監控大體積混凝工程的施工和運行過程，保證施工的每一步流程的溫度都在可控范圍內，很好地預防大體積混凝土大壩裂縫的產生。