沿海高溫地區(qū)碾壓混凝土壩防裂智能溫控系統(tǒng)設計與應用

0 引言

水工大體積混凝土裂縫嚴重影響工程質量和耐久性，甚至威脅結構安全。溫度荷載是裂縫產生的主要原因[1]，全過程控制混凝土溫度，特別是采用通水冷卻措施，能有效降低開裂風險[2]，且通水冷卻防裂效果的好壞與通水方案的科學合理性及落實情況直接相關。傳統(tǒng)建造模式下，大體積混凝土通水冷卻降溫過程采用人工監(jiān)測和數據采集，數據處理速度慢、數據精度低、溫控效果差且施工目標難以保證[3]。近年來，物聯(lián)網、仿真計算等技術的高速發(fā)展，使得實時動態(tài)獲取大壩真實工作性態(tài)并進一步實現(xiàn)冷卻通水流量、通水時長的智能化控制即大體積混凝土智能溫控防裂成為可能[3-7] O

然而，現(xiàn)有的智能溫控系統(tǒng)仍存在以下問題： ① 控制策略方面，智能控溫預設溫度曲線是固定不變的，特定部位的控溫曲線往往是根據前期的計算分析得到的，無法考慮現(xiàn)場各類不確定因素對混凝土結構的影響； ② 硬件設備方面，現(xiàn)有的智能通水系統(tǒng)大多需要將冷卻水管、通訊、供電電纜連接梳理到一起，在現(xiàn)場建立大量的分控站，增加現(xiàn)場管路布置的同時，無疑增加了分控站搭建維護成本，同時大幅增加現(xiàn)場管理的難度。

因此，針對以上問題，本文依托福建霍口水庫工程，采用動態(tài)分析計算技術、無線網絡技術對現(xiàn)有智能溫控系統(tǒng)進行了改進，成功開發(fā)了大體積混凝土智能通水冷卻控制系統(tǒng)。通過對壩體全過程開展實時信息感知、自動分析和應急控制措施布置，逐步實現(xiàn)個性化、自動化、數字化和智能化管理。這將有助于解決混凝土裂縫問題，提高工程質量和耐久性，確保工程安全和延長工程合理使用年限。

1 項目概況

霍口水庫工程位于福建省福州市羅源縣境內，被列入“十四五\"期間172項節(jié)水供水重大水利工程，是一座以供水為主，結合防洪、兼顧發(fā)電等綜合利用的水利工程，工程規(guī)模為大（2）型，主要由攔河主壩、右岸副壩、地面電站廠房及過魚設施等組成。霍口水電站壩址區(qū)多年平均氣溫 19.1°C ，歷年極端最高氣溫 38.7^qC ，碾壓混凝土壩施工過程需重點考慮高氣溫影響。主壩壩型為碾壓混凝土重力壩，最大壩高 91.0m ，壩軸線長 338.0m ，壩頂寬 8m 。水庫正常蓄水位 190.0m ，總庫容2.97億 m³ ，防洪庫容0.35億 m³ ，電站裝機容量6萬 kW ，承擔著福州市中心城區(qū)、羅源縣等閩江口北岸城市群約373萬人的供水任務，具有重要地位。

2智能溫控系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件架構

大體積混凝土智能溫控系統(tǒng)硬件包括前端監(jiān)測和控制硬件、后端信息采集和控制設備兩類，對應的硬件架構示意如圖1所示。

2.1.1 前端監(jiān)測和控制硬件

霍口水庫混凝土智能溫控防裂系統(tǒng)在建設過程中選擇的前端監(jiān)測和控制硬件主要包括環(huán)境信息監(jiān)測設備、混凝土溫度監(jiān)測設備、水溫監(jiān)測設備、通水流量監(jiān)測設備、通水方向控制設備、通水流量控制設備等。

（1）小型氣象站：安裝在壩址區(qū)較高部位，用于跟蹤監(jiān)測大壩在澆筑施工過程中的氣溫、風速、日照輻射信息，作為混凝土大壩澆筑施工過程中溫度場、應力場動態(tài)仿真分析的邊界條件。

（2）混凝土溫度測溫設備：為避免碾壓混凝土壩在施工過程中造成測溫電纜破壞，根據碾壓混凝土澆筑層的特點，在大壩上游面附近、澆筑層中心、大壩下游面附近埋設了測溫探頭，采用無線測溫將不同測點溫度信息按照指定頻率發(fā)送到后端信息采集控制設備。

（3）通水冷卻控制設備：主要包括四通換向閥、電磁閥、數字流量計及控制模塊，通過變壓設備將電壓調至36V確保安全，采用專用電纜并聯(lián)供電，遠程控制模塊接收指令后執(zhí)行操作。

2.1.2后端信息采集控制設備

后端信息采集控制設備主要是指現(xiàn)場智能設備控制柜，其主要功能是實時接收現(xiàn)場小型氣象站、測溫模塊溫度信息。同時將現(xiàn)場信息發(fā)送至布置在云平臺的智能溫控系統(tǒng)，智能溫控系統(tǒng)通過動態(tài)分析，計算后續(xù)各閥門開度控制指標，將其發(fā)送到現(xiàn)場智能控制柜（圖2），再通過智能控制柜向現(xiàn)場設備發(fā)送指令進行調整。

2.2 系統(tǒng)軟件架構

2.2.1 系統(tǒng)總體框架

智能溫控軟件系統(tǒng)實現(xiàn)混凝土全過程溫控信息的自動感知、互聯(lián)、分析及控制，采用一體化管控平臺設計，集成信息化系統(tǒng)，建立統(tǒng)一數據中心和應用系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享、業(yè)務協(xié)同。系統(tǒng)分6層：信息采集、網絡通信、數據資源、模型服務、智慧應用及運行環(huán)境，系統(tǒng)框架如圖3所示。

（1）信息采集層。采集層是溫度感知等信息來源的基礎，由各類自動監(jiān)測設施設備和人工監(jiān)測等項目組成，為系統(tǒng)提供信息依據和基礎。其中，溫控信息采集模塊運用自動化量測設備對出機口溫度、澆筑溫度、入倉溫度、大壩內部溫度、水管通水流量、通水水溫、溫度梯度、氣溫及太陽輻射熱等有關溫控的各個要素進行實時自動采集。

（2）網絡通信層。網絡通信層是數據傳輸與運行的基礎，保障信息采集、傳輸及安全，采用物聯(lián)網、有線及無線通信。物聯(lián)網總線通過數據采集器實現(xiàn)數據治理，支持多設備接人和規(guī)約兼容，提升智能溫控系統(tǒng)的數據處理效率與質量。所采集的溫控信息經物聯(lián)網匯總后，通過有線/無線通信實時傳輸至數據庫。

（3）數據資源層。數據資源層是業(yè)務應用軟件系統(tǒng)運行的基礎，供所采集數據的匯集交換與資源管理，可為智能溫控系統(tǒng)提供數據庫和數據源的訪問及存儲功能，可按數據類別分為基礎數據庫、監(jiān)測數據庫、空間數據庫、模型數據庫和業(yè)務數據庫等，可通過數據訪問接口（RESTAPI）進行調用。

（4）模型服務層。模型服務層以通用的技術以及標準，將模型進行整合封裝、發(fā)布共享，智能溫控系統(tǒng)涉及的主要應用模型開發(fā)包括溫度場模型、應力場模型和仿真模型等。模型組件開發(fā)應按照計算過程劃分成多個模塊，每個模塊能獨立進行運算，運用微服務、面向服務架構（SOA）等技術進行封裝。

（5）智慧應用層。智慧應用層基于用戶需求，以及數據資源層和模型服務層提供的訪問調用接口，實現(xiàn)各種業(yè)務處理結果的展示，提供人機交互過程，主要包括數據信息的接收、處理、存儲、統(tǒng)計、查詢、發(fā)布等過程。智能溫控系統(tǒng)業(yè)務應用包括信息服務、風險預警、三維展示、溫度智能控制等功能模塊，為混凝土壩防裂提供決策支持和管理手段。

（6）安全保障體系。安全保障體系為實現(xiàn)信息共享提供安全支持。安全保障體系包括實體安全、主機安全、鏈路安全、網絡安全、數據安全和應用安全等方面。

（7）信息化標準體系。信息化標準體系綜合現(xiàn)有信息技術的標準規(guī)范，確保系統(tǒng)設計、建設和運行符合相關標準的保障體系，在總體結構的各層都有相應的標準規(guī)范。信息化標準體系包括安全標準、網絡標準、數據標準、應用標準和標準化管理等。

2.2.2 混凝土結構動態(tài)分析模型

傳統(tǒng)的動態(tài)大體積混凝土智能溫控方法在混凝土澆筑施工過程中，往往基于監(jiān)測溫度對混凝土降溫過程按照既定的降溫曲線進行控制，無法考慮澆筑間歇變動、澆筑溫度變化、澆筑季節(jié)調整等因素的影響。該項目實施過程中開發(fā)了大體積混凝土溫度、應力動態(tài)仿真計算模塊，如圖4所示。該模塊能夠根據需要，動態(tài)計算分析澆筑塊當前的溫度應力狀態(tài)，并對目標溫度指標進行實時調整優(yōu)化。

2.2.3改進的埋置單元法實現(xiàn)

在該大體積混凝土溫度場水管冷卻計算模塊中，對已有的埋置單元法進行改進，推導相應的水管水溫計算公式，引入考慮沿程水溫變化的混凝土溫度場迭代算法[8]，進而提高原有算法的計算精度和適用范圍。其中，埋置單元法基本理論和計算方法如下：

（1）將水管所通過的單元視為水管埋置單元，在此類單元的溫度場泛函中添加了沿虛擬水管邊界的積分，相當于添加了虛擬水管的邊界條件，得到修正后的水管埋置單元泛函[9]：

式中： β^′ 和 β 分別為氣溫邊界和水溫邊界條件下的等效熱交換系數； T 為混凝土溫度， C：a 為導溫系數，m²/d;θ 為絕熱溫升， C_;τ 為齡期， d;t 為時間， d;T_a 為氣溫； T_w 為水溫； 為氣溫邊界； 為水溫邊界。

（2）根據傅立葉熱傳導定律和熱量平衡條件，可得水管沿程水溫增量為

式中： φ_w，c_w 和 ρ_w 分別為冷卻水的流量（ m³/d ）、比熱（kJ?kg^-1?C^-1 ）和密度（ kg/m³ ）； λ 為混凝土導熱系數， n 為水管外表面混凝土面的外法線向坐標。

2.2.4系統(tǒng)功能模塊設計

為落實霍口水利樞紐施工期溫度監(jiān)控管理智能化建設，針對用戶實際需求，運用GPS技術、自動監(jiān)測技術、物聯(lián)網技術、數值仿真技術、自動控制等技術，實現(xiàn)溫控信息實時自動感知、互聯(lián)、分析與控制。系統(tǒng)將充分利用及整合現(xiàn)有水利信息化成果，主要服務于大壩建設期間的自動化管理。將該系統(tǒng)分為7個子系統(tǒng)，具體見圖5。

（1）信息采集系統(tǒng)。通過集成自動化量測設備，該模塊能夠實時自動采集出機口溫度、澆筑溫度、混凝土澆筑信息、倉面溫控、通水冷卻、混凝土內部溫度、氣溫及太陽輻射熱等溫控要素。主要設備包括澆筑溫度記錄儀、水溫測量儀、內部溫度監(jiān)測設備、出機口溫度記錄儀和太陽輻射熱測量儀等，均通過GPS定位或唯一地址編碼確定位置，實現(xiàn)溫控信息的全自動實時采集。整體架構如圖6所示。

（2）信息傳輸系統(tǒng)。智能溫控系統(tǒng)的信息傳輸機制：終端設備定時向指定服務器發(fā)送定位信息，服務器接收并處理后保存至數據庫，供后續(xù)顯示和決策使用。通信采用TCP協(xié)議，每次傳輸后斷開連接，設備間獨立無交流，發(fā)送時間由終端決定。開發(fā)工作基于物聯(lián)網4G模塊與Modbus硬件，運用多線程編程、TCP/IP理論、VisualStudio2015、C#編程語言和數據庫管理等技術，設計了一款數據采集上位機軟件。該軟件利用VisualStudio2015平臺，在SQLServer2015數據庫中存儲和管理數據，通過C#.NET的窗體應用程序開發(fā)，構建了一個完整的軟件體系。

（3）信息評價系統(tǒng)。溫控信息評價系統(tǒng)主要以圖、表等方式對監(jiān)測信息和歷史數據進行統(tǒng)計分析。針對溫度、濕度、水量、流量等監(jiān)測運行情況，進行報表分析，并對用戶提供混凝土澆筑過程中各項溫控參數、混凝土澆筑信息、設備信息的分類等精確查詢服務。

（4）開裂風險預警系統(tǒng)。開裂風險預警系統(tǒng)通過對監(jiān)測數據進行分析，并結合歷史數據以及仿真計算得到大壩真實的工作性態(tài)，在開裂風險到達一定程度后會發(fā)出預警，可對預警結果發(fā)出干預指令。

（5）智能通水控制系統(tǒng)。智能通水控制系統(tǒng)對實時數據做出及時反饋，結合評價分析結果，開展通水調控，降低混凝土開裂風險。具體而言，從大壩的結構特點出發(fā)，對不同部位的冷卻水管，根據設定的峰值溫度、降溫速率、各期目標溫度，配合實測的大壩混凝土溫度歷程，實時動態(tài)地對冷卻水供水閥門進行遠程控制，實現(xiàn)通水降溫智能化，確保升溫、降溫過程符合溫控指標要求。此外，該模塊可顯示智能通水調控信息，形成調控日志。

（6）仿真分析系統(tǒng)。在動態(tài)反演分析的基礎上，對典型項段開展仿真分析，實時評價大項溫度、應力、變形狀態(tài)及混凝土抗裂安全度，對潛在開裂風險進行動態(tài)預警。針對霍口碾壓混凝土重力壩的環(huán)境、結構、材料特點，開發(fā)相應的仿真分析及反分析計算模塊，結合實時監(jiān)測計算成果，開展混凝土關鍵熱學、力學參數的動態(tài)反演，以及典型壩段的動態(tài)仿真分析。

（7）用戶管理系統(tǒng)。主要用于錄入和顯示用戶各項信息，并按角色進行分類管理，根據角色不同進行不同權限分配，可通過地址及權限對數據進行實時訪問。

3智能溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)

根據混凝土壩防裂智能溫控系統(tǒng)的設計思路，系統(tǒng)實現(xiàn)包括以下4個部分。

（1）采用物聯(lián)網、自動測控技術實現(xiàn)大壩內部溫度計、溫度梯度儀、倉面溫度梯度儀、骨料溫度測試記錄儀、混凝土出機口溫度、入倉澆筑溫度測試記錄儀、小型氣象站、水溫傳感器、流量計、四通換向閥的數據自動采集和傳輸，建立自動化的大壩溫控監(jiān)測體系。

（2）數據資源層采用SQLServer作為數據庫管理系統(tǒng)，以SL323-2011《實時水雨情數據庫》，SZY302-2012《國家水資源監(jiān)控能力建設項目數據庫表結構及標識》等數據庫標準為依據，實現(xiàn)數據的統(tǒng)一存儲與管理。

（3）采用Java語言編程實現(xiàn)混凝土大壩防裂智能溫控系統(tǒng)的專業(yè)支撐模型，并封裝成Web服務，為智慧應用提供統(tǒng)一的標準化接口。

（4）智慧應用層采用JavaWeb的3層架構及MVC模式，運用Spring、WebService、MyBatis、React等核心技術，開發(fā)B/S模式的智慧應用系統(tǒng)，在保證技術先進性的同時兼顧實用性、經濟性、可管理性。

霍口水庫混凝土壩防裂智能溫控系統(tǒng)開發(fā)完成后，面向業(yè)務管理人員提供實時監(jiān)測、智能控制、仿真分析等功能模塊。以智能控制模塊為例展示系統(tǒng)實現(xiàn)效果，界面如圖7所示，通過界面左側的二級菜單和頂部的菜單欄可實現(xiàn)不同功能模塊的切換。智能控制系統(tǒng)運行后，將實時監(jiān)測與仿真分析相結合，為實現(xiàn)霍口水庫混凝土壩防裂溫度智能控制提供管理平臺支撐。

4結語

本研究依托福建霍口水庫工程開發(fā)建設，針對當前智能通水系統(tǒng)的不足，成功研發(fā)了一套大體積混凝土智能通水冷卻控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了硬件和軟件技術，實現(xiàn)了以下3個方面的目標。

（1）通過開發(fā)遠程控制模塊，實現(xiàn)對各類控制設備的集中管理，簡化了大壩工程澆筑過程的控制流程。（2）采用單條低壓供電電纜為冷卻水管控制設備供電，既保證了供電安全，又提升了施工安全性。（3）借助溫度應力仿真計算模塊，系統(tǒng)能夠實時模擬和分析混凝土溫度應力場，為通水冷卻過程提供精準的動態(tài)優(yōu)化與調整方案。

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（編輯：江燾，舒忠磊）

Design and implementation of intelligent temperature control system for crack prevention of roller compacted concrete dam in coastal high temperature area

CHEN Cheng （Fujian Mindian Investmentand Development Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 35OOo1，China）

Abstract：Inlightoftheisueswithexistinginteligenttemperaturecontrolsystem，suchaspoorflexibilityofcontrol strategies，high maintenancecostsand managementchallenges，wefocusedontheconstructionof rollercompacted concretedams inhigh temperature coastal areas，andusedadvanced technologies such as the InternetofThings，the Interet and system integration to developan intellgent monitoring system for temperature“perception-analysis-feedback\" throughout the concrete construction proces.The results showed that：from raw material pre-cooling，warehousing，pouring，watercoling tocuring，this process hadrealizedautomaticsensing，interconnection，analysisandcontrolofconcrete temperature information at allstages，ensuringa“known”and“controllble”working stateduring theconstruction periodof concretedams，significantlyreducingtheriskofcracking，andachievingthegoal ofsientificandeficientconstruction site management.

Key words：rolercompacted concrete dam；temperature monitoring；crack prevention；system integration；inteligent monitoring system