大体积混凝土智能温控方法与装备

  完成单位：中国长江三峡集团有限公司、中国三峡建工（集团）有限公司、清华大学

  主要完成人：陈文夫、谭尧升、林鹏、周孟夏、杨宁、裴磊、周天刚、刘春风、乔雨、龚攀

一、研发背景

金沙江水电基地作为“中国十三大水电基地规划”首位，其特高拱坝的安全与稳定是保证流域与国家能源安全的关键。长期以来，大坝、衬砌等水工结构混凝土极易因温控不当出现裂缝，如Hoover、Kolnbrein、小湾等工程均曾出现温度裂缝，虽然不断修订和完善相关设计规范，改进施工方法。然而“无坝不裂”仍是世界难题。世界高坝建设发展迅速，300m级特高拱坝建设近67%集中在中国，建设无缝大坝面临重大挑战。

白鹤滩水电站是世界在建最大水电工程，装机1600万千瓦，建成后为仅次于三峡工程的世界第二大水电站，是西电东送的骨干电源点，是长江流域防洪体系的重要组成部分，是调结构、惠民生的大国重器。双曲大坝坝高289m，坝体方量803万m³，规模巨大；布置三层孔口，结构复杂；坝基为柱状节理玄武岩，地质条件复杂；坝址位于高地震烈度区，干热河谷、大风频发，气候恶劣。混凝土温控难度高于同类工程，主要技术指标和综合技术难度位居世界前列。白鹤滩水电站工程混凝土温控防裂面临具体难点如下：（1）首次全坝应用低热水泥混凝土，无成熟的温控理论、规范、标准和经验可借鉴；（2）坝体左右不对称，坝身布置三层孔口六层廊道，结构复杂，局部应力集中，开裂风险大；（3）干热河谷，多年平均气温21.9℃，最小相对湿度接近0，大风频发，7级以上超过240天，气候条件恶劣，全过程温控难度大；（4）坝基为柱状节理玄武岩，坝肩边坡左缓右陡，地质条件复杂，对坝体混凝土质量要求极高；（5）混凝土浇筑2253仓，冷却水管长度达400余万m，通水工艺复杂，工作量巨大，坝后作业安全风险高，采用传统人工通水难以达到精准控温。面对温控难题，为建设无缝大坝，亟需智能温控理论、成套控温装备及应用工艺体系创新。

  二、发明团队介绍

大体积混凝土智能温控方法与装备项目发明团队为中国三峡建工（集团）有限公司。中国三峡建工（集团）有限公司（简称中国三峡建工）是全球最大的水电开发企业和中国最大的清洁能源集团——中国长江三峡集团有限公司（简称中国三峡集团）的二级子企业，是一家为全球客户提供大中型水电工程、抽水蓄能电站、水利工程和公共基础设施等项目全产业链服务的工程投资、建设、管理和咨询公司。公司为国有独资公司，注册资本金20亿元，注册地为北京市海淀区。

中国三峡建工由中国三峡集团最核心的水电开发建设业务发展而来，其历史可以追溯到中国三峡集团前身中国长江三峡工程开发总公司（简称中国三峡总公司），作为中国三峡集团大型水电工程开发建设的实施主体，全面承接中国三峡集团国内、国际水电工程开发建设业务。

中国三峡建工作为白鹤滩水电站的建设管理方，系统研究了低热水泥基筑坝材料水化特性及其机理，提出了系统的温控策略，组织参建各方开展针对白鹤滩、乌东德低热水泥混凝土智能温控关键技术及装备研究、生产性应用试验、现场应用和通水工艺创新等工作，提出了完备的应用体系等关键技术。作为白鹤滩水电站的建设管理方，系统研究了低热水泥基筑坝材料水化特性及其机理，提出了系统的温控策略，组织参建各方开展针对白鹤滩、乌东德低热水泥混凝土智能温控关键技术及装备研究、生产性应用试验、现场应用和通水工艺创新等工作，提出了完备的应用体系等关键技术。

  三、成果(专利)简介

以特高拱坝混凝土智能温控技术为核心，从理论、装备和应用三个层面入手。理论层面针对全坝低热水泥混凝土水化特性及相应温控机理，材性改进与工艺智能化相结合的温控策略，构建了全面感知、动态分析、实时控制的闭环智能温控理论；装备研发在溪洛渡成功开发基于国外西门子PLC单回路温控装备的基础上，基于国产芯片并完全自主创新研发成套集成化智能温控装置和不依赖任何商业数据库的温控云平台；应用层面建立了300m级特高拱坝精细化智能温控评价指标体系、先进管网体系和全方位标准化保温保湿工艺。成果在多场景全面应用基础上不断迭代完善，实现在不同行业，低热、中热、碾压混凝土的适应性成果应用。主要涉及以下4项发明专利：

发明专利1：智能通水温度控制专家系统及硬件检测和数据监测方法（取得时间：2020.07.14，核心专利）

发明专利2：一种智能备仓方法（取得时间：2021.03.09，核心专利）

发明专利3：一种数据采集柜（取得时间：2020.07.28，核心专利）

发明专利4：一种大坝热交换媒介温度自适应调整方法（取得时间：2020.07.28，核心专利）

具体成果如下：

1.构建了全面感知、动态分析、实时控制的闭环智能温控理论

针对不同水工混凝土结构、材料标号、部位分区、浇筑季节、环境特征等多场景下，传统控温方法数据不足、依赖人工经验、调控不利、精度不足等突出问题，构建了全面感知、动态分析、实时控制的闭环智能温控理论，实现了全面数字化感知、精细化调控。构建了基于温度计与分布式光纤的点-线结合温度感知体系，联合廊道等重点部位温湿风环境监测，实现了冷却水、混凝土、环境等全要素内外温控参数的全面感知；实时分析混凝土温度-通水响应关系、进度、季节特性等多元数据，动态优化通水流量、温度、温控目标曲线和调控措施，克服了多场景适应性智能温控难题。

2.首次创新发明了集成模块化的成套温控装备和支持多终端的智能温控云平台

（1）发明了集成模块化的数据采集、介质换热智能控制等成套温控装备

针对传统器件采集精度低、易损坏等难题，自主研发了水工数字温度计、超声波流量计、温度测量装置、大坝移动式实时多点温度采集等多元温控数据采集核心元件与测控芯片，构建了集成模块化成套控温装备，保障数据真实、连续、透明；发明了一种数据采集柜和通水柜（图1），实现温控设备的完全国产化，有效克服了原有系统分布分散、不易集中管理操作问题，解决了受限空间简约化布置难题。

图1  智能通水装备

（2）提出温度自适应调整、控制诊断、硬件检测和数据监测等控制算法，研发了支持多终端的智能温控云平台

针对已有算法采集间隔长、控制精度低、缺乏软硬件异常自动诊断功能等难题，提出了基于Fuzzy-PID的混凝土温度自适应控制，数据监测、硬件检测功能的远程诊断，温控大数据多维移动平均的数据处理等算法，实现了混凝土温度平均控制偏差0.5℃，仓内任意温差<2℃，三向梯度控温的自适应调整。开发了支持工控机端、网页端、微信移动端的智能温控云平台和诊断控制平台，实现了温控设备、混凝土仓、冷水机组、天气、浇筑质量等五类数据，灌区、龄期等16类温控参数的可视化展示，以及人机交互、智能远程在线协同控制与专家预警等功能，满足参建多方的个性化需求。系统累计登陆64971人次，共发布分类分级预警1798条，解决了温控数据高质量在线获取难题，实现了全坝温控动态跟踪、及时调整、过程精细管控、多方监督，异常状态自诊断与预警，确保了混凝土质量优良。

3.创建了特高拱坝精细化保湿保温工艺和智能温控评价指标体系

（1）创建了300m级特高拱坝精细化智能温控评价指标体系

针对白鹤滩300m级特高拱坝结构复杂，混凝土方量巨大，温控质量要求极高的特点，通过仿真、大数据分析和现场生产实践，针对性建立了包括最高温度、降幅速率、控温变幅、三向温度梯度等4类指标的精细化温控评价指标体系，针对重点部位、重点时期提出个性化控制指标。

（2）架构了智能温控先进管网体系

基于智能温控大规模应用，针对传统管网布置凌乱、管控不及时、误差大、效率低、易出错等难题，全面创新制冷水站、主管网、栈桥、仓内冷却水管设计施工方法和标准，架构了涵盖冷却水自动换向系统、通水冷却管网实时在线监测工法、供水管网水温自动切换装置、装配式栈桥以及内埋式上引管工艺、冷却水管埋设辅助装置的标准化智能温控管网体系。

（3）构建了仓面、坝面、流道、廊道等全方位标准化保温保湿工艺

针对坝址区干燥多风、日照强烈、昼夜温差大的干热河谷气候和低热材料特性，构建了运输-浇筑-养护全过程，涵盖仓面-坝面-流道-廊道等全方位标准化保温保湿工艺，提出了“及时、严密、到位、规范”的保温保湿控制理念。生产运输严控出机口温度，运输车辆全封闭保温，持续提高缆机运行效率，入仓温度较出机口温度回升低于1℃；采用条带法浇筑，跟进覆盖保温被，缩短坯层覆盖时间，减少仓面温度回升；优化仓面旋喷、立面花管流水养护，廊道超声波加湿养护工艺；孔口、廊道、电梯井等重点部位进行全封闭保温。形成了可复制、可推广的300m级特高拱坝保温保湿标准化工艺工法。

  四、成果（专利）转化情况介绍

针对水电站建设过多种类型水工混凝土结构的个性化温度控制难题，项目智能温控技术构建了面向不同材料、结构、浇筑过程、季节的适应性温控方法，白鹤滩水电站建设过程，采用大体积混凝土通水换热智能温度控制方法与系统，应用了“小梯度、慢冷却、精准控制”控制理论方法，基于全域大坝定温、移动平均温度监测、智能备仓、基于光纤测温与数字测温互补的温度场形成等技术，构建了复杂现场智能温控采、诊、控、评方法体系，实现了大坝、二道坝、垫座、水垫塘、泄洪洞等水工混凝土结构的精准控温，监测数据表明温控与设计整体符合率达98%以上，混凝土质量优良。施工期全坝共埋设混凝土温度计6124支左右，实现了全坝混凝土温度精准采集与温控过程精确控制，经过选择有2个典型坝段和孔口坝段部位2535支温度计直接转为长期测温，既保证了大坝混凝土全周期温度数据的连续性和真实性，解决了国内外缺乏大坝高密度长期温度监测的数据缺乏痛点，为参建各方提供接缝后大坝内部温度变化的关键基础数据，又为后续研究温度回升机理、预测其发展趋势及评价特高拱坝长期安全稳定奠定基础。

  五、经济效益与社会效益介绍

专利应用于白鹤滩水电站大坝、二道坝、垫座、水垫塘、泄洪洞，保证了上述工程的混凝土精准控温，解决了“无坝不裂”、“无衬不裂”的世界难题，预计产生直接经济效益5.13亿元（见应用证明），推动了特高拱坝混凝土温控技术的重大创新，增强了我国在水电工程智能建设领域的核心竞争力。白鹤滩全坝、泄洪洞未产生任何温度裂缝，有助于延长白鹤滩水电站工程运行年限，为确保工程下游人民生命财产安全、保障国家和社会安全稳定起到了关键作用。