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“土”坝不土——华能糯扎渡电站大坝的智能化飞跃

时间:[2017-10-18 ] 信息来源:中国能源报
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  在奔流不息的澜沧江畔,一座宏伟的大坝巍然屹立在峡谷之中,它不仅是中国第一、世界第四大堆石坝,更是一座“智能”的大坝,一个充满活力的“生命体”。

  今年年初,糯扎渡堆石坝获“国际里程碑工程奖”,问鼎世界水电界最高荣誉奖。随着该坝型筑坝技术上的巨大成就在国际坝工界的里程碑意义得到明确,“数字大坝”也随之走入公众的视野中。

  记者在采访中了解到,所谓“数字大坝”,就是应用在大坝精细化施工管理上的一项科学技术创新项目和重要手段,属世界首创。它与大坝粘土心墙掺砾工艺结合,通过传输网络,对大坝填筑碾压的各项参数,进行全过程施工在线监控,形成了采料、运输、掺拌、填筑环环紧密相扣的“一条龙”管理模式,对大坝施工高标准、高强度、安全优质、规范有序起到了重要作用,对今后同类型300米级的高土石坝的快速和高质量施工管理具有重要的指导意义。

  糯扎渡大坝为人工掺砾直心墙堆土石坝,“土”坝因此得名。它高261.5米,坝顶长630.06米、宽18米,在同类大坝中排名“中国第一”,是世界上已建成的四座300米级特高土坝之一,也是华能集团开发建设的首座300米级土坝。

  土坝历来被认为是水工界最复杂的建筑物之一。糯扎渡大坝施工中,存在着很多在鲁布革、卡洪这样的堆石坝施工中从未遇到过的质量和安全难题。糯扎渡特高土坝建在澜沧江干流上,工程地处高地震区、高土坝、高水头、大库容、大泄流量、大填筑方量、坝基破碎带密集等特点,给设计、施工、管理面临众多的世界性难题。它的地震设防标准、泄洪流量、泄洪功率都位居世界特高堆石坝前列,河床水文地质条件和大坝结构复杂程度也是世界之最。

  同时,结合绿色环保理念,它还是世界上唯一采用地下洞室开挖料作为全坝粗堆石料、心墙掺砾料的特高土坝,施工中还面临着工程安全度汛、超大洞石群开挖、世界泄洪功率第一溢洪道施工等一系列关键技术难题。为了保证工程质量和大坝的绝对安全,在大坝建设之初,华能集团就提出:依托现代化信息和管理手段,建设糯扎渡“数字大坝”工程,在此基础上结合数字化监测装置研发实现大坝安全监测自动化。

  换言之,就是通过统一的三维系统模型、平台、接口,全面、准确、及时的采集覆盖整个大坝建设各专业、全过程的信息数据,实现坝料上坝运输、碾压质量实时监控、PDA施工信息实时采集、土石方动态调配和进度实时控制等工程综合信息的可视化管理。随着土坝填筑的不断上升,虚拟的“数字大坝”也不断成长。

  “数字大坝”系统可以实现数据的查询、分析、反馈和直观展示,从而为现场参建各方提供了信息交流和现场监控的高效平台。通过登录“数字大坝”系统,建设者可以直观的了解整个现场的施工情况,对大坝施工全程监控,并根据现场存在的问题采取相应的施工措施,促进各单位协同工作、快速反应。

  据中国工程院院士、华能澜沧江公司高级顾问马洪琪介绍,“数字大坝”管理系统的研发和应用,不仅提高了糯扎渡工程建设质量,还有效地控制了工程建设成本,该成果已荣获国家科学技术进步二等奖、云南省科学技术进步一等奖。

  他说,华能澜沧江公司在贯彻国家“走出去”战略进程中,将会把在国内大型水电开发中形成的先进技术成果和成功的技术应用经验,向其他国家和地区全面推广,在国际上树立起中国水电的良好形象。

   从“数字大坝”到“智能大坝”

  “智能大坝”以虚拟大坝的构建为核心,主要功能是以采集、展示、分析为主,以控制为辅。随着系统开发的深入,对大坝自动监测数据进行管理和整理分析、人工监测数据录入管理系统等为主的智能控制系统相继建成,实现了信息监测和控制的自动化、智能化,以糯扎渡水电站安全监测中心为主导的安全监测工作转由糯扎渡电厂大坝安全监测中心自主承担,完成了“数字大坝”向“智能大坝”的跨越,形成了以监测站自动化采集柜、现场管理站安全监测信息机房、监测中心站远程控制台等成套设备为核心装置的智能大坝安全监测数据自动监测、采集和观测的运行信息化平台。

  其中,安全监测综合管理系统+大坝预警系统是一个集网络、硬件、软件、项目合同各方为一体的智能化管理系统,需要在坝体内埋设成千上万只温度计、多点位移计、应力计等监测仪器,这些设备敷设就像人体的毛细血管和神经系统,将触角伸向坝体的各个部位,使高土坝具备数字化、信息化和智能化的“神经系统”,形成一个庞大的覆盖全坝的信息网络。

  大坝预警系统

  在系统建设初期,面对测点及仪器种类多、分布广、系统庞大、多系统集成难度大、自动化程度高等特点,糯扎渡电厂成立了党员攻关小组,围绕“创建智能高坝管理典范”目标,充分调研澜沧江流域、公司各电厂和国内大型电厂安全监测自动化系统建设现状,邀请美国专家现场指导,开展了大量深入细致的研究试验,在短短2年时间内,攻克了多系统开发集成、预警功能完善、高土石坝预警指标确定等十余个难题,确保“智能大坝”高效有序推进。

  “糯扎渡电站大坝是一座聪明的大坝,具有神奇的自愈功能。”糯扎渡电厂水库部主任字陈波这样比喻这套系统的自动化程度。

   这不只是一句空话。各类型仪器采集模块、MCU等智能控制核心装置与“大坝预警”结合,实现现场状态的感知、分析、控制的智能化,这就像是给运行中的大坝装上智能大脑,时刻知晓大坝的“身体状态”,真实把握大坝的“脉搏”。

  此外,该智能化监测系统基于物联网技术和大数据分析技术等,目前正在研发仿真分析、预警预控等功能模块。可以对大坝形变、位移等实施全方位的智能监控,确保大坝在保证质量与安全的前提下高效运转,实现高拱坝智能管控。

  糯扎渡大坝建立了一套全过程、全方位、全时程、全生命周期的仿真系统,10年、20年,甚至100年后,都可以通过仿真计算来掌握大坝的生命。

  据中国工程院院士、华能澜沧江公司高级顾问马洪琪介绍,糯扎渡大坝智能观测的提出、论证、设计、建设、运行过程,本身就是一个伟大的创新,而智能大坝是未来水电发展的大趋势,引领着世界高土坝的发展方向。

  糯扎渡大坝“智能“在哪里?

  糯扎渡大坝“智能“之处在于,管理大坝的技术人员能预知它的“头疼脑热”,能及时调整它的状态,让它始终处于健康状态。

  特高土坝智能化,是基于物联网“全面感知、真实分析、实时控制”的闭环控制特征,围绕特高土坝建设过程中面临的大坝基础灌浆、工程安全度汛等技术挑战,以新一代通信技术为支撑,集成物联网技术、移动通信技术、数据筛选分析技术、三维仿真技术、预警预判和决策支持技术、高精度定位技术,将筑坝技术数字化、信息化,实时感知关键控制点的工程数据,并通过业务协同一体化平台,开展基于真实数据驱动的高可靠度的进度仿真和全坝全过程的温度、应力、渗流等多场耦合的坝体坝基真实工作性态仿真,进行多方案的比选和预测分析,对技术施工、工作性态、进度质量等进行实时动态分析评价,动态优化调整控制。

  运用成套智能控制装备和控制系统,实现了大体积土坝施工质量的预报、预警与智能控制,混凝土通水冷却“早冷却、慢冷却、小温差”的实时、在线、个性化温控,解决了大体积土坝施工漏振、过振、欠振等质量控制难题,并实现了基础处理灌浆抬动、压力、流量、密度的现地和远程实时监测与控制,使大坝建设过程的全程可控,从而实现土坝运行科学有序高效。

  糯扎渡电站蓄水运行后,连续6年的监测成果表明,大坝各项指标均在设计允许范围之内,经过了6个洪水期、3次达到正常蓄水位的考验,坝体结构安全可靠,坝基及坝后总渗流量在每秒10升以内,远小于设计值每秒42.5升,心墙与坝基防渗效果良好,工程质量处于国内同类大坝最优水平。

  2015年11月,国家能源局大坝安全监察中心检查组对糯扎渡电厂进行了大坝安全注册登记现场检查,认定大坝安全状况和管理水平已具备安全注册登记条件,并对大坝安全运行管理工作表示高度肯定。2016年11月,大坝顺利通过首次安全注册,评定为甲级坝。

  墙内开花,香到墙外,2017年5月,糯扎渡大坝喜获堆石坝国际里程碑工程奖,奠定了大坝在国际坝工界的地位,向国际输出了“Made in 糯扎渡”的水电大坝质量品牌。

  智能大坝引领未来趋势

  在中国水电开发前线奋斗了一辈子的糯扎渡建管局总工程师戴益华曾亲手绘制了糯扎渡水电站的最初蓝图,全过程参与了糯扎渡大坝智能化建设项目。10年前,他调任糯扎渡建管局总工程师,糯扎渡工程是他“最疼爱的孩子”。

  他介绍说,新中国成立以来,我国建坝的第一个时代是20世纪五六十年代建成的密云水库,这座人工修筑的碾压式土坝体现了很多创新。第二个时代是葛洲坝工程,从人工筑坝转变到机械施工,集中全国科研力量进行攻关。第三个时代是三峡工程建设的自动化时代,管理上、技术上都有很大提升。

  “糯扎渡工程代表第四代,也是充分利用‘互联网+’技术,真正进入建设智慧大坝的时代,糯扎渡智能高坝管理在全国乃至全世界属首创,也必将成为智能高坝管理的典范和水电历史上的翘楚。” 他说。

  从实体大坝到数字大坝,再到智能大坝,借助现代化的信息和管理手段,糯扎渡电站实现了大坝建设的全方位控制与管理,取得一系列重大创新成果,保证了澜沧江干流上国家“西电东送、云电外送”骨干电源的质量和安全,并为制定特高土坝设计、施工和运行的技术规范,提供了详实的工程数据和实践经验,成为全世界高土坝建设智能化时代的引领者。