“这是世界上最聪明的大坝”
──溪洛渡拱坝智能化建设探秘
中国电力报 中电新闻网记者 冯义军
●技术代表了世界水工界最复杂建筑物管理的最高水平
●开创了我国高拱坝智能化建设的先河
“这是继三峡工程后又一体现中国水电建设管理能力的里程碑事件。水电界的元老汪恕诚等专家曾这样评价溪洛渡拱坝智能化建设。”2月29日，中国长江三峡集团 （简称三峡集团）副总经理樊启祥告诉《中国电力报》记者。
近日，三峡集团在溪洛渡水电工程建设中应用的 “300米级溪洛渡拱坝智能化建设关键技术”获2015年国家科技进步二等奖。据了解，这一技术以混凝土浇筑、温控和基础灌浆为核心解决施工智能控制，基于物联网技术和大数据分析技术等展开系统研究，使高拱坝建造过程的管理具备数字化、信息化和智能化的“神经系统”，实现高拱坝智能管控，时刻知晓大坝的“身体状态”，真实把握大坝建设的“脉搏”。
“溪洛渡水电站大坝是世界上最聪明的大坝，一有头疼脑热就会及时告诉你。”中国工程院院士、三峡集团原总工程师张超然表示。
产学研结合铸混凝土“生命体”
在奔流不息的金沙江畔，一座宏伟的大坝巍然屹立在峡谷之中，它不仅仅是一座钢筋混凝土铸就的庞然大物，而是被人们誉为一个充满活力的“生命体”，这就是溪洛渡“智能大坝”。
溪洛渡水电站，位于四川省雷波县和云南省永善县的金沙江下游峡谷河段。溪洛渡水电站工程是继三峡之后，我国第二、世界第三大水电站工程。溪洛渡挡水大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程610米，最大坝高285.5米，坝顶弧线长681.51米，拱冠顶厚14米，底厚64.04米，是300米级特高拱坝，坝高排名世界第三，为特高薄拱坝。 溪洛渡大坝工程具有窄河谷、高拱坝、大泄量等特点。地震设防标准、坝身泄洪流量及泄洪功率位居世界特高拱坝之首，河床地质条件及大坝结构复杂程度为世界拱坝之最，综合技术难度最大。
针对以上特点和难点，为了实现对溪洛渡大坝基础处理、混凝土施工与温控过程的有效监控与管理，保证工程的质量、保证施工与运行期大坝的绝对安全，由三峡集团牵头，联合成勘院、水电八局、二滩国际、英思公司以及水科院、清华大学、三峡大学等组成科研团队，进行了溪洛渡高拱坝智能化建设关键技术的科研创新。他们提出了溪洛渡“数字大坝”建设，开发了溪洛渡拱坝施工过程监测与分析信息系统，借助信息化手段与数字技术、优化施工管理模式，实现了大体积混凝土浇筑质量、温度的精细、个性、智能控制。
据三峡集团科技环保部副主任戴会超介绍，溪洛渡“数字大坝”建设初期，系统的主要功能是以采集和分析为主，以控制为辅；建设中期，开始注重信息监测和控制的结合；到了后期，在自动采集的基础上，开发了以智能控制为主的多项系统，包括混凝土无线测温系统、混凝土智能通水冷却控制系统、混凝土智能振捣监控系统、人员安全保障管理系统等，初步实现了“数字大坝”向“智能大坝”的跨越，从而形成了“大坝智能化建设管理系统平台”。
除分析、查询外，系统还能通过制定各类标准与阀值，根据拟合参数预测变化趋势，来实现各种预警功能，从而实现对大坝混凝土施工的全过程控制，提高现场管理水平。“这就像是给大坝装上智能大脑，使施工中的大坝能够实现智能温控、智能振捣和智能灌浆等。”戴会超介绍道。
“以混凝土测温为例，埋设在仓面中的大量温度计，需要使用专用仪器一一进行数据采集。借助在线式手持数据采集系统，技术人员能够对采集的目标进行统一的条码编码，实现快速扫描定位和数据的快速录入，并通过规范约束，尽可能减少出错的可能性。”参与溪洛渡水电工程建设的大坝项目部负责人陈文夫谈道。
据陈文夫介绍，混凝土的温度变化有其独特的过程曲线，只有让冷却温度按照这条曲线发展，才能保证混凝土的施工质量。在业界，一般采用人工控制水量、水温的方式来保证温度曲线正常发展。智能冷却通水系统则通过预埋在混凝土里的温度计，实时掌握各部位混凝土的即时温度，系统实时读取这些温度数据，结合混凝土冷却阶段，经过计算，自动调节通水流量，让混凝土温度随着曲线发展，实现了冷却过程的完全智能化，不需要人工调整。
记者在采访中了解到，与重力坝相比，拱坝特别是高拱坝的结构、受力情况极为复杂，整个施工过程中，坝体的受力状况都在不断调整。这些特点给拱坝的施工质量控制带来很大挑战，因此，拱坝也被认为是水工界最复杂的建筑物。中国工程院院士陆佑楣曾经表示：“拱坝是真正培养工程师的地方。”溪洛渡拱坝智能化建设代表了世界水工界最复杂建筑物管理的最高水平。
“智能大坝”将是水电未来大趋势
记者从“数字大坝”系统开发商了解到，通过混凝土浇筑、温度管理、灌浆、金结等13个模块，系统建立了一个统一的施工过程综合数据采集与分析平台，可以结合各个施工任务的特点与管理要求，有针对性地实现数据采集、管理与分析功能。同时，将各个工序的成果进行集成分析与应用。该系统覆盖了溪洛渡大坝施工的全部范围，为溪洛渡工程精细化施工提供了重要保证。
据三峡集团新闻发言人杨骏介绍，“数字大坝智能管理系统”的研发和应用，不仅提高了溪洛渡工程建设质量，还有效地控制了工程建设成本，仅大坝冷却用水一项就节约3000多万立方米，节约投资约5000多万元。
溪洛渡拱坝智能化建设关键技术首次创建了特高拱坝智能化建设理论和体系，攻克了拱坝智能建设的关键技术；首次建立了特高拱坝施工进度与真实工作性态的动态耦合仿真分析模型与方法，实现了大坝建设全过程实时工作性态的动态可控；首次创建了全生命周期拱坝全景信息模型，并研发了拱坝智能建设与运行信息化平台。
数据显示，截至今年3月，溪洛渡拱坝坝体混凝土最高温度的仓次符合率达到91.3%、测点符合率达到90.3%，各降温阶段的降温速率满足设计要求，混凝土实际温度变化曲线与设计温度过程曲线基本重合。目前，溪洛渡拱坝已经历了3年的蓄水运行，原型监测成果表明，各项指标均在设计允许范围之内。鉴定委员会认为：“该成果是混凝土拱坝筑坝技术的重大创新，居于国际领先水平。”
“智能大坝就是说我们能对采集到的数据进行分析、处理，并进行趋势判断和预测预控，从而更好地指导现场施工。”溪洛渡工程建设部副主任周绍武这样介绍。他认为，智能大坝的“智能性”主要包括4个方面──自我感知、数据分析、智能判断和自我调整。
“‘智能化’是一个发展中的概念。可以预计，‘智能大坝’将是水电领域未来的大趋势。目前，我们已经在往这个方向走，可以说，溪洛渡水电工程引领了世界高拱坝的发展方向。”参与溪洛渡拱坝智能化建设关键技术研究的清华大学水利水电工程系教授林鹏向《中国电力报》记者分析道。
国务院三峡枢纽工程质量专家组的专家认为，溪洛渡拱坝智能化建设应用现代科技，在数字建设、智能化建设方面有所突破，开创了我国高拱坝智能化建设的先河。
据了解，“智能大坝”被国家自然科学基金委员会和中国科学院“十三五”学科发展战略规划确定为未来5年优先发展领域，目前已在向家坝、白鹤滩、乌东德、藏木等水电工程开始推广，解决了大型水电工程建设高质、高效、精细化施工难题，直接经济效益约243亿元，在社会上受到广泛关注，在行业内产生了良好的示范作用。
记者注意到，日前刚刚发布的《关于推进 “互联网++”智慧能源发展的指导意见》中提出，建设能源生产消费的智能化体系、多功能协同综合能源网络、与能源系统协同的信息通信基础设施。
“随着智能建造模式和工程建设精益化管理理念的普及发展，溪洛渡拱坝智能化建设科技成果的应用将逐步拓展至拱坝水电站整体、其他坝型水电工程乃至其他行业，实现行业级工程全生命周期信息化协同管理与智能建造。”樊启祥向记者表示，三峡集团在贯彻国家“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，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。
廖红兴