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大坝里有个神奇的智能“芯”

中国能建葛洲坝勘测设计公司大体积混凝土智能温控系统研发应用纪实

时间:[2016-12-29 ] 信息来源:中国能建集团公司
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  日前,锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝获“最高的大坝”吉尼斯世界纪录称号。对于高达305米的拱坝来说,如此高度对大坝混凝土温度控制、避免出现裂缝提出了极高的要求。中国能建葛洲坝勘测设计公司所属试验检测公司研发并应用其中的智能温控系统为控制大坝裂缝、保障大坝安全立下了汗马功劳。
  智能温控系统可以仿人工智能调节施工期大坝内部冷却通水量,确保混凝土温度缓慢匀速下降,大幅降低混凝土高温引发的开裂危险。2014年5月,在北京举行的科技成果鉴定会上,该系统得到了数十位行业权威的好评,中国工程院院士郑守仁等与会专家一致认为“这套系统总体达到了国际领先水平,具有广阔的推广应用前景”。
  那么,这套系统究竟有什么奥秘?它的技术领先又是如何体现的?带着这些问题,记者采访了智能温控系统的研发团队。

  智能感知“冷暖”

  对混凝土坝来说,裂缝是最危险的“敌人”。大体积混凝土在凝固过程中温度会上升至高达五十多度,继而又会冷却,如果对温度不加以控制,过大的内外温差就容易在坝体留下缝隙。数百米高的大坝背后有巨大的水压力,可以轻易将缝隙撕裂开,危及大坝的安全。冷却通水是解决上述问题最重要的手段之一,在混凝土内部埋设水管,通入低温水,带走水化热,可以有效避免裂缝的产生。
  “随着无线网络和人工智能技术的发展,我们设想引进智能控制技术解决通水工作。”谈及研发的初衷,试验检测公司总工程师、国务院特殊津贴专家谭恺炎说。
  谭恺炎还向记者展示了智能温控系统3D演示视频。记者看到,系统能自动感知混凝土“冷暖”,在坝体内埋设的温度采集装置能自动采集混凝土温度,服务器将实测温度与预设的混凝土温度变化过程线进行对比,然后向无线控制终端发出通水控制指令。
  如果将混凝土看成是“人体”的话,当混凝土温度高于预设值并有“发烧”趋势时,系统将打开冷却水管的电动阀通水降温,否则关闭阀门,使混凝土在预设温度线的导引下降至规定温度,实现合理的温度场分布。
  该公司副总工程师、系统通水算法发明人陈志远介绍说,电动阀门受无线控制终端的控制,根据无线控制终端所接收的指令执行开阖操作,以此控制通水流量。
  系统将实测温度与电动阀门的开合直接联系起来,直接用温度指标进行控制,省去了之前流量测量的中间环节,更加简捷高效。陈志远说:“系统可根据控制要求,将原有冷却通水的阀门控制由每天一至两次,提高到每4个小时或2小时一次,保证了混凝土内部温度的控制质量。”
  记者了解到,在锦屏水电站坝体中埋下了四千多支温度计,可以远程实施温度测量和控制。“每一天降温幅度不超过0.5度,到中后期还要以每天0.3度进行控制。只有精确的降温,才能真正达到避免混凝土开裂的风险。”试验检测公司研发工程师陈军琪说,他还向记者展示了8条温度控制过程线,实际温度与预设温度均达到了高度吻合。
  智能温控系统开创了施工期温度自动控制的先河,整个系统已历经三次升级换代。令人欣喜的是,目前该系统已取得授权发明专利5项,实用新型专利11项,计算机软件著作权4项,发表专业论文4篇。

  无线远程操控

  长期以来,大体积混凝土施工期温度控制从温度采集到冷却通水控制各个阶段都停留在人工操作层面。这种模式下,作业人员每天需要往返几次赶往现场,为到达测量点和控制点,需要在施工区域的模板和坝块之间上下攀爬。还要对每一支温度计进行接线、读数和记录,对每一根水管都需要进行流量测试和阀门调节。大坝规模越大,温度计和水管则越多,每一轮的测量和控制都让人筋疲力尽。
  不仅如此,面对浩繁的工作,作业人员每天长时间停留在施工区域内,经受着严寒酷暑的考验和各种危险源的威胁。
  “人工测量还常常会出现凭经验办事的情况,存在数据真实性的问题。而且人工控制及时性差,降温速率如果控制不好,对坝体是极大的伤害。”陈志远坦言。
  智能温控系统的出现,对作业人员来说是一种“福利”。它使测量和控制实现了“自动化”和“精准化”,将作业人员从繁重的劳动中解放了出来。温控也不再是最累最危险的岗位,拥有该系统,无论身处何地,都可以通过电脑、手机等终端进行远程操控。
  “畅享精准便捷温控,这就是系统最大的特色。”陈军琪说道。

  社会效益显著

  目前,智能温控系统已在锦屏一级水电站、大岗山水电站等重大工程中得到大面积应用,有效避免了人工操作带来的质量安全风险,生产效率显著提高,为施工带来了便捷的服务。
  就锦屏一级水电站而言,作为世界上已建成的最高双曲拱坝,它被水电界公认为施工布置难度最大,工程技术难度最大、施工环境危险最大的巨型水电站。其地质条件复杂,海拔高、昼夜温差大,精确降温是必须要攻克的难关。
  锦屏一级水电站进行了4.5米升层混凝土浇筑,相比于一般的3米混凝土升层来说,每仓混凝土方量增加了近2000立方米,其混凝土水化产生的热量显著增加,加大了温控的难度。而且温控作业人员要克服恶劣的施工环境进行人工测量,效果也会很差。
  在这种情况下,该公司研发团队将该系统引入到锦屏一级水电站,混凝土按照预设温度降低到规定温度,不仅没有产生裂缝,而且加快了施工进度,切实保证了工程质量。据资料显示,该系统在大坝浇筑总体完工时间提前5个月中占有25%的贡献率,折合经济效益2.8亿元人民币。
  随着大体积混凝土施工对温度控制质量要求的不断提高和混凝土工程施工技术向自动化、智能化方面发展,该系统将会在特大型水电工程、建筑工程、核电工程、大型民建等工程混凝土施工中得到广泛应用,为工程质量安全保驾护航。
  科技创新是企业发展第一动力。葛洲坝勘测设计公司正大力推广智能温控等系列具有广阔应用前景的技术,培育新业务,实现新增长,以科技创新驱动可持续发展。