雅砻江流域水电工程智能建设探索与创新

2021-01-13王继敏，程晓攀

四川水力发电 2020年6期

王继敏，程晓攀

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610051)

0 引言

为保障工程全生命周期安全，水电建设者一直在探索更好的工程技术和更有效的建造管理方法。随着时代进步和社会发展，水电工程在注重生态环境、水库移民以及工程技术和管理创新的基础上，运用当前最新科技和管理方法，有效应对工程变化，实时掌握工程建设主动权，更好地达成建设目标。

关于水电工程，其建设技术方法的发展历程包含人工化、机械化与计算机化、数字仿真和信息化、智能建设4个阶段[1]。

智能建设阶段的重要特征即开展仿真计算，在线建设管理及预警控制，对关键工艺开展智能化监控，集智能化建坝技术和管理模式为一体，实现大型水电工程安全优质高效建造[2]。在智能建设方面，雅砻江流域水电开发有限公司(简称“雅砻江公司”)已经摸索出一整套行之有效的经验，供同类工程建设参考。

1 雅砻江流域开发难题与创新

雅砻江干流从甘孜到攀枝花长达1 571 km的雅砻江河段，规划有22座水电站。流域水电项目具有超300 m特高拱坝、300 m级砾石土心墙堆石坝、120 km超埋深长大隧洞群、700 m级高边坡群、超300 m大跨度地下厂房洞室群，多项技术指标位于世界前列，综合技术难度前所未有。

面对雅砻江流域水电工程建设环境复杂、施工条件变化等技术与管理挑战，雅砻江公司通过“产、学、研、用”协同创新的现代水电工程建筑技术，并与当代通讯技术、信息技术及数据技术相结合，对工程建设中的资源要素、结构性态、管理程序、进度计划进行实时动态分析和耦合仿真预测，构建大型水电工程智能建造管理平台，大幅度降低了工程建设过程中人的不确定行为、物的不确定状态、环境的不确定因素及管理缺陷，使数据传递更加广泛快捷，工程决策更加科学及时，项目管理水平和效率显著提升，以实现工程建设的创造价值。

雅砻江公司于2009～2014年期间在锦屏工程推行智能温控系统和监测自动化，取得成功经验；从2015年至今在杨房沟工程持续开展基于BIM系统的智能建造探索，同一时间在两河口工程深度开展从数字大坝到智能大坝建设的实践，均取得了预期的成果。

2 锦屏拱坝施工实时监控和智能温控系统

2.1 锦屏一级水电站工程简介

锦屏一级水电站地处四川省盐源、木里2县交界，坝高305 m，高度位居世界首位(图1)。水库总库容达77.6亿m3，总装机规模达3 600 MW，拥有年调节性能，是雅砻江下游河段龙头水电站。项目已于2013年投产发电，2014年竣工。

图1 锦屏一级枢纽平面布置图

2.2 锦屏拱坝全过程施工质量和进度实时监控与仿真分析

雅砻江公司开发了锦屏大坝混凝土施工质量与进度实时控制系统，实现了混凝土施工仓面信息、混凝土原材料检验信息、混凝土试验检测信息、混凝土生产信息、缆机运行信息、坝体混凝土温度信息、灌浆信息、施工进度信息等与质量和进度紧密相关的信息实时采集、传输、储存、共享与反馈分析，开展了全坝全过程的实时质量监控和施工仿真与反馈分析。

通过拱坝施工实时监控和仿真分析技术，雅砻江公司对拱坝安全可实现实时评价。系统集成工程全过程施工监控信息，采用真实性态仿真分析方法，有效指导了拱坝建设。工程建设中根据工程实际需要，雅砻江公司同步开展了固结灌浆方式优化、陡坡坝段混凝土浇筑方式优化、接缝灌浆同冷区高度优化等；2012年仿真分析预警了拱坝下游面开裂风险，提前开展上游充水，保障了拱坝施工期安全。

2.3 锦屏一级水电站拱坝智能温控系统

锦屏一级特高拱坝具有坝体厚度大的特点，在相同灌区高度条件下约束系数增加，坝基两岸坡度陡，结构孔洞多，坝区昼夜温差大，存在温控风险。为此，雅砻江公司在锦屏一级拱坝混凝土温控防裂技术研发及控制方面，根据工程特点，结合科学研究和现场深化试验，创新实践了智能温控系统，避免大坝出现裂缝。

2.3.1 全过程温控仿真分析与反馈

在锦屏拱坝混凝土开始浇筑伊始，雅砻江公司即与科研单位、设计单位共同对大坝混凝土年、季、月排仓计划进行温控仿真分析演算，分析成果定期在温控周报和温控周会议上通报，第一时间用于指导现场温控工作。

同时，针对在温控工作中出现的大坝孔口闸墩混凝土温升偏高等问题，通过仿真分析，提出有针对性的技术要求，经过设计复核，以设计文件形式确定处理措施。例如，12号坝段泄洪深孔钢衬第一仓由于一级配混凝土浇筑太多，发生最高温度超过设计要求的情况，针对该仓和周边仓位的温控过程，仿真分析提出将中期冷却时间从28 d延长至42 d，中期和二期冷却的降温速率分别由0.5 ℃/d和0.3 ℃/d调整为0.2 ℃/d，现场按照此要求执行并在浇筑过程中加强孔口保温，严格控制温差，最终混凝土没有因为最高温度超标而出现裂缝[3]。

此外，雅砻江公司对大坝浇筑开展了仿真计算，解决了多项关键技术问题，如拱坝封拱时机的选择，蓄水高程与拱坝横缝压缝关系论证以及拱坝三大高差控制标准研究等，该针对关键技术问题的科研成果都为锦屏工程建设、管理、决策提供了理论支撑。

2.3.2 大体积混凝土温度自动采集系统

为全面监控大坝温度场，锦屏大坝首次在每仓混凝土中均埋设了3支以上的温度计，全坝共埋设3 967支，温控观测的频次高。为了更加高效、准确和及时地掌握混凝土内部温度，雅砻江公司组织研发并实施了大坝施工期混凝土温控监测自动化系统。该系统包括塔式服务器、通讯光纤、信号转换设备、DAU2000分布式数据采集单元、NDA数据采集模块、自动化监测专用电源线及RS485通讯线等，混凝土浇筑块中的温度计在埋设12 h内即接入自动化监测系统，开展实时监控。

2.3.3 大体积混凝土温度智能控制系统

为有效控制大体积混凝土温度，常运用冷却通水降温的方法。传统的冷却通水系统工作方式耗费大量人力，且人工操作可能存在漏测和漏调整，同时，指令的调整和执行周期较长，难以满足日趋严格的拱坝温控设计要求。

锦屏一级水电站大坝大量采用4.5 m升层，混凝土温控防裂的要求相应更高。鉴于此，雅砻江公司组织参建单位开发并推广、实施了大体积混凝土施工期温度智能控制及智能冷却通水信息反馈与自动控制系统。该系统根据设计要求的温度控制过程参数，预设温度控制过程线，将大坝混凝土温度采集系统采集到的混凝土实际温度与预设的控制温度进行比较，高于预设温度即进行通水降温，否则，停止通水，每4 h产生1次指令。通水和停止通水的指令通过服务器端的智能冷却通水程序自动计算产生，通过无线局域网传输指令，以冷却通水无线控制终端接收指令并控制电动球阀执行指令。

2.3.4 智能温控实施效果

锦屏一级大坝在共计1 496仓混凝土(其中4.5 m升层厚度仓544仓)中，有1 423仓使用了智能温控系统进行冷却通水。各仓中，最高温度合格率达98.96%，降温速率符合率99.5%，一期、中期和二期冷却历时合格率约为97.95%，温度回升合格率95%，内部温差合格率98.5%。

经过6年工程蓄放水、循环加载和卸载的检验，大坝没有发现温度裂缝，大坝边坡、坝基变形稳定可控，大坝变形应力满足设计要求，拱坝弹性良好，整个工程处于良好运行状态，见图2、3。

3 杨房沟水电站基于BIM的智能建造系统

3.1 杨房沟水电站工程简介

杨房沟水电站地处四川省木里县，系雅砻江流域中游重点水电站。库容4.6亿m3，装机容量1 500 MW，拥有155 m高的双曲混凝土拱坝，项目计划于2021年投产发电，2022年竣工。

3.2 杨房沟设计施工BIM管理系统

杨房沟水电站在建设过程中使用设计施工总承包模式，从招标阶段就对利用信息技术提高效率、提升管理水平提出了高标准、高要求，充分利用“大数据”“云计算”“人工智能”等先进信息化技术，通过智能建造关键技术的研究和快速、全面推广应用，进行技术攻关和创新应用探索，打破水电工程在传统工程建设、管理环节中面临的观念转变难、效率提升慢的困境[4]。

图2 锦屏一级大坝智能冷却通水温控曲线

图3 锦屏一级蓄水过程中大坝拱冠梁径向变形时间曲线

杨房沟水电站项目智能建造以实用性和可执行性为基本原则，充分考虑多维建筑信息模型(BIM)技术与项目施工管理的密切结合，通过三维可视化技术以及模拟仿真建造，实现建筑工程从深化设计到多专业协同、从工艺模拟到进度模拟、从辅助技术方案到商务管控、从总承包管理到运维信息管理的数字化、网络化、智能化。该系统为行业首个集设计、采购、施工为一体的管理系统。

3.3 拱坝施工仿真实时控制、智能灌浆与智能温控

3.3.1 拱坝建设仿真与进度实时控制分析系统

针对杨房沟高拱坝施工特性，根据现场实际边界条件的改变，动态修正仿真模型参数及逻辑关系，雅砻江公司运用智能建造系统实现对大坝施工进度的实时控制分析。通过一段时间的运行，拱坝建设仿真与进度实时控制分析系统实现了对大坝施工进度的实时监测和反馈控制。

3.3.2 工程地质三维建模与灌浆监控系统

杨房沟工程地质三维建模与灌浆监控分析系统通过对杨房沟大坝三维精细地质模型、灌浆孔数字模型、水工建筑物模型进行动态集成可以建立大坝岩基灌浆统一模型，该模型可为灌浆工程提供一个全新的综合分析平台。系统通过数据接口实时获取灌浆记录仪的数据，保证系统不受复杂地形、气候和人为因素的影响。在此基础上，系统能够根据所采集的数据自动生成并下载多样化的图表。

3.3.3 大坝混凝土智能温控系统

为保证拱坝混凝土施工质量，避免出现裂缝，雅砻江公司从全坝段全面温控要素实时自动化采集、重要温控指标自动评价预警、无线传输技术应用等方面进行优化并对相应软硬件全面升级。杨房沟水电站智能建造平台结合三维模型，将温控系统中的关键数据接入杨房沟水电站智能建造温控模块进行展示。接入数据包括大坝混凝土分仓信息、混凝土出机口温度、入仓温度、通水冷却情况(是否通水、通水流量、通水方向、出入口水温)、各仓动态温度、温控阈值、温控报警信息等。系统的研发和运行，对杨房沟水电站混凝土温控防裂和确保大坝质量起到了至关重要的作用。

4 两河口水电站从数字大坝到智能大坝

4.1 两河口水电站工程简介

两河口水电站地处四川省雅江县，系雅砻江流域中游“龙头”水电站，也是可多年调节的电站，拥有高295 m的堆石坝，库容101.54亿m3，装机规模为3 000 MW(图4)。

图4 两河口水电站枢纽平面布置图

4.2 两河口水电站数字大坝建设

两河口水电站拥有295 m国内最高土石坝，坝体填筑方量4 160万m3，大坝施工难度大。鉴于此，雅砻江公司开展了数字大坝建设，该系统主要包括堆石坝填筑碾压质量自动监测与反馈控制系统、施工信息PDA采集反馈控制系统、灌浆信息监控分析系统等组成部分。

在数字大坝建设过程中，施工信息PDA采集与反馈控制系统，主要是通过手持PDA对现场试验数据、碾压机械信息、上坝运输等信息进行采集，上报数字大坝系统用于分析管理。灌浆信息监控与分析系统主要是通过自动灌浆记录仪的数据接口采集大坝基础灌浆信息，及时分析灌浆施工过程参数，作为灌浆验收的材料。

4.3 两河口水电站智能大坝建设系统

两河口水电站位于高寒地区，人工作业降效明显，施工质量控制难度较大。因此，雅砻江公司为了确保大坝优质高效施工、打造优质精品工程，提出了两河口水电站从数字大坝过渡到开发智能大坝系统并联合天津大学研究并实施两河口大坝填筑智能碾压系统(简称“两河口智能大坝建设系统”)，对该体系在智能建设过程中进行智能调控和实时动态评估。

两河口水电站智能大坝建设系统优化了坝区无线通讯网络，采用多星高精度定位技术，有效提升了高山峡谷地区定位的精度与稳定性。创新研发了坝料摊铺厚度实时监控系统、土料掺拌工艺监控系统，将事后控制提升为事中控制。应用人工智能、图像识别、实时感知等技术，针对土石坝的施工质量控制，避免了人工碾压作业的不规范和质量控制难点，更好地保障了填筑质量，降低了施工成本，是水利水电工程智能建设技术的新突破，对降低人工劳动强度、提高施工效率和保证工程质量等发挥重要作用。

4.3.1 智能碾压系统建设目标及架构

两河口水电站智能大坝的目标，是要实现碾压机的远程控制、自动循迹、智能避障等功能，实现无人碾压机群协同作业。

智能大坝在数字大坝的基础上，包括施工方案的优化设计层、碾压作业智能规划层和碾压机械无人驾驶执行层，相应具备了策略规划、执行行动和自我学习进化的能力。

为了做到自动驾驶，现场对两河口水电站碾压机械设备进行了改造，改造后的无人碾压机包括激光测距、毫米波雷达、超声波传感器、工业相机等感知系统和数传天线、差分天线、GPS接收机等通信传输系统，还包括各种处理器工控机等设备上的计算中枢以及电动方向盘控制器等行动执行装置。这些系统整体协同发挥作用，做到无人智能碾压[5]。

4.3.2 智能碾压系统生产性试验

在智能大坝正式投入运行前，现场已经开展生产线试验200余次，通过生产性试验发现问题并不断优化完善。

现场碾压参数控制标准由大坝填筑前期在实验场进行的碾压实验得出，见表1。

表1 坝体主要填筑料碾压参数控制标准

生产性试验统计表明：智能大坝系统在堆石料碾压遍数一次达标率稳定在93.93～98.23%；过渡料碾压遍数一次达标率稳定在95.16～98.39%；均超过在数字大坝系统监控下的人工碾压一次达标率(90%)和收仓达标率(92%)，体现出优势。

对于碾压控制较难的大块石，智能大坝采用了机器学习等技术，在二三十公分探头石的条件下，将轨迹偏移量由(12.33～43.83 cm)范围提升至(4.12～17.32 cm)，有效保障了轨迹控制精度。

4.3.3 智能大坝系统的效果

自智能大坝系统正式运行以来，大坝填筑智能碾压系统在碾压施工过程实时动态智能仿真、大坝碾压机群智能碾压作业管理、融合“数字大坝”系统并构建“智能大坝”系统平台、系统调试优化及系统生产性试运行等方面取得了多项成果。通过现场调试优化，全面提高了系统运行稳定性和作业精度，满足现场全天候、高寒高海拔条件下的振动作业需求。现场初步应用情况表明：心墙料和反滤料碾压遍数达标率均值达到98.28%，堆石料和过渡料达标率均值达到97.43%，将碾压质量控制提升到新的水平。

5 智能建设展望

目前，虚拟现实技术(VR)已基本成熟。未来，基于智能感知、自主控制和管理决策智能优化等技术，人工智能将与水电工程建设深度结合，构建具有人类智能的集优化、决策、控制为一体的大坝AI建设系统，促进大坝关键施工环节变革，实现从传统施工作业到智能协同作业的重大提升。

5.1 智能混凝土坝建设

混凝土坝浇筑施工是在特定的工程条件和一系列技术约束和规范要求下，按照相应的规则执行混凝土坝浇筑施工各项活动的过程。

随着人工智能(AI)的发展，将建立基于知识工程的混凝土坝施工智能决策方法，人工智能将完成混凝土坝施工的知识表示方法、知识获取方法和知识推理方法。一是智能控制系统将全面涵盖混凝土坝施工的各个环节，如骨料生产、混凝土拌和、混凝土施工、温度控制、保护养护等；二是对高拱坝混凝土温控可以从一维控制发展成为三维空间和一维时间的四维精准控制。

5.2 智能土石坝建设

高土石坝施工一直以来都是复杂的综合项目，未来土石坝的智能建设方向在于施工过程实时控制的高度集成以及土石坝施工全过程智能控制。土石坝建设全过程数据将进行整合，形成面向施工全过程的决策服务信息，用数据支撑工程优化升级。依托智能控制技术，实现决策信息的精准执行。一方面，未来的土石坝施工过程智能控制系统将深度集成料场规划及开采系统、料源上坝运输实时系统、大坝智能碾压及质量评价系统；另一方面，对重点工序和环节，将开发智能控制子系统，如料场智能精确爆破技术和土石方智能仿真调度系统。总之，未来的智能土石坝将实现建设、设计、监理和承包商等参建单位的信息实时共享，促进施工和控制全面互联。