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混凝土坝施工全过程智能监控系统

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司

一、案例背景

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司的混凝土坝施工全过程智能监控系统,基于溪洛渡大坝和西藏藏木大坝两个项目为依托,前者坝高285.5m,为目前世界已建成的第二高的拱坝,地处干热河谷,坝身结构复杂;后者为混凝土重力坝坝高116m,位于高海拔、高寒地区,最大日夜温差达49℃,针对上述两座大坝混凝土温控防裂等建设的特点和难点,本系统采用物联网等信息技术进行了联合攻关研究,其研究技术内容包含大型水电工程混凝土运输全过程智能监控方法、大体积混凝土平仓振捣质量实时智能监控方法、大体积混凝土通水智能温度控制方法、基于物联网技术的混凝土坝施工进度控制与效率优化方法,在技术研究与应用过程中研发了配套硬件和软件。实现在项目层次掌握混凝土坝施工过程智能控制关键技术,为保障混凝土施工质量和施工进度提供了技术支撑,并发挥巨大工程效益。

二、案例实施的方法和内容

针对以上提出的问题和难题,中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司基于物联网、大数据、施工仿真、北斗定位等新兴技术研发的混凝土坝施工全过程智能监控系统,以监控施工过程、规范施工操作、改善沟通渠道、提高施工效率、保证工程质量和管控工程施工进度为目标,在实现了大坝混凝土生产、运输、平仓、振捣、温控养护过程施工质量的实时在线监控、信息化管理和智能化反馈控制的同时,实现了混凝土坝施工进度精细化、智能化管控。系统的总体框架如图1。

图 1 系统总计架构

基于以上总体设计框架,我们组织研发人员进行软件和硬件设备的研发,软件界面如图2。

本系统技术特色点主要由以下几点:

1. 提供一种崭新的基于物联网的混凝土坝施工过程数据自动采集方法,保证施工过程数据采集的实时性、准确性、有效性和一致性;

2. 构建一个混凝土坝施工进度与施工质量智能控制平台,保证施工进度与施工质量数据集成高效处理、智能分析评价,并在参建各方之间有序的流动与分发;

图 2 软件界面

3. 提供一系列施工机械物联网智能监控设备,确保高精度定位与精确机械状态识别,实现施工过程中工艺操作细节全面监控、智能反馈控制;

4. 提供一种网络的集成方式,将网络铺设到施工现场的每个角落,有效将智能管控信息延伸至生产一线;

5. 提供一种混凝土坝精细化施工仿真方法,耦合温控及应力仿真,开展进度偏差分析与预测、影响因素敏感性分析,持续对大坝施工进行动态跟踪与智能评估,提出纠正进度偏差、加快施工进度的工程措施,使得工程建设过程进度可控。

本系统的创新点有:

1. 针对大坝混凝土浇筑过程中的平仓振捣质量控制难点,首次采用物联网技术,研制了配套的监控设备及控制软件,对大坝混凝土运输、平仓、振捣进行实时监控和信息反馈,实现了对大坝混凝土浇筑质量的智能控制。为解决常规大坝混凝土运输、平仓、振捣过程质量控制主要依靠施工人员经验和责任心来保证、受人为因素影响大、管理粗放、精度低等难题,首次提出基于物联网的大型水电工程混凝土运输过程实时监测与智能反馈控制理论与方法、基于物联网的大体积混凝土平仓过程质量实时监测与智能反馈控制理论与方法、基于物联网的大体积混凝土振捣过程质量实时监测与智能反馈控制理论与方法。

2. 提出了基于物联网的大坝混凝土施工动态仿真与进度优化分析方法,建立了包括混凝土温度应力控制、施工进度优化等精细化实时管控的评价体系,为混凝土坝实现科学、优质、高效建设提供了技术支撑。为适应施工边界条件灵活多变、施工技术要求个性化、进度分析要求动态、快速、微观、定量的复杂施工进度管控要求,首次建立了基于缆机全工况调度仿真模型、提出了缆机故障“运-检”决策优化方法、提出了基于混凝土坝复杂孔口微观仿真模型的精细仿真与优化方法、提出了耦合温控及应力仿真的高拱坝浇筑形态个性化控制理论与方法、提出了基于物联网的混凝土坝施工进度仿真模型与效率智能分析优化方法。

三、案例取得的成效

本系统研究成果已成功应用于溪洛渡与藏木等水电工程中。总投资503亿元、大坝工程计划建设总工期约6年的溪洛渡水电站,在由于地质原因导致大坝混凝土浇筑延迟11.5个月的情况下,通过项目成果应用及参建各方共同努力,确保了大坝施工质量、且按期发电,节省财务成本、增加利润约6亿元,经济效益显著;位于高海拔、高寒地区,最大日温差达49℃的藏木水电站,大坝的建设过程经历了高寒高海拔地区筑坝的诸多挑战,项目成果的成功应用为确保施工进度、保障大坝施工质量发挥了重要作用。在上述两个工程应用中,通过减少外业和内业工作量节省人工成本约2300万元,通过智能通水控温节约用水约4000万元。系统成果在应用中实现了大坝施工质量与进度的双控,社会效益和间接经济效益显著。系统研发的关键技术及其应用,对企业、行业、社会具有以下效益:

1. 提高工程质量,节约资源。本项目研究成果对混凝土坝施工全过程实时监测与反馈控制,并输出各种图表,消除了人为因素,避免弄虚作假,清理质控盲区,从根本上保证了混凝土施工质量,提高了工程安全性,避免了质量事故的发生,减少了事故处理费用,给社会节约了资源、保障了安全。

2. 管控施工进度,增加效益。本项目研究成果对混凝土坝施工进度实时分析与控制,有效控制施工进度及施工工期,给社会节约了投资、增加了效益。

3. 确保安全,减少施工事故。通过对工程现场人员、设备实时位置与作业状态监控分析与预警,有效避免碰撞、人机伤害等安全事故。

4. 提升建设管理水平和生产效率,提升水电建设企业整体核心竞争力。其高技术含量和高管理水平在促进企业发展的同时,能有效的提升企业在国际市场核心竞争力,创中国水电品牌,是赢得高端水电市场。

5. 促进水电工程产业发展与变革。智能化技术的研究与应用,必定促进传统的施工工艺、方法的进步,新的工艺必定带来行业技术标准革新,从而促进整个产业链的良性发展。

随着混凝土坝建设加快、水电建设工程向高原地区拓展,本项目所形成的混凝土坝施工过程智能控制技术,适用于大型混凝土坝工程的建设过程精细化管理,能有效克服传统管理模式带来的资源浪费以及质量缺陷,大幅提升管理水平与工程建设品质,该成果为水电工程智慧建造技术发展奠定了良好基础,具有广阔的推广应用前景。

本系统经四川省科技厅组织的包含四名院士在内的权威专家组成的鉴定委员会的鉴定,一致认为:

1. 项目针对溪洛渡和西藏藏木两座大坝混凝土温控防裂等建设的特点和难点,采用物联网等信息技术,对混凝土施工过程智能控制关键技术进行了联合攻关,为保障混凝土施工质量和施工进度提供了技术支撑,取得了良好效果。

2. 项目取得主要创新为:

(1)针对大坝混凝土浇筑过程中的平仓振捣质量控制难点,首次采用物联网技术,研制了配套的监控设备及控制软件,对大坝混凝土运输、平仓、振捣进行实时监控和信息反馈,实现了对大坝混凝土浇筑质量的智能控制。

(2)按照混凝土坝温度控制“早冷却、小温差、缓慢冷却”的理念,首次研发了流温一体通水智能控制设备及软件,对大坝混凝土温控防裂进行实时监测和信息反馈,有效控制了最高温度和降温速率,实现了混凝土坝温控防裂的目标。

(3)提出了基于物联网的大坝混凝土施工动态仿真与进度优化分析方法,建立了包括混凝土温度应力控制、施工进度优化等精细化实时管控的评价体系,为混凝土坝实现科学、优质、高效建设提供了技术支撑。

(4)研究成果是大坝混凝土施工质量控制的重大创新,已成功应用于溪洛渡、藏木水电站等工程。社会经济效益显著,具有广阔的推广应用前景。

(5)研究成果总体达到国际领先水平,建议在类似工程中进一步推广应用。

四、总结及展望

混凝土坝施工全过程智能监控系统,适用于大型混凝土坝工程的建设过程精细化管理,能有效克服传统管理模式带来的资源浪费以及质量缺陷,大幅提升管理水平与工程建设品质,该成果为水电工程智慧建造技术发展奠定了良好基础,具有广阔的推广应用前景;但仍需进一步的研究,如一条龙运输智能调度,平仓振捣智能监控,进度仿真与性态仿真等多要素多维耦合系统的研发,为水电工程安全、高效、快速施工提供的技术支持,同时创造经济效益。

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