高海拔大温差地区大坝防裂智能监控关键技术研究与应用
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发表时间:2018-05-25 13:38

成果名称:高海拔大温差地区大坝防裂智能监控关键技术研究与应用

获奖情况:中国电力建设企业协会科技进步一等奖(2014年度)

任务来源: 中国水利水电科学研究院重点专项

华能西藏发电有限公司

水电水利规划设计总院

起止时间:20116月~201312

完成单位:华能西藏发电有限公司,中国水利水电科学研究院,水电水利规划设计总院,北京木联能工程科技有限公司

主要完成人:张国新、李小联、刘毅、胡平、刘有志、李超毅、范志勇、王振红、黄涛、张

主要研究内容:

一)以高海拔、大温差地区大型水电工程为依托,提出大坝混凝土施工期温控防裂与措施制定时需考虑的因素和遵循标准;系统研究了藏木大坝施工期温度和温度应力变化规律、抗裂指标及相关安全系数确定准则,制定了藏木大坝混凝土施工期温控防裂的标准与工程措施,提出了“九三一”温控防裂模式并在藏木中得以成功应用,形成了高海拔、大温差地区筑坝温控防裂相关技术导则,为以后编著国家级的高海拔、大温差地区的水工混凝土施工规范与设计标准提供了依据与实践经验。

二)提出了混凝土坝防裂智能监控的理论、方法与关键技术  

1)提出了智能监控的基本理念

基于大坝数字监控的理念,本项目组提出了智能监控的理念,有效克服了数字监控方法存在的不足,实现了施工期各种监测数据采集、传输、管理与评价的封闭式、自动智能处理;实现了大坝混凝土施工期工作性态的全过程实时监控;温控过程实现了全过程动态智能控制,建立了智能风险评估与预警平台。智能监控理念的提出,使得大坝的监控模式上升为智能监控,大坝的施工与工程质量安全管理水平有望迈上了一个新的台阶。

2)阐述了智能监控的目的、方法与内容

智能监控是指以大体积混凝土温控防裂和施工质量安全管理为根本目的,运用自动化监测技术、GPS技术、无线传输技术、网络与数据库技术、信息挖掘技术、数值仿真技术、自动控制技术,实现温控信息实时采集与实时传输、温控信息自动管理与评价、温度应力自动分析与反分析、开裂风险实时预警、温控措施实时反馈与自动控制等功能的系统监控方法。

3)解决了实现智能监控所需的关键技术问题

为了实现混凝土坝的智能监控,本项目解决了以下六个方面的关键技术问题:

与施工期智能监控相配套的实时安全监测系统的布设方法; 基于实时监测数据的混凝土温控效果实时评价方法; 施工期关键热力学参数反演方法; 基于实时监测资料的混凝土内部温度过程预测方法; 混凝土内部通水冷却智能控制技术; 混凝土表面开裂风险预警与干预方法

三)混凝土坝智能监控系统的开发

基于智能监控系统理论、方法与关键技术研究,综合利用自动监测技术、GPS技术、无线网络技术、数据库技术,本项目结合藏木、溪洛渡等重大工程研发了一整套智能监控系统(包括硬件和软件系统)。该系统按照监测、分析、反馈、预警、调控的工作流程,可以实现混凝土坝施工全过程工作性态的“可知”、“可控”。

本系统的开发分为7个模块,分别为:施工与监测信息采集模块;施工与监测信息传输模块;信息管理与施工效果评价模块;温度与应力仿真分析与反分析模块;智能通水模块;智能保温模块;预警报警信息发布模块。

各个模块进行系统集成,集成的系统中包括硬件设备和软件系统,组成了智能监控系统的整体管理平台,是一种集成创新。

主要创新点:

(一)以高海拔、大温差地区大型工程为依托,首次提出了大坝混凝土温控防裂与措施制定时需考虑的因素和遵循的原则;系统研究了藏木大坝施工期温度和温度应力变化规律、抗裂指标及相关安全系数的控制标准,优化分析并制定了藏木大坝混凝土施工期温控防裂标准与工程措施,提出了“九三一”温控模式,形成了高海拔、大温差地区筑坝温控防裂相关技术导则,为以后编著国家级的高海拔、大温差地区的水工混凝土施工规范与设计标准提供了依据与实践经验。

(二)首次提出了混凝土坝智能监控的内容与方法,解决了实现智能监控方法所需配套的监测系统优化布置、基于实测资料温控和防裂效果评价、关键热、力学参数字反演分析、内部温度反演分析、和混凝土表面开裂预警与干预方法等六大关键技术难题;研发了包含施工与监测信息采集与传输、信息管理与施工效果评价、温度与应力仿真与反馈分析、智能通水控制、智能保温和预警报警信息发布等七个功能模块在内的智能监控系统(包括硬件和软件),为智能监控方法在工程中的应用提供了一个系统管理与控制平台,是一种集成创新。

(三)智能监控系统首次在高海拔大温差地区藏木工程中得到成功应用,实现了大坝混凝土施工期工作性态的实时监控与风险预警。利用温度与应力仿真与反馈分析模块,及时提出许多有效的优化温控防裂措施与建议,得到工程的采纳;智能通水模块的采用,使得大坝混凝土通水冷却全过程智能控制首次在高海拔大温差地区得到实践应用,现场通水冷却完全按照理想的方式降温,大坝混凝土的温降速率、上下层温差、内外温差均控制在允许的安全范围之内。智能监控系统各个子模块的联合应用为确保藏木大坝工程施工质量、实现三期截流节点工期、保障大坝长期安全运行做出了突出贡献,创造了显著的经济效益和社会效益。

工程应用:

1)应用情况

在藏木大坝建设过程中,中国水科院的研究团队利用自主研发的智能监控系统对藏木大坝的实际施工效果进行了跟踪仿真与安全评价,对大坝施工期各个典型阶段的工作性态进行了实时反馈分析与实时评估,对施工过程所采用的温控措施及标准根据实际情况进行了及时的修正,对大坝三期截流前面临的安全风险进行了实时预警,并提出了应对风险所应采用的措施与方案,成果为公司采纳。

本项目所开发的混凝土防裂智能通水控制系统也得到工程的采用,实际运行结果表明,大坝后期温降过程一直保持在一个可知、可控的范围之内,为大坝提前一月达到设计要求的接缝灌浆温度,顺利实现大坝三期截流提供了重要保障。

2)经济效益

经测算,藏木大坝混凝土质量合格率100%,优良率超过90%,本项目的研究成果为保证藏木大坝施工期与三期截流前工作性态“可知”、“可控”提供了有效的工具,对藏木大坝施工质理及运行安全性提供了重要保障,具有重要的意义,经济和社会效益巨大。采用该研究成果,在跟踪评估工作性态的基础上,大坝混凝土施工期无危害性裂缝产生,三期截流工期提前1个月,经测算,综合考虑① 提高冷却效率,减小冷却时间,降低通水冷却成本② 减小裂缝数量,降低裂缝处理成本③ 提前蓄水发电经济效益三个方面的成本,累计效益可达6222.8万元。

3)社会效益

我国已经迎来了一个混凝土坝建设的高峰时代,无论规模和数量都超出现有世界水平。随着经济的发展,对于水电枢纽的安全性会越来越关注。混凝土坝的高质量建设和安全运行,是我国工程师和科研人员必须面对的前所未有的重大挑战和难点问题,深入开展相关关键科技问题的研究,建立一套可靠的安全监控和智能控制理论方法和系统已经势在必行。

本项目紧密结合高混凝土坝建设和蓄水运行的需要,立足国际学科前沿,提出了一整套混凝土坝智能监控和智能控制的理论和方法,研发了混凝土坝施工期智能监控系统,研究成果在数座高混凝土坝工程中应用。这些研究成果为提升我国混凝土坝建设与运行的安全监控水平奠定了基础,必将提升我国高混凝土坝的安全保障水平。

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