數(shù)字化大壩技術(shù)在縉云抽水蓄能電站工程中的應(yīng)用

田繼榮 黃成家 楊磊 李增煥 周碧云

摘要：針對抽水蓄能電站大壩填筑碾壓及基礎(chǔ)灌漿施工的特點和管理難點，基于智能感知和智能分析方法，提出了“1+1+1+N”的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系，建立了以數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用為核心的“及時預(yù)警→現(xiàn)場處置→線上消警”的施工質(zhì)量監(jiān)控體系，并將其應(yīng)用于浙江縉云抽水蓄能電站。應(yīng)用結(jié)果表明：構(gòu)建的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系能夠為工程建設(shè)的參建各方服務(wù)，實現(xiàn)工程建設(shè)的精細化管理。研究成果可為數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用與管理體系的實踐以及數(shù)字孿生抽水蓄能電站建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：

抽水蓄能電站； “1+1+1+N”； 數(shù)字化大壩； 精細化管理； 數(shù)字孿生

中圖法分類號：TV512

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.020

文章編號：1006-0081（2023）07-0116-06

0 引 言

抽水蓄能電站是助力“雙碳”目標(biāo)的重要途徑，2021年中國國家能源局發(fā)布《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃》，助力中國抽水蓄能電站建設(shè)，對電站建設(shè)管理水平和投產(chǎn)效率與質(zhì)量提出了更高的要求。2016年2月國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確提出了“智能發(fā)電”概念。在此背景下，中國眾多學(xué)者在抽水蓄能電站工程數(shù)字化、智能化建造，智慧化運維管理方面進行了廣泛探索。葉宏等［1］結(jié)合抽水蓄能電站數(shù)字化現(xiàn)狀和存在的問題，提出了數(shù)字化智能電站理念，并對數(shù)字化與智能化電站設(shè)計思路和架構(gòu)進行了探索；陳寧等［2］研制開發(fā)了溧陽抽水蓄能電站施工質(zhì)量實時控制技術(shù)；李斌等［3］研發(fā)了數(shù)字化灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，提高了灌漿工程信息化管理水平；何錚等［4］對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下抽水蓄能電站智慧管理模式的發(fā)展進行了一定的探索與實踐。

針對抽水蓄能電站數(shù)字化建設(shè)及智慧化運維管理，國內(nèi)學(xué)者已有了一定的研究，對抽水蓄能電站的大壩填筑、灌漿工程等施工工藝采用了較為成熟的數(shù)字化手段進行管理。但是目前針對抽水蓄能電站數(shù)字化建設(shè)管理的技術(shù)應(yīng)用相對單一，抽水蓄能電站規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工與運營管理各個階段的技術(shù)應(yīng)用相互割裂，缺乏貫穿全生命周期的BIM+GIS全信息三維模型作為數(shù)據(jù)底板，需在此基礎(chǔ)上打造數(shù)字孿生抽蓄電站，實現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)對抽水蓄能電站規(guī)劃、設(shè)計、建造、運營全生命周期的賦能。

本文針對浙江縉云抽水蓄能電站實際情況和存在的問題，從工程建設(shè)管理的角度，探討了“1+1+1+N”的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系在浙江縉云抽水蓄能電站的應(yīng)用。

1 工程背景

浙江縉云抽水蓄能電站位于浙江省麗水市縉云縣境內(nèi)，為Ⅰ等大（1）型工程，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等建筑物組成，總裝機容量為1 800 MW。電站上、下水庫大壩均采用混凝土面板堆石壩，上水庫大壩最大壩高59.2 m，下水庫大壩最大壩高92.6 m。上下水庫大壩填筑總量約190萬m3。

為提高縉云抽水蓄能電站大壩施工管理的效率和水平，響應(yīng)智能發(fā)電要求，縉云抽水蓄能電站工程項目組針對縉云抽水蓄能電站大壩基礎(chǔ)處理及填筑碾壓的管理難點，充分利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、北斗/GPS定位技術(shù)、三維可視化技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實際的施工管理體系，開展數(shù)字化大壩關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用實踐。

2 數(shù)字化大壩總體架構(gòu)

根據(jù)浙江縉云抽水蓄能電站大壩數(shù)字化施工管理與建設(shè)需求，結(jié)合工程數(shù)字化、智能化建造、智慧化運營管理要求，構(gòu)建了面向數(shù)字化大壩建設(shè)與管理的“1+1+1+N”總體架構(gòu)，即1個數(shù)據(jù)資源管理中心+1個BIM+GIS融合的三維數(shù)字沙盤+1個數(shù)字化大壩施工管理平臺+大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控、上壩運料車輛實時監(jiān)控、大壩基礎(chǔ)灌漿數(shù)字化監(jiān)測以及施工期視頻實時監(jiān)控等N項智能建造技術(shù)。 該技術(shù)體系的成功應(yīng)用，滿足了縉云電站工程管理監(jiān)控需求，提高了現(xiàn)場施工管理水平，成功實現(xiàn)了縉云電站大壩施工的“全過程、全范圍、全要素、全流程”精細化管理。“1+1+1+N”的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系總體架構(gòu)見圖1。

2.1 數(shù)據(jù)資源管理中心

根據(jù)縉云抽水蓄能電站數(shù)字化大壩功能業(yè)務(wù)的要求和特性，在一體化數(shù)據(jù)庫框架下，構(gòu)建了數(shù)據(jù)資源管理中心，為數(shù)字化大壩施工管理平臺、大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控、上壩運料車輛實時監(jiān)控、大壩基礎(chǔ)灌漿數(shù)字化監(jiān)測以及施工期視頻監(jiān)控等技術(shù)應(yīng)用提供標(biāo)準化的數(shù)據(jù)服務(wù)和專題服務(wù)，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)匯聚、存儲和發(fā)布體系，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源的交互共享和標(biāo)準化服務(wù)發(fā)布，為數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用提供統(tǒng)一、高效、標(biāo)準化的數(shù)據(jù)交換和服務(wù)發(fā)布平臺。平臺包括數(shù)據(jù)資源維護管理、數(shù)據(jù)資源統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)與其他數(shù)據(jù)服務(wù)等。

2.2 基于BIM+GIS融合的三維數(shù)字沙盤

依托縉云抽水蓄能電站，基于HydroStation三維協(xié)同設(shè)計平臺和ProjectWise協(xié)同工作平臺，構(gòu)建了縉云抽水蓄能電站工程地質(zhì)、工程樞紐以及工廠三維精細化模型，實現(xiàn)了原生設(shè)計模型（非壓縮轉(zhuǎn)換）的輕量化發(fā)布，并基于B/S架構(gòu)實現(xiàn)了模型瀏覽、雙向查詢、定位、漫游等功能，有效解決了三維模型輕量化發(fā)布時信息損失問題，支撐從設(shè)計信息到施工管理信息的無縫對接。

融合主要建筑BIM模型+三維GIS底圖+傾斜攝影等多種類型的可視化數(shù)據(jù)，基于全融合工程圖形引擎技術(shù)，搭建了縉云抽水蓄能電站三維數(shù)字沙盤，從而實現(xiàn)了基于BIM + GIS全信息三維模型的“一張圖”管理，為數(shù)字化移交、數(shù)字孿生電站的構(gòu)建和電廠智慧運維奠定模型基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)字化大壩施工管理平臺

三維數(shù)字化大壩施工管理平臺通過建立工程建設(shè)管理標(biāo)準系統(tǒng)，對大壩填筑施工過程的計劃、進度、質(zhì)量進行全程管理，為運料車輛實時監(jiān)控子系統(tǒng)、大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控子系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)了以施工（碾壓）單元為核心的綜合進度與質(zhì)量分析。平臺通過手持式數(shù)據(jù)采集終端、自動化采集設(shè)備等手段收集大壩碾壓相關(guān)質(zhì)量、運輸車輛上壩狀態(tài)信息、各材料分區(qū)單元質(zhì)檢數(shù)據(jù)等。通過預(yù)先制定的標(biāo)準規(guī)范與監(jiān)控現(xiàn)場質(zhì)量管理過程數(shù)據(jù)，分析出超標(biāo)及異常信息，及時提醒現(xiàn)場管理人員采取糾正措施，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 智能建造關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控

對于抽水蓄能電站，碾壓作業(yè)是確保倉面壓實的核心環(huán)節(jié)，施工期大壩填筑的質(zhì)量直接關(guān)系到大壩的安全運行。從歷史經(jīng)驗來看，電站運營期間壩體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題基本都與施工期的填筑碾壓質(zhì)量有關(guān)。大壩填筑碾壓是動態(tài)連續(xù)的施工過程，信息量龐大且信息相關(guān)性高，依靠人工現(xiàn)場控制碾壓施工參數(shù)的方法會受到人為因素的干擾，無法對大壩填筑碾壓施工質(zhì)量進行全過程、實時、精準控制，也不能滿足當(dāng)前抽水蓄能電站投產(chǎn)效率與質(zhì)量的要求。

針對縉云抽水蓄能電站大壩填筑碾壓質(zhì)量管控的相關(guān)要求，結(jié)合新一代計算機技術(shù)，搭建了縉云抽水蓄能電站大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)，對大壩填筑碾壓質(zhì)量進行了實時監(jiān)控，如圖2所示。基于該系統(tǒng)實時監(jiān)控碾壓參數(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)場碾壓施工過程碾壓機運行軌跡、遍數(shù)、速度、振動狀態(tài)的可視化監(jiān)控，并且對超標(biāo)參數(shù)進行實時預(yù)警與閉環(huán)處理，實現(xiàn)了大壩填筑碾壓質(zhì)量的事中控制，確保大壩施工質(zhì)量嚴格受控。每個施工單元施工結(jié)束后，系統(tǒng)能夠自動生成碾壓報表，作為質(zhì)量驗收的輔助材料。通過統(tǒng)一的三維數(shù)字化施工管理平臺，集成大壩填筑碾壓實時監(jiān)控系統(tǒng)，自動根據(jù)實時坐標(biāo)生成碾壓單元模型，結(jié)合三維BIM+GIS模型實現(xiàn)大壩填筑碾壓進度的實時更新，碾壓監(jiān)控圖形報告見圖3。

3.2 上壩運料車輛實時監(jiān)控技術(shù)

在面板堆石壩建設(shè)過程中，確保上壩堆石料能夠按照既定的路線運輸至指定位置并且精確卸料，

是保障大壩填筑碾壓建設(shè)進度與質(zhì)量、控制建設(shè)成本的重要因素，因此，對面板堆石壩壩體填筑過程中上壩運輸料交通運輸環(huán)節(jié)進行有效管控很有必要［5］。根據(jù)縉云抽水蓄能電站面板堆石壩上壩料的特點和土石方平衡的控制要求，利用GPS等技術(shù)，對壩料運輸車輛從開挖面到壩面，以及壩料運輸車輛全程進行在線監(jiān)控。通過在運輸車輛上安裝車載定位終端接收衛(wèi)星信號，完成車輛的自動定位，同時通過感應(yīng)裝置實時采集車輛的空滿載情況，通過網(wǎng)絡(luò)將車輛信息數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，從而實現(xiàn)整個壩區(qū)運料車輛的全程監(jiān)控及調(diào)度。

3.3 大壩基礎(chǔ)灌漿施工數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)

水電工程基礎(chǔ)加固和防滲處理的重要措施之一是水泥灌漿，工程全生命周期運行安全在很大程度上受到灌漿工藝質(zhì)量的影響［6-7］。基礎(chǔ)灌漿工程由于其隱蔽工程的屬性和特點，一直被列為水電工程質(zhì)量管理的核心和焦點［8］。為保證水庫的防滲效果，減少水資源損失，提高水能利用率，灌漿施工尤為重要［9］。灌漿施工管理目前主要存在以下問題。

（1） 作為隱蔽工程，無法直觀檢查與評價灌漿施工質(zhì)量，產(chǎn)品質(zhì)量與施工隊伍的經(jīng)驗和責(zé)任心緊密相關(guān)，傳統(tǒng)的檢查方法借助分析檢查孔資料、施工過程數(shù)據(jù)和局部影像資料來進行事后評價，難以確保灌漿施工質(zhì)量。

（2） 灌漿施工作業(yè)面分散，管理人員難以及時對所有灌漿作業(yè)面的過程和進度進行統(tǒng)一管理，施工過程控制難度大。

（3） 灌漿施工過程中抬動等異常情況處置難度大，傳統(tǒng)的管理模式無法及時有效對異常的灌漿數(shù)據(jù)進行鑒別，異常情況處置不及時對灌漿施工效果及工程量影響較大。

（4） 灌漿工程數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)利用EXCEL表格處理海量數(shù)據(jù)的手段耗時費力，并且由于缺乏有效的可視化展示與分析手段，原始采集的數(shù)據(jù)不能得到充分挖掘和應(yīng)用，無法利用數(shù)據(jù)驅(qū)動價值。

針對縉云抽水蓄能電站大壩基礎(chǔ)灌漿工程施工的特點和管理難點，基于數(shù)字化信號加密傳輸、無線物聯(lián)網(wǎng)、灌漿數(shù)據(jù)智能分析等技術(shù)搭建了數(shù)字化灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場實際的施工管理體系，建立了“及時預(yù)警→現(xiàn)場處置→線上消警”的閉環(huán)控制體系，并在工程中進行廣泛應(yīng)用。對縉云抽水蓄能電站上、下水庫大壩固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等全部灌漿部位進行無線組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸。通過將灌漿記錄儀接入無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測現(xiàn)場各灌漿部位、灌漿記錄儀編號、灌漿孔號、段次、流量、壓力、密度、抬動等灌漿參數(shù)變化情況，并對壓力、抬動進行實時預(yù)警，對灌漿部位和灌漿成果進行可視化分析，準確、迅速地分析灌漿成果，實現(xiàn)對現(xiàn)場灌漿工程施工的實時監(jiān)控與異常預(yù)警報警的閉環(huán)處理。數(shù)字化灌漿實時監(jiān)測預(yù)警報警反饋控制機制見圖4。

3.4 施工期視頻監(jiān)控技術(shù)

在縉云抽水蓄能電站主要施工區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)控，對施工區(qū)域的主要工作面進行監(jiān)控。融合視頻監(jiān)控等多種監(jiān)控手段，對大壩填筑碾壓以及基礎(chǔ)灌漿施工進行多角度可視化數(shù)字化監(jiān)控。通過系統(tǒng)開發(fā)將施工期視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信息進行整合，實現(xiàn)視頻監(jiān)控信息的在線實時查詢以及錄像回放，實現(xiàn)工程施工過程中的問題追溯［10］。

4 應(yīng)用成效

大壩填筑碾壓質(zhì)量實時監(jiān)控系統(tǒng)自投入運行以來，截至目前已經(jīng)完整監(jiān)控了196個倉面的碾壓施工情況，實現(xiàn)了對碾壓機碾壓軌跡、行駛速度、碾壓遍數(shù)、碾壓高程、激振力等質(zhì)量參數(shù)的實時監(jiān)控，對不滿足設(shè)計標(biāo)準的碾壓機械工作參數(shù)進行及時報警，有效控制了大壩填筑碾壓質(zhì)量，提高了施工管理效率和水平。除去異常值狀況，平均碾壓遍數(shù)合格率為96.69%，其中大壩壩體上游墊層料及過渡料85倉，平均碾壓遍數(shù)合格率為96.80%；大壩壩體上游主堆區(qū)堆石料66倉，平均碾壓遍數(shù)合格率為97.45%；大壩壩體下游堆石料45倉，平均碾壓遍數(shù)合格率為95.36%。從數(shù)字灌漿監(jiān)測系統(tǒng)投入運行以來，截至目前共記錄了百余個灌漿孔的實時數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和報表數(shù)據(jù)，其中實時數(shù)據(jù)達數(shù)10萬條，過程數(shù)據(jù)和報表數(shù)據(jù)近1萬條，異常報警數(shù)據(jù)近200條，并形成分序灌漿工程量統(tǒng)計表、灌漿單位注灰量綜合剖面圖等統(tǒng)計信息（工作界面見圖5～8），實現(xiàn)了對灌漿實時壓力、流量、密度、抬動等質(zhì)量參數(shù)的實時監(jiān)控，對超出閾值的灌漿數(shù)據(jù)進行報警，有效控制了大壩基礎(chǔ)灌漿施工質(zhì)量，使得基礎(chǔ)灌漿設(shè)計更加精細、工程管理更加有效、數(shù)據(jù)查詢更加便捷、分析評價更加專業(yè)、成果展示更加豐富。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)的工程建設(shè)管理模式已不能較好地適應(yīng)抽水蓄能電站大壩建設(shè)管理和投產(chǎn)效率要求。針對縉云抽水蓄能電站面板堆石壩工程特點和技術(shù)難點，基于智能感知和智能分析方法，提出了“1+1+1+N”的數(shù)字化大壩技術(shù)應(yīng)用體系，實現(xiàn)了對大壩基礎(chǔ)灌漿施工、上壩運料車輛管理、填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控等全過程的實時管控，完成了設(shè)計、施工生產(chǎn)、質(zhì)量控制與成果的大壩建設(shè)全過程管理，可實時指導(dǎo)施工、有效控制工程建設(shè)過程、控制工程成本，提高管理水平與效率。本文研究成果和所提出的數(shù)字化大壩體系可為數(shù)字化大壩及數(shù)字孿生抽水蓄能電站建設(shè)提供借鑒。

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（編輯：唐湘茜，張 爽）