雅礱江流域水電工程智能建設探索與創新

王 繼 敏， 程 曉 攀

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

為保障工程全生命周期安全，水電建設者一直在探索更好的工程技術和更有效的建造管理方法。隨著時代進步和社會發展，水電工程在注重生態環境、水庫移民以及工程技術和管理創新的基礎上，運用當前最新科技和管理方法，有效應對工程變化，實時掌握工程建設主動權，更好地達成建設目標。

關于水電工程，其建設技術方法的發展歷程包含人工化、機械化與計算機化、數字仿真和信息化、智能建設4個階段[1]。

智能建設階段的重要特征即開展仿真計算，在線建設管理及預警控制，對關鍵工藝開展智能化監控，集智能化建壩技術和管理模式為一體，實現大型水電工程安全優質高效建造[2]。在智能建設方面，雅礱江流域水電開發有限公司(簡稱“雅礱江公司”)已經摸索出一整套行之有效的經驗，供同類工程建設參考。

1 雅礱江流域開發難題與創新

雅礱江干流從甘孜到攀枝花長達1 571 km的雅礱江河段，規劃有22座水電站。流域水電項目具有超300 m特高拱壩、300 m級礫石土心墻堆石壩、120 km超埋深長大隧洞群、700 m級高邊坡群、超300 m大跨度地下廠房洞室群，多項技術指標位于世界前列，綜合技術難度前所未有。

面對雅礱江流域水電工程建設環境復雜、施工條件變化等技術與管理挑戰，雅礱江公司通過“產、學、研、用”協同創新的現代水電工程建筑技術，并與當代通訊技術、信息技術及數據技術相結合，對工程建設中的資源要素、結構性態、管理程序、進度計劃進行實時動態分析和耦合仿真預測，構建大型水電工程智能建造管理平臺，大幅度降低了工程建設過程中人的不確定行為、物的不確定狀態、環境的不確定因素及管理缺陷，使數據傳遞更加廣泛快捷，工程決策更加科學及時，項目管理水平和效率顯著提升，以實現工程建設的創造價值。

雅礱江公司于2009～2014年期間在錦屏工程推行智能溫控系統和監測自動化，取得成功經驗；從2015年至今在楊房溝工程持續開展基于BIM系統的智能建造探索，同一時間在兩河口工程深度開展從數字大壩到智能大壩建設的實踐，均取得了預期的成果。

2 錦屏拱壩施工實時監控和智能溫控系統

2.1 錦屏一級水電站工程簡介

錦屏一級水電站地處四川省鹽源、木里2縣交界，壩高305 m，高度位居世界首位(圖1)。水庫總庫容達77.6億m3，總裝機規模達3 600 MW，擁有年調節性能，是雅礱江下游河段龍頭水電站。項目已于2013年投產發電，2014年竣工。

圖1 錦屏一級樞紐平面布置圖

2.2 錦屏拱壩全過程施工質量和進度實時監控與仿真分析

雅礱江公司開發了錦屏大壩混凝土施工質量與進度實時控制系統，實現了混凝土施工倉面信息、混凝土原材料檢驗信息、混凝土試驗檢測信息、混凝土生產信息、纜機運行信息、壩體混凝土溫度信息、灌漿信息、施工進度信息等與質量和進度緊密相關的信息實時采集、傳輸、儲存、共享與反饋分析，開展了全壩全過程的實時質量監控和施工仿真與反饋分析。

通過拱壩施工實時監控和仿真分析技術，雅礱江公司對拱壩安全可實現實時評價。系統集成工程全過程施工監控信息，采用真實性態仿真分析方法，有效指導了拱壩建設。工程建設中根據工程實際需要，雅礱江公司同步開展了固結灌漿方式優化、陡坡壩段混凝土澆筑方式優化、接縫灌漿同冷區高度優化等；2012年仿真分析預警了拱壩下游面開裂風險，提前開展上游充水，保障了拱壩施工期安全。

2.3 錦屏一級水電站拱壩智能溫控系統

錦屏一級特高拱壩具有壩體厚度大的特點，在相同灌區高度條件下約束系數增加，壩基兩岸坡度陡，結構孔洞多，壩區晝夜溫差大，存在溫控風險。為此，雅礱江公司在錦屏一級拱壩混凝土溫控防裂技術研發及控制方面，根據工程特點，結合科學研究和現場深化試驗，創新實踐了智能溫控系統，避免大壩出現裂縫。

2.3.1 全過程溫控仿真分析與反饋

在錦屏拱壩混凝土開始澆筑伊始，雅礱江公司即與科研單位、設計單位共同對大壩混凝土年、季、月排倉計劃進行溫控仿真分析演算，分析成果定期在溫控周報和溫控周會議上通報，第一時間用于指導現場溫控工作。

同時，針對在溫控工作中出現的大壩孔口閘墩混凝土溫升偏高等問題，通過仿真分析，提出有針對性的技術要求，經過設計復核，以設計文件形式確定處理措施。例如，12號壩段泄洪深孔鋼襯第一倉由于一級配混凝土澆筑太多，發生最高溫度超過設計要求的情況，針對該倉和周邊倉位的溫控過程，仿真分析提出將中期冷卻時間從28 d延長至42 d，中期和二期冷卻的降溫速率分別由0.5 ℃/d和0.3 ℃/d調整為0.2 ℃/d，現場按照此要求執行并在澆筑過程中加強孔口保溫，嚴格控制溫差，最終混凝土沒有因為最高溫度超標而出現裂縫[3]。

此外，雅礱江公司對大壩澆筑開展了仿真計算，解決了多項關鍵技術問題，如拱壩封拱時機的選擇，蓄水高程與拱壩橫縫壓縫關系論證以及拱壩三大高差控制標準研究等，該針對關鍵技術問題的科研成果都為錦屏工程建設、管理、決策提供了理論支撐。

2.3.2 大體積混凝土溫度自動采集系統

為全面監控大壩溫度場，錦屏大壩首次在每倉混凝土中均埋設了3支以上的溫度計，全壩共埋設3 967支，溫控觀測的頻次高。為了更加高效、準確和及時地掌握混凝土內部溫度，雅礱江公司組織研發并實施了大壩施工期混凝土溫控監測自動化系統。該系統包括塔式服務器、通訊光纖、信號轉換設備、DAU2000分布式數據采集單元、NDA數據采集模塊、自動化監測專用電源線及RS485通訊線等，混凝土澆筑塊中的溫度計在埋設12 h內即接入自動化監測系統，開展實時監控。

2.3.3 大體積混凝土溫度智能控制系統

為有效控制大體積混凝土溫度，常運用冷卻通水降溫的方法。傳統的冷卻通水系統工作方式耗費大量人力，且人工操作可能存在漏測和漏調整，同時，指令的調整和執行周期較長，難以滿足日趨嚴格的拱壩溫控設計要求。

錦屏一級水電站大壩大量采用4.5 m升層，混凝土溫控防裂的要求相應更高。鑒于此，雅礱江公司組織參建單位開發并推廣、實施了大體積混凝土施工期溫度智能控制及智能冷卻通水信息反饋與自動控制系統。該系統根據設計要求的溫度控制過程參數，預設溫度控制過程線，將大壩混凝土溫度采集系統采集到的混凝土實際溫度與預設的控制溫度進行比較，高于預設溫度即進行通水降溫，否則，停止通水，每4 h產生1次指令。通水和停止通水的指令通過服務器端的智能冷卻通水程序自動計算產生，通過無線局域網傳輸指令，以冷卻通水無線控制終端接收指令并控制電動球閥執行指令。

2.3.4 智能溫控實施效果

錦屏一級大壩在共計1 496倉混凝土(其中4.5 m升層厚度倉544倉)中，有1 423倉使用了智能溫控系統進行冷卻通水。各倉中，最高溫度合格率達98.96%，降溫速率符合率99.5%，一期、中期和二期冷卻歷時合格率約為97.95%，溫度回升合格率95%，內部溫差合格率98.5%。

經過6年工程蓄放水、循環加載和卸載的檢驗，大壩沒有發現溫度裂縫，大壩邊坡、壩基變形穩定可控，大壩變形應力滿足設計要求，拱壩彈性良好，整個工程處于良好運行狀態，見圖2、3。

3 楊房溝水電站基于BIM的智能建造系統

3.1 楊房溝水電站工程簡介

楊房溝水電站地處四川省木里縣，系雅礱江流域中游重點水電站。庫容4.6億m3，裝機容量1 500 MW，擁有155 m高的雙曲混凝土拱壩，項目計劃于2021年投產發電，2022年竣工。

3.2 楊房溝設計施工BIM管理系統

楊房溝水電站在建設過程中使用設計施工總承包模式，從招標階段就對利用信息技術提高效率、提升管理水平提出了高標準、高要求，充分利用“大數據”“云計算”“人工智能”等先進信息化技術，通過智能建造關鍵技術的研究和快速、全面推廣應用，進行技術攻關和創新應用探索，打破水電工程在傳統工程建設、管理環節中面臨的觀念轉變難、效率提升慢的困境[4]。

圖2 錦屏一級大壩智能冷卻通水溫控曲線

圖3 錦屏一級蓄水過程中大壩拱冠梁徑向變形時間曲線

楊房溝水電站項目智能建造以實用性和可執行性為基本原則，充分考慮多維建筑信息模型(BIM)技術與項目施工管理的密切結合，通過三維可視化技術以及模擬仿真建造，實現建筑工程從深化設計到多專業協同、從工藝模擬到進度模擬、從輔助技術方案到商務管控、從總承包管理到運維信息管理的數字化、網絡化、智能化。該系統為行業首個集設計、采購、施工為一體的管理系統。

3.3 拱壩施工仿真實時控制、智能灌漿與智能溫控

3.3.1 拱壩建設仿真與進度實時控制分析系統

針對楊房溝高拱壩施工特性，根據現場實際邊界條件的改變，動態修正仿真模型參數及邏輯關系，雅礱江公司運用智能建造系統實現對大壩施工進度的實時控制分析。通過一段時間的運行，拱壩建設仿真與進度實時控制分析系統實現了對大壩施工進度的實時監測和反饋控制。

3.3.2 工程地質三維建模與灌漿監控系統

楊房溝工程地質三維建模與灌漿監控分析系統通過對楊房溝大壩三維精細地質模型、灌漿孔數字模型、水工建筑物模型進行動態集成可以建立大壩巖基灌漿統一模型，該模型可為灌漿工程提供一個全新的綜合分析平臺。系統通過數據接口實時獲取灌漿記錄儀的數據，保證系統不受復雜地形、氣候和人為因素的影響。在此基礎上，系統能夠根據所采集的數據自動生成并下載多樣化的圖表。

3.3.3 大壩混凝土智能溫控系統

為保證拱壩混凝土施工質量，避免出現裂縫，雅礱江公司從全壩段全面溫控要素實時自動化采集、重要溫控指標自動評價預警、無線傳輸技術應用等方面進行優化并對相應軟硬件全面升級。楊房溝水電站智能建造平臺結合三維模型，將溫控系統中的關鍵數據接入楊房溝水電站智能建造溫控模塊進行展示。接入數據包括大壩混凝土分倉信息、混凝土出機口溫度、入倉溫度、通水冷卻情況(是否通水、通水流量、通水方向、出入口水溫)、各倉動態溫度、溫控閾值、溫控報警信息等。系統的研發和運行，對楊房溝水電站混凝土溫控防裂和確保大壩質量起到了至關重要的作用。

4 兩河口水電站從數字大壩到智能大壩

4.1 兩河口水電站工程簡介

兩河口水電站地處四川省雅江縣，系雅礱江流域中游“龍頭”水電站，也是可多年調節的電站，擁有高295 m的堆石壩，庫容101.54億m3，裝機規模為3 000 MW(圖4)。

圖4 兩河口水電站樞紐平面布置圖

4.2 兩河口水電站數字大壩建設

兩河口水電站擁有295 m國內最高土石壩，壩體填筑方量4 160萬m3，大壩施工難度大。鑒于此，雅礱江公司開展了數字大壩建設，該系統主要包括堆石壩填筑碾壓質量自動監測與反饋控制系統、施工信息PDA采集反饋控制系統、灌漿信息監控分析系統等組成部分。

在數字大壩建設過程中，施工信息PDA采集與反饋控制系統，主要是通過手持PDA對現場試驗數據、碾壓機械信息、上壩運輸等信息進行采集，上報數字大壩系統用于分析管理。灌漿信息監控與分析系統主要是通過自動灌漿記錄儀的數據接口采集大壩基礎灌漿信息，及時分析灌漿施工過程參數，作為灌漿驗收的材料。

4.3 兩河口水電站智能大壩建設系統

兩河口水電站位于高寒地區，人工作業降效明顯，施工質量控制難度較大。因此，雅礱江公司為了確保大壩優質高效施工、打造優質精品工程，提出了兩河口水電站從數字大壩過渡到開發智能大壩系統并聯合天津大學研究并實施兩河口大壩填筑智能碾壓系統(簡稱“兩河口智能大壩建設系統”)，對該體系在智能建設過程中進行智能調控和實時動態評估。

兩河口水電站智能大壩建設系統優化了壩區無線通訊網絡，采用多星高精度定位技術，有效提升了高山峽谷地區定位的精度與穩定性。創新研發了壩料攤鋪厚度實時監控系統、土料摻拌工藝監控系統，將事后控制提升為事中控制。應用人工智能、圖像識別、實時感知等技術，針對土石壩的施工質量控制，避免了人工碾壓作業的不規范和質量控制難點，更好地保障了填筑質量，降低了施工成本，是水利水電工程智能建設技術的新突破，對降低人工勞動強度、提高施工效率和保證工程質量等發揮重要作用。

4.3.1 智能碾壓系統建設目標及架構

兩河口水電站智能大壩的目標，是要實現碾壓機的遠程控制、自動循跡、智能避障等功能，實現無人碾壓機群協同作業。

智能大壩在數字大壩的基礎上，包括施工方案的優化設計層、碾壓作業智能規劃層和碾壓機械無人駕駛執行層，相應具備了策略規劃、執行行動和自我學習進化的能力。

為了做到自動駕駛，現場對兩河口水電站碾壓機械設備進行了改造，改造后的無人碾壓機包括激光測距、毫米波雷達、超聲波傳感器、工業相機等感知系統和數傳天線、差分天線、GPS接收機等通信傳輸系統，還包括各種處理器工控機等設備上的計算中樞以及電動方向盤控制器等行動執行裝置。這些系統整體協同發揮作用，做到無人智能碾壓[5]。

4.3.2 智能碾壓系統生產性試驗

在智能大壩正式投入運行前，現場已經開展生產線試驗200余次，通過生產性試驗發現問題并不斷優化完善。

現場碾壓參數控制標準由大壩填筑前期在實驗場進行的碾壓實驗得出，見表1。

表1 壩體主要填筑料碾壓參數控制標準

生產性試驗統計表明：智能大壩系統在堆石料碾壓遍數一次達標率穩定在93.93～98.23%；過渡料碾壓遍數一次達標率穩定在95.16～98.39%；均超過在數字大壩系統監控下的人工碾壓一次達標率(90%)和收倉達標率(92%)，體現出優勢。

對于碾壓控制較難的大塊石，智能大壩采用了機器學習等技術，在二三十公分探頭石的條件下，將軌跡偏移量由(12.33～43.83 cm)范圍提升至(4.12～17.32 cm)，有效保障了軌跡控制精度。

4.3.3 智能大壩系統的效果

自智能大壩系統正式運行以來，大壩填筑智能碾壓系統在碾壓施工過程實時動態智能仿真、大壩碾壓機群智能碾壓作業管理、融合“數字大壩”系統并構建“智能大壩”系統平臺、系統調試優化及系統生產性試運行等方面取得了多項成果。通過現場調試優化，全面提高了系統運行穩定性和作業精度，滿足現場全天候、高寒高海拔條件下的振動作業需求?，F場初步應用情況表明：心墻料和反濾料碾壓遍數達標率均值達到98.28%，堆石料和過渡料達標率均值達到97.43%，將碾壓質量控制提升到新的水平。

5 智能建設展望

目前，虛擬現實技術(VR)已基本成熟。未來，基于智能感知、自主控制和管理決策智能優化等技術，人工智能將與水電工程建設深度結合，構建具有人類智能的集優化、決策、控制為一體的大壩AI建設系統，促進大壩關鍵施工環節變革，實現從傳統施工作業到智能協同作業的重大提升。

5.1 智能混凝土壩建設

混凝土壩澆筑施工是在特定的工程條件和一系列技術約束和規范要求下，按照相應的規則執行混凝土壩澆筑施工各項活動的過程。

隨著人工智能(AI)的發展，將建立基于知識工程的混凝土壩施工智能決策方法，人工智能將完成混凝土壩施工的知識表示方法、知識獲取方法和知識推理方法。一是智能控制系統將全面涵蓋混凝土壩施工的各個環節，如骨料生產、混凝土拌和、混凝土施工、溫度控制、保護養護等；二是對高拱壩混凝土溫控可以從一維控制發展成為三維空間和一維時間的四維精準控制。

5.2 智能土石壩建設

高土石壩施工一直以來都是復雜的綜合項目，未來土石壩的智能建設方向在于施工過程實時控制的高度集成以及土石壩施工全過程智能控制。土石壩建設全過程數據將進行整合，形成面向施工全過程的決策服務信息，用數據支撐工程優化升級。依托智能控制技術，實現決策信息的精準執行。一方面，未來的土石壩施工過程智能控制系統將深度集成料場規劃及開采系統、料源上壩運輸實時系統、大壩智能碾壓及質量評價系統；另一方面，對重點工序和環節，將開發智能控制子系統，如料場智能精確爆破技術和土石方智能仿真調度系統?？傊磥淼闹悄芡潦瘔螌崿F建設、設計、監理和承包商等參建單位的信息實時共享，促進施工和控制全面互聯。

6 結 語

智能建設是工程建設技術發展的新趨勢，能夠幫助大型項目實現施工過程智能管控，尤其是根據以人為本的理念，在高海拔、高寒地區可降低工人勞動強度，節約工程投資，促進工程目標的實現。

雅礱江公司從錦屏特高拱壩智能溫控系統建設開始，在楊房溝、兩河口水電工程建設工程中逐步推廣應用項目管理的智能監測、智能分析、智能調控，提升了管理水平和效益，促進了錦屏、兩河口和楊房溝工程“規范、有序、優質、高效”建設。雅礱江公司在智能建設方面的經驗可為推廣水電項目信息化、數字化技術體系提供借鑒。