成都院：第一智能高坝溪洛渡水电站的诞生

电力18讯：

远眺溪洛渡水电站，巍巍拱坝横贯金沙江，“坝”气十足。

大坝为超高薄壁拱坝，工程地质条件复杂，施工与质量控制难度大。如何有效解决高拱坝施工建设的诸多难题，保证蓄水、发电目标的顺利完成，摆着建设者们的面前。

高难度工程需要高水平控制技术和手段。高混凝土坝施工过程智能控制技术孕育而生，采用物联网等新兴信息技术，研发物联网智能监控设备及配套信息系统，结合计算机仿真技术实现混凝土坝施工质量与施工进度的智能双控。

成都院数字工程与信息中心承担了这个课题研究。

“大坝怎么浇，电脑早知道”

让我们先来看看施工进度智能控制的原理和作用。

尹习双解释说，进度控制，就是依靠“施工仿真”，通过模拟大坝施工在水文气象、坝体结构、施工机械、施工资源、工期规划、施工技术要求、施工组织水平等众多约束条件下的大坝施工全过程，研究大坝施工不同阶段制约进度的关键因素，从而有针对性的提高施工效率、优化施工组织、纠正进度偏差。

“施工仿真技术具有考虑全面、分析效率高、不干扰原型系统运行、直观的优点。”数字工程与信息中心专总邱向东这样总结到。

混凝土坝施工仿真技术曾在二滩、三峡等工程中发挥了重要作用，被陆佑楣院士大力赞扬，并被誉为“大坝怎么浇，电脑早知道”。在溪洛渡建设过程中，将混凝土坝施工仿真技术与现代筑坝技术的发展、物联网技术的研究应用、数字大坝技术相结合，针对混凝土高拱坝温控应力的个性化控制要求和大坝不同施工阶段的进度控制特点，提出了基于物联网技术的高可靠度施工仿真技术及系统，在现代高拱坝建设过程中再次创造辉煌。

成都院在溪洛渡运用施工仿真技术较早，在2002-2009年间的设计阶段中，就利用该技术，为工程施工总布置、工期规划、温控防裂、导流度汛等各类专题提供了大量科学分析论据。

2009年初大坝基坑开挖完成，大坝建基面需要调整，混凝土浇筑开始时间比合同工期滞后约11个多月，工程工期和预定发电进度目标面临巨大挑战。分析开挖进度滞后对大坝混凝土浇筑工期的影响，如何调整和优化施工资源以提高施工效率，如何在施工过程中动态控制进度偏差，建设者们需要在快节奏施工中迅速做出准确、科学的决策，施工仿真技术成为了首要选择。

当年年底坝基混凝土开始浇筑，成都院研发的溪洛渡混凝土坝施工仿真系统也正式投入应用，动态仿真与分析服务工作持续至蓄水发电，从未间断。通过仿真分析，提出增加一台30吨缆机、优化混凝土层间间歇期、采用无盖重固结灌浆、一条龙无缝转仓等措施，均被现场采用，取得显著效果。

值得一提的是，在这个关键时刻，成都院三维协同设计这一核心技术派上用场。利用三维精确建模与地面激光扫描雷达技术开发的溪洛渡坝区三维地质模型，直观而精确展示溪洛渡坝肩及基坑复杂地质情况，为溪洛渡数字大坝系统研发、大坝应力研究提供基础模型，从而有力支撑了溪洛渡智能大坝的建设。

2009-2013年期间，数字工程与信息中心利用施工仿真技术对溪洛渡大坝施工过程进行跟踪研究，共提交了58份仿真分析报告，参加十多次仿真分析专题会议，紧密结合现场实际提出科学建议和措施，采用仿真技术与参建单位一起克服了固结灌浆与基础处理、高位导流底孔施工、2011年导流度汛、深孔钢衬施工、深孔脱开区浇筑、缆机连续高强度施工与主索疲劳故障、表孔施工等众多关键部位施工中的种种困难，使得溪洛渡在前期施工进度严重滞后的情况下，于2013年6月初实现了首台机组发电的预定目标。

“大坝防裂，溪洛渡创造了奇迹”

溪洛渡工程规模大，举国关注，如何保证工程的建设质量，不仅业界普遍关心，更是成都院必须直面的问题。

与重力坝相比，拱坝特别是高拱坝的结构、受力情况极为复杂，整个施工过程中，坝体的受力状况都在不断调整。这些特点，给拱坝的施工质量控制带来很大挑战，因此，拱坝也被认为是水工界最复杂的建筑物。陆佑楣院士曾表示：“拱坝是真正培养工程师的地方”。

高混凝土坝施工过程智能控制技术的质量控制系统有了用武之地。

研发系统的钟桂良博士介绍说，施工质量智能控制技术，实质是物联监控技术，采用物联网终端设备对施工中混凝土生产、运输、平仓、振捣过程进行精细化实时监测，进一步对影响施工质量的各关键控制参数进行智能跟踪分析，及时反馈至物联网终端设备调整施工参数，并向施工人员和管理人员发出预警，以控制工程施工质量。

钟博士个子不高，瘦瘦弱弱，却透着一股韧劲和钻研劲，平时比较内向，但一谈到他和他团队研发的控制系统，话就多起来了。

他举了个质量控制的生动例子。

300米级拱坝混凝土防裂一直是世界水电界关注和研究的重点和难点，也是我国此类拱坝设计建造能否成功的重要因素。

潘家铮指出，溪洛渡大坝混凝土施工防裂是第一位的，要以防止一切裂缝为努力目标。

混凝土裂缝是水电工程的一大“顽症”。在水电界，一直有“无坝不裂”的说法。导致大坝混凝土开裂的原因有很多，其中最主要的原因是混凝土水泥水化热引起的内部温度变化和温控措施不当。然而，三峡三期工程却成功创造了混凝土大坝无裂缝的先例，被潘家铮誉为“创造了奇迹”。这说明，只要施工质量控制好，大坝混凝土裂缝是可以避免的。

以往，一般采取人工冷却的方式来给混凝土降温，智能冷却通水系统让这一沿用多年的传统工序实现了前所未有的革新。

混凝土的温度变化有其独特的过程曲线，只有让冷却温度按照这条曲线发展，才能保证混凝土的施工质量。若采用人工控制水量、水温的方式，来保证温度曲线正常发展，需要投入大量的人力，也存在一定的随意性。如前文所述，溪洛渡大坝埋设了各种监测仪器，温度计是其中数量较多的一种。智能冷却通水系统则通过预埋在混凝土里的温度计，实时掌握各部位混凝土的即时温度，系统实时读取这些温度数据，结合混凝土冷却阶段，经过自动计算分析，自动调节通水流量，让混凝土温度随着曲线发展，实现了冷却过程的完全智能化，不需要人工调整。

数据显示，截至2014年3月，溪洛渡拱坝坝体混凝土最高温度的仓次符合率达到91.3%，远远好于人工控制效果，各降温阶段的降温速率满足设计要求，混凝土实际温度变化曲线与设计温度过程曲线基本重合，大坝防裂方面，可以说溪洛渡也“创造了奇迹”。

“再也不用担心操作不规范了”

除此之外，2012年，成都院以混凝土振捣质量监控为突破点，开始对混凝土坝施工质量智能控制技术开展研究，结合混凝土重力坝工程实际，分析了基于物联网的振捣质量监控的实际需求和技术现状，提出了技术与实施方案，并通过现场试验，验证了混凝土振捣物联监控的技术可行性。

2012年至2014年，受业主委托，成都院针对溪洛渡高拱坝的特点，深入研究基于物联网的高拱坝混凝土施工质量智能监控技术，并开展应用，范围包括生产运输全过程（包括侧卸车与缆机）监控、仓面作业（包括平仓机、振捣机与手持式振捣器）监控。

通过对溪洛渡施工现场调研，针对溪洛渡高拱坝的施工特点研究高拱坝施工质量智能监控技术，策划并落实智能监控技术方案，通过一年多的产品研发与生产性试验，形成了完整的混凝土坝施工质量监控系统。对35个仓面进行了监控试验，有效辅助现场管理人员管控大坝施工质量，取得了良好效果。

系统借助二维图表与三维可视化相结合的数据查询、分析，解决了繁杂的数据采集、统计和分析工作；同时，使得现场生产数据及时准确、完整真实地反馈到管理层，使各级管理人员能迅速、准确地掌握到第一手数据资料，及时了解现场生产情况，并为决策层提供数据和辅助分析，为有效指导管理施工奠定基础。施工任务指令、机械及工作面即时状态一目了然，混凝土施工过程中出现的不规范施工作业，系统会及时提示操作员，从源头杜绝质量隐患。系统也得到了施工方一线工人的赞许，他们“再也不用担心专家批评操作不规范了！”

2014年6月，水电八局在溪洛渡成功钻取一根直径为219毫米、长度为20.59米的常态混凝土芯样，为国内第一长芯。本次取出的长芯，表面光滑细密、层间结合良好、骨料分布均匀，充分显示出大坝混凝土的良好胶结性，用事实证明溪洛渡大坝混凝土质量堪称完美。完美的背后，自然有施工质量智能控制的一份功劳。

溪洛渡大坝的建设过程经历了建基面开挖调整、基础处理工程量增加、固结灌浆难度加大、技术要求及设计方案的变更、复杂结构部位的施工等众多挑战，过程智能控制关键技术的应用为科学管理工程进度与施工质量提供了有效的决策分析支持和管控技术保障。

“建基面开挖调整影响工期，通过智能技术的应用及参建各方共同努力，挽回近一年工期，按大坝施工5年，年平均投资约100亿元，贷款利率6%计算，就节省财务成本、增加利润约6亿元，同时该技术的成功应用对工程建设管理水平提升起到积极推动作用，社会和经济效益显著。”钟博士激动地说。

钟博士却一直不愿谈及他们在混凝土施工质量智能监控系统实施过程中的艰苦付出，保持着成都院人一贯的低调朴实、甘于奉献的作风。

为减少对施工的影响，尽快完成系统调试，尽量多监控施工仓面，项目组加班加点开展工作。成员早出晚归，中午在现场吃泡面、面包解决温饱问题，以锲而不舍的精神攻克遇到的技术难题，按期完成监控系统设备安装调试及系统优化工作。因长期在工地吃泡面，项目组成员提到泡面就反胃，大家戏称智能监控系统是“方便面泡出来的”。

耕耘之后，收获颇丰，这是给勤劳者的奖赏。

2014年6月，在四川省科技厅组织召开的技术鉴定会上，马洪琪、郑守仁、张超然、谢和平4位院士及水利水电、计算机仿真等多领域权威专家鉴定认为，混凝土坝施工过程智能控制关键技术是大坝混凝土施工质量控制的重大创新，处于世界领先水平。