大体积混凝土防裂智能监控系统

第35卷第5期Vol.35No.5水利水电科技进展

Advances in Science and Technology of Water Resources

2015年9月Sep.2015

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2013CB035904,2013CB036406);国家自然科学基金(51579252)

作者简介:张国新(1960 ),男,山东临朐人,教授级高级工程师,主要从事大体积混凝土温控防裂及复杂结构多场非线性仿真分析研究三E?mail:zhanggx@https://www.wendangku.net/doc/798763734.html,

DOI:10.3880/j.issn.10067647.2015.05.011

大体积混凝土防裂智能监控系统

张国新,李松辉,刘　毅,张　磊

(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京　100038)

摘要:为达到混凝土温控防裂的目的,并提高施工质量,研究开发了大体积混凝土防裂智能监控系统三该系统由感知二互联二分析决策和控制4个部分组成,可以实现原材料预冷二混凝土拌和二运输二入仓二平仓二振捣二通水冷却二表面养护全过程温控信息的自动感知二传输二互联二共享环节的智能控制,实现了基于互联网二物联网技术的温控防裂全要素二全过程管理三实际工程应用表明,该智能监控系统可实现现场温控实施情况的自动获取二准确掌握二实时评估二智能干预及决策支持,能有效提高混凝土施工的管理水平,防止裂缝的发生三关键词:大体积混凝土;温度控制;防裂;智能监控

中图分类号:TV528 文献标志码:A 文章编号:10067647(2015)05008306

Intelligent monitoring and control system for crack prevention of mass concrete //ZHANG Guoxin,LI Songhui,LIU Yi,ZHANG Lei(State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin ,China Institute of Water Resources and Hydropower Research ,Beijing 100038,China )

Abstract :In order to prevent cracks and improve the construction quality of mass concrete,an intelligent monitoring and control system for crack prevention of mass concrete was developed.The system is composed of four parts,including those relating to perception,interconnection,analysis and decision making,and control,and can realize automatic perception,transmission,interconnection,and sharing of temperature control information throughout the processes of raw material precooling,concrete mixing,transportation,placement,spreading,and vibration,water cooling,and concrete surface maintenance,as well as partly intelligent control of these processes.The system has also realized management of all factors and the entire process of temperature control and crack prevention based on network technologies and the internet of things.Applications show that the system can help improve the managment level and prevent cracks during concrete construction through automatic acquisition of information,accurate control,real?time evaluation,intelligent intervention,and decision making support during the implementation of field temperature control.

Key words :mass concrete;temperature control;crack prevention;intellignent monitoring and control

我国已建成了二滩二小湾二拉西瓦二构皮滩二龙滩二光照二锦屏一级二溪洛渡等一批特高混凝土坝,白鹤滩二乌东德二马吉等特高拱坝近期也陆续开工,这些高坝的建成将对缓解我国电力资源紧张二解决水资源短缺问题发挥重要作用,将取得显著的社会和经济效益[1?2]三

裂缝控制一直是大体积混凝土施工的难点之

一三温控防裂的理论研究与工程实践,最早始自20世纪30年代,经过数十年的发展,已逐步建立了一整套相对完善的温控防裂理论体系[3],形成了较为系统的混凝土温控防裂措施,包括分缝分块二降低浇筑温度二通水冷却二表面保温等,但 无坝不裂”仍然

是一个客观现实[3?5]三混凝土裂缝产生的原因复杂,有结构二材料二施工等方面的原因,其中一个重要原因是信息获取的 四不”(不及时二不准确二不真实二不系统)导致的温控措施与温控管理不到位三同时,由于人为的控制方式,施工质量受现场工作人员个人素质的影响较大,产生与设计状态相比较大的偏差,导致温差大二降温幅度大二降温速率大二温度梯度大这 四大”温控施工问题,最终导致混凝土裂缝的产生三

针对特高拱坝温控防裂出现的问题,朱伯芳院士提出了数字水电站的概念,即水电站规划二设计二科研二建设及管理的最优化二可视化和网络化,开发出国内第一个数字化温控系统 混凝土温度与应

力控制决策支持系统,并在周公宅工程中获得应用三

该系统可在大坝施工过程中根据实际施工条件和温

控措施对大坝进行全过程仿真分析,及时了解坝体

各坝块的温度与应力状态以及各种温控措施的实际

效果,并可预报竣工后运行期的温度和应力状

态[6]三2007年朱伯芳院士又提出 数字监控”的概念[6?7],将传统的仪器监测与工程施工期二初次蓄水期乃至运行期全过程数字仿真分析相结合,实现对

大坝温度二变形二应力等关键要素的全过程全场实时

监控,有效地克服了仪器监测 空间上离散”二 时

间上断续”的不足三2009年 数字监控”技术在锦屏

一级及溪洛渡工程中应用,运用该技术可以实时开

展大坝工作性态评估,同时为施工期动态设计提供

决策支持[8?9]三

钟登华院士二马洪琪院士将信息化与数字化相

结合,提出了 数字大坝”[10?12]的理念,并在糯扎渡工程获得应用,该系统基于GPS二GPRS和PDA技术,实现了碾压遍数二碾压轨迹二行车速度二激振力二压实厚度等碾压参数的全过程二精细化二在线实时监控,为高心墙堆石坝建设的质量控制提供了一条新的途径,并可以推广至碾压混凝土坝三

以信息化二数字化为基础,结合人工智能二自动

化等技术,便可实现施工过程中若干工序的智能

化[13?15]三在水利工程领域,张国新等[13]提出了 数字大坝”朝 智能大坝”转变的设想,指出可将智能化技术应用于降低浇筑温度二控制仓面温度二通水冷却二混凝土养护等各个环节三李庆斌[14]就智能大坝进行了详细论述,提出了基于物联网二自动测控和云计算技术实现个性化管理与分析,并实施对大坝性能进行控制的构想,指出智能大坝是在对传统混凝土大坝实现数字化后,采用通信与控制技术对大坝全生命周期实现所有信息的实时感知二自动分析与性能控制的大坝三谭恺炎等[16]针对大体积混凝土冷却通水系统进行了相关的研究和实践三

信息化二数字化二数值模拟仿真二大数据等技术

的迅速发展为大坝温控防裂的智能化提供了机遇三

笔者针对大体积混凝土温控施工及数字监控存在的

问题,提出了 九三一”温度控制模式[2],即九字方针(早保护二小温差二慢冷却)二三期冷却(一期冷却二中期冷却和二期冷却)和一个监控(智能监控)三通过 九三一”温度控制模式,配合智能化控制可有效解决 四大”温控施工问题,从根本上达到混凝土温控防裂的目的三

1　智能监控系统的构成

智能监控系统的构成同人工智能类似,包括感知二互联二分析决策和控制4个部分三感知部分主要是对各关键要素的采集(自动采集二人工采集和信息传输)三互联是通过信息化的手段实现多层次网络的通信,实现远程二异构的各种终端设备和软硬件资源的密切关联二互通和共享三控制包括人工干预和智能控制两部分,其中,人工干预主要是在智能分析二判断二决策的基础上形成报警二预警及反馈多种方案和措施的指令,根据指令进行人为干预;智能控制主要是自动化及智能化的温度二湿度二风速等小环境指标控制以及混凝土养护和通水冷却调控三分析决策部分是整个系统的核心,通过学习二记忆二分析二判断二反演二预测等手段,最终形成决策三感知二互联和控制相辅相成,相互依存,以分析决策为核心形成智能监控的有机整体,如图1所示

三

图1　智能监控系统的构成

智能监控系统包含了 监”和 控”2个层次, 监”是通过感知二互联功能对影响温度控裂二防裂的施工各环节信息进行全面的检测二监测和把握; 控”则是对混凝土施工过程中影响温度的因素进行智能控制或人工干预三图2为整个混凝土防裂智能监控系统现场构成示意图,在拌和楼二浇筑仓面二通水冷却仓二混凝土表面等部位布置传感器,根据需要在坝区设置分控站,用以搜集相关信息并发出控制指令,对各环节中可能自动控制的变量如通水流量二仓面气温二湿度二仓面喷淋时间二喷淋强度等进行智能控制,各分控站通过无线传输的方式实现与总控室的信息交换,构成完整的监控系统三

1.1　感知部分

感知即实时采集施工各个环节的信息三在拌和楼二机口二仓面等温控场所均可布置数字式测温设

图2　混凝土防裂智能监控系统现场构成示意图

备,如数字温度计(包括固定式二手持式)和红外温度计等三通过分析,总结出22个需要实时感知的观测量(即太阳辐射二气温信息二仓面温度二骨料温度二机口温度二入仓温度二浇筑温度二内部温度二进口水温二出口水温二通水流量二水管压差二温度梯度二水流方向二最高温度二一冷温度二中冷温度二二冷温度二内外温差二基础温差二上下层温差二降温速率)用于监控施工各环节影响温控的因素及混凝土的状态,大多数观测量可用固定式仪器自动观测,少数观测量如机口温度二入仓温度二浇筑温度采用手持式数字温度计进行半自动化观测三

针对温控全要素全过程感知指标,研发了成套的智能感知设备,如数字温度计,温度梯度仪,仓面小气候仪,骨料红外测温装置,机口二入仓二浇筑温度测试仪等三开发的仓面小气候仪可同时监测温度二湿度二风速和风向,用于实时监控仓面环境,通水冷却环节除需要观测冷却水温和混凝土温度外,还要观测进出口水压二流向二流量等三还有一些影响温度控制的因素不能直接用仪器自动感知,需要人工采集数据录入,如浇筑仓的几何信息二位置二开仓时间二收仓时间等三部分信息以设计数据的方式在系统内建模,部分需要随施工进程逐点输入三

1.2　互联部分

互联是通过信息化手段,通过研发相关设备,设置分控站及总控室,使各施工设备之间二测温设备之间二测温设备与分控站之间二分控站与总控室之间建立实时通信,实现混凝土自原材料二混凝土拌和二混凝土仓面控制二混凝土内部生命周期内各种温控数据的实时采集二共享二分析二控制及反馈(互联结构如图3所示)三

实现互联的设备主要包括传感器二控制器二移动终端二施工设备二通水设备二固定终端二展示设备等三互联所采用的技术手段主要包括云互联二蓝牙

二RS

图3　大体积混凝土防裂智能监控系统互联结构

总线二ZigBee二WIFI二GPS等三设备与分控站或总控室之间的互联主要通过局域网的方式实现,分控站与总控室可通过局域网或广域网的方式实现,最后通过公共广域网实现数据库的远程访问

三

图4　入仓、浇筑温度测量数据互联结构

图4为入仓浇筑温度测量数据互联结构,入仓二浇筑温度测试仪通过蓝牙与移动终端连接并通过GPS进行自动定位,移动终端通过WIFI网络与分控站或总控室服务器连接,测量的温度二湿度可通过该

种互联方式实时自动传输至数据库,最后通过远程方式实现数据库的远程访问三

1.3　分析决策部分

分析决策是整个智能监控系统的核心,直接或间接获取的感知量,通过学习二记忆二分析二判断二反演二预测等,最终形成决策信息三系统中主要包括SAPTIS(simulation analysis program for temperature and stress)仿真分析模型二理想温度过程线模型二温度和流量预测预报模型二温控效果评价模型二表面保温预测模型二开裂风险预测预警模型这6个模型,通过这6个模型可以对混凝土当前温度控制状态进行评价及预测三

a.SAPTIS仿真分析模型[17]是笔者团队历经30年开发的一个混凝土结构全过程二多场耦合仿真分析模型三该模型的特点可以概括为 9321”, 9”是指可以模拟的9个过程:气象变化过程二基岩开挖过程二回填支护过程二浇筑硬化过程二温度控制过程二灌浆锚固过程二时效变形过程二蓄水渗透过程和长期运行过程; 3”是指水热力三场耦合; 2”是2个非线性,即弹塑性非线性和损伤非线性; 1”是1个迭代,即各种缝的开闭迭代三采用该模型可以模拟工程自基础开挖到建设二运行全过程各环节的温度场二渗流场及应力场,及时对大坝整体和局部的工作状态进行数值评估[17]三

b.理想温度过程线模型是指在一定的温控标准下,考虑不同坝型特点和不同坝体分区,按照温度应力最小的原则,从温差分级二降温速率二空间梯度控制等因素考虑,针对不同的工程二不同的混凝土分区甚至不同仓混凝土制定的个性化温度控制曲线三

c.温度和流量预测预报模型可以预测未来温度变化,给出通水控制参数三该模型考虑了内部发热二表面散热二相邻块传热二通水带热等因素的影响,同时利用监测数据进行自学习和自修正,该模型计算公式如下:

T i+1=T i+Δθi+α1?T a+α2?T b+

1

2α3(q i+q i+1)(1)式中:T i+1为i+1时刻的温度;T i为i时刻的温度;Δθi为绝热温升;α1为表面散热系数;?T a为表面温度;α2为相邻块散热系数;?T b为相邻块温度;α3为通水散热系数,α3=f(L,T w,a),其中L为管长, T w为水温,a为管径;q i和q i+1分别为i时刻及i+1时刻的流量三

d.温控效果评价模型三该模型通过设计的8张表格和12张图形可以直观二实时二全面地定量评价温控措施施工质量三

e.表面保温预测模型三该模型根据大坝每日实际浇筑情况实时搜索暴露面,考虑天气预报二实测气温二混凝土内部温度等信息,通过应力仿真计算暴露面长周期应力及短周期应力,并对两者进行叠加,根据应力分析结果及实际采用的保温材料参数特性,给出是否需要保温及保温层厚度的建议三

f.开裂风险预测预警模型三该模型通过对大坝浇筑到运行全过程的实时跟踪反演仿真分析,及时预测未来温度二应力及开裂风险,实时提出预警并给出建议三

1.4　控制部分

控制包括人工干预和智能控制两部分,主要包括5个子系统(图5)三其中,预警发布及干预反馈子系统和现场决策支持子系统需要人工干预三预警发布及干预反馈子系统是根据现场实时获取的监测数据通过分析决策模块进行自动计算,对超标量进行自动报警或预警,并将报警或预警信息自动发送至施工人员的终端设备上,施工人员根据报警或预警信息进行人工干预三现场决策支持子系统是通过温控周报二月报二季报二阶段性报告以及现场培训等方式实现温控施工的阶段性总结

三

图5　控制部分结构示意图

智能控制主要包括智能通水子系统二智能小环境子系统二智能养护子系统三智能通水子系统主要是按照理想化温控曲线的要求,基于统一的信息平台和实测数据,运用经过率定和验证的预测分析模型,通过自动控制设备对通水流向二流量二水温进行自动控制三智能小环境子系统根据现场实时监测的温度二湿度,自动控制仓内小环境设备(如喷雾机),使仓面小环境满足现场混凝土浇筑要求三智能养护子系统是根据实时监测的混凝土内部温度二表面温

度等信息自动控制流水养护二花管养护等设备三2　工程应用

自2009年起大体积混凝土防裂智能监控系统部分功能已在锦屏一级二溪洛渡二鲁地拉二藏木等工程中获得成功应用三采用该智能监控系统后,锦屏一级拱坝未发现温度裂缝,鲁地拉重力坝监控坝段裂缝明显少于未监控坝段,藏木重力坝监控坝段未发现裂缝三目前,该系统正在丰满及黄登工程中全面运用三

图6为藏木工程智能通水结果,图中包含了实测流量二预测流量二实测温度二目标温度和预测温度等5个感知量,由图6可知,实测温度与目标温度和预测温度基本一致三图7为该系统针对锦屏一级拱坝基础约束区固结灌浆 一进一出”和 三进三出”工况提供的长二短周期应力叠加计算结果,由图7可知 三进三出”保温方案是最优方案

三

图6　

藏木工程智能通水结果

图7　锦屏一级拱坝基础约束区长二短周期

应力叠加计算结果

3　结　语

信息化二数字化二智能化技术的发展为温控防裂的智能化创造了条件,在混凝土温度控制的各个环节(包括原材料预冷二混凝土拌和二运输二入仓二平仓二振捣二通水冷却二表面养护等),利用数字化技

术二互联技术和自动控制技术,可有效避免传统施工方式带来的偏差和人为因素带来的不确定性三基于数字化技术的感知技术可以实时二准确地获取各个环节的有效信息(如温度二流量二风速二压力等);基于局域网和广域网的互联技术可以将施工现场的感知仪器二施工机械二控制设备二移动终端二固定终端等进行互联互通与数据共享,实现随时随地的有线二无线二远程及近程访问,通过材料预冷二拌和二仓面小环境二冷却通水的智能化控制可以做到温控多环节全程高精度控制三

智能监控的核心是分析与决策,利用确定性仿真分析方法和统计分析模型,以应力最优二措施合理可行为目标,动态确定每仓混凝土的冷却曲线,在此基础上调整各环节的温控参数,通过预测目标温度和实测目标温度的反复比较,不断调整温控参数,使最高温度二温差二温度变化速率达到最优,从而达到防裂的目的三

目前大体积混凝土防裂智能监控系统已在锦屏一级二溪洛渡二鲁地拉二藏木等工程中成功应用,取得良好的效果三应用实践表明,分析决策部分的几个温控模型是技术关键,应用于具体工程时各模型还有待不断改进二优化三参考文献:

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(收稿日期:20150624　编辑:骆超

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(收稿日期:20150630　编辑:彭桃英)