混凝土坝防裂智能监控系统

降温幅度大 降温速率快
裂缝
冷却时间 应力
60天
4.82
120天 0.97
水温 1档 6档
1 背景-‘九三一’
（2）‘九三一’温控模式—三期冷却
一期冷却 控制温度峰值
胡
二期冷却
有接缝灌浆：实现灌浆温度 无接缝灌浆：控制入冬内外温差
佛
“中期冷却” 规范：入冬前高温季节浇筑中期冷却
三期冷却：把中期冷却作为一个重要、不可缺少的冷却阶段，三期 冷却连续
混凝土通水
智
流量
能
通 流向
水
水温
全过程关联模型
混凝土保温
智
时机
能
保
效果
温
部位
2 总体构成-控制
（4）控制之一智能拌和
以最高温度为目标，以自机口到温峰的控温措施、热量进出为条件， 优化骨料预冷和拌和参数，对拌合楼进行智能控制及预警
入仓、浇筑温度
实时输入
外界气温 运输时长
砼入仓
砼运输
实时输入
机口温度 局部气温 砂温水温 水泥温度 骨料温度
朱院士：
（a）20℃温差(深度 230mm)
（b）17℃温差(深度 226mm)
（c）15℃温差(深度 46mm)
建议：中冷及二冷不宜大于15℃
1 背景-‘九三一’
（2）‘九三一’温控模式—九字方针—缓慢冷却
规范规定：降温速率小于1℃/天 拉长降温时间，减小降温速率， 0.5℃/天 温差减小，冷却时间增长，徐变得以充分发挥
温度（℃）
30
1048.5高程典型点温度过程线
降幅过大
25
降速过快
20
15
10
C4-A15-T-16-上游冷区
C4-A15-T-17-中游冷区
5
C4-A15-T-18-下游冷区
0 2007-3-1 2007-4-30 2007-6-29 2007-8-28 2007-10-27 2007-12-26 2008-2-24 2008-4-24
时间/年.月.日
冷却高度小 温度应力大
1.背景--裂缝成因
（2）裂缝成因
3）施工管理的原因—‘四不’
重要原因：信息不畅导致措施与管理不到位
信息获取‘四不’
不及时—手动的测量方式，信息滞后—如闷温测温法 不准确—现场人员的素质有限，导致测量结果失真 不真实—施工中经常产生虚假数据 不系统—各环节测量独立，无法形成数据的系统性
研发智能监控分析模型
开发智能监控成套硬件
开发智能监控成套软件
2 总体构成
感知：
1）温度感知：22种温度监控指标
2 总体构成-感知设备
（1）机口、入仓、浇筑温度半自动感知
① 便携式温度采集设备：基于GPS和蓝牙技术，实现了机口、入 仓及浇筑温度的实时测量、定位、传输及入库
入仓浇筑温 度测量流程
价
模
除雪时机
型
2 总体构成-软件系统
开发了大体积混凝土防裂智能监控软件系统由11个子系统 组成，以混凝土全过程温度应力最优为目标，全环节优化关联， 实现了温控信息的自动获取和高效管理、开裂风险的实时评估 和预警报警、温控施工的决策支持与干预反馈
大体积混凝土动态防裂智能监控系统
温 控 信 息 采 集 子 系 统
3 分析决策模型
“分析决策”是整个系统的核心，包括9个在线实时分析模型 和SAPTIS离线分析模型，通过该模型可实现各类控制参数及 温度应力的自动计算，最终形成决策。
分析预测决策
在线实时分析 离线分析
9大在线模型 SAPTIS
3分析决策模型-在线模型
9个在线模型：实现各环节、混凝土温度全过程控温参数的预测调控。 某测温节点温度已知后，预测未来温度变化，调整温控措施，同时反馈优 化前面环节的温控措施，各环节均需要相关仿真分析模型。
中期冷却目的：防止温度回升，减小后期二期冷却幅度，实现小 温差，缓慢冷却。
结论：通过中期冷却可以优化温度过程、控制温 度梯度，减小温度应力。
1 背景-‘九三一’
（2）‘九三一’温控模式—三期冷却 温度过程控制—无中冷
二冷降温幅度大
1 背景-‘九三一’
（2）‘九三一’温控模式—三期冷却 温度过程控制
1 背景-‘九三一’
（2）‘九’--—九字方针 朱院士：早冷却、小温差、缓慢冷却—针对通水冷却 九字方针：早保护、小温差、慢冷却—针对全过程
早保护：收仓后及时保温或洒水养护（防止倒灌或寒潮） 小温差：内外温差、基础温差、上下层温差、水与混凝
土温差、入仓混凝土与下层硬化混凝土温差 慢冷却：降温速率的控制，不大于1℃/天
东北某坝-95年建成，各类裂缝326条，上游面53条
1 背景
（1）防裂是混凝土坝建设的一项重要任务-近期裂缝
碾压混凝土坝
1 背景
（1）防裂是混凝土坝建设的一项重要任务-近期裂缝
1 背景
（1）防裂是混凝土坝建设的一项重要任务-近期裂缝
LC-190
1.背景--裂缝成因
（2）裂缝成因
抗拉强度
拉应力
智能监控中心
全过程控温优化 控机 目口 标温 度 调
智能拌合
拌合参数预报模型
智能风冷 风冷次数 风冷时长 风冷风温
智能指令
现场无线 通讯设备
2 总体构成-控制
（4）控制之二智能仓面
高温时段施工，仓面环节（入仓、平仓、振捣、碾压）是温控的关
键点之一，智能仓面根据仓面气候仪采集的仓面环境量和控温要求
，采用智能喷雾的方式，自动控制仓面温湿度
大体积混凝土防裂智能监控系统 研发与应用
院
2016年11月
汇报内容
1 研究背景 2 系统构成 3 分析模型-仿真大坝 4 工程应用
1 背景
（1）防裂是混凝土坝建设的一项重要任务-国内外早期裂缝
德沃夏克—美国，混凝土重力
坝，1973年建成，坝高219米，9 个坝段劈头，深达40——50m。
裂缝范 围
1.背景--裂缝成因
（2）裂缝成因
2）温控原因—‘四大’
温差大—内外温差、基础温差、上下层温差、分区温差、冷 却水与混凝土温差、入仓冷激温差等
降温幅度大—一冷降温幅度、二冷降温幅度、表面温度骤降 降温速率大—坝体降温速率不宜大于1℃/天 温度梯度大—二冷不设同冷、竖向梯度大 表面大寒潮、内外梯度增大
内部温度 通水压差 通水流量 通水水温 浇筑温度 仓面温度 辐射热
智能监控中心
实
时 输
智能调控
入
全过程控温优化
通水流量 通水水温
通水流向
高精度流量测控装置
2 总体构成-控制
（4）控制之四智能保温
混凝土裂缝大多发生在表面，保温是防止该类裂缝的 主要手段，根据埋设的温度、温度梯度观测结果和天 气预报，以允许内外温差为目标，及时对可能超标的 部位提出预警，提醒采取措施
半
机口红外测温设备
自
动
入仓温度采集仪
采
集
浇筑温度采集仪
2 总体构成-感知硬件
（2）仓面小气候、太阳辐射热、气温的自动感知
太
阳
辐
射
仓
热
面
小
气
候
2 总体构成-感知硬件
（3）温度信息智能感知
开发了适应大坝施工恶劣环境的数字式温度计（耐低温），实现 内部温度、温度梯度数据的自动采集。
温度梯度仪
2 总体构成-感知硬件
预警信息： 未来5天， 仓面增加
保温
天气预报
未来5 天寒潮 降温
实时输入
侧面保温 上游保温 仓面保温 仓面温度
智能监控中心
全过程控温优化
保温预警
雪层保温效果图
人工造雪保温
2 总体构成-控制
（4）控制之四智能保温
高寒区人工降雪的保温新方法，可节省保温材料，有效确保保 温质量。
人
工 降
降雪时机
雪
评
降雪厚度
视频智能监控
视频信号 无人干预 智能识别 判断行为 预警控制
工业4.0 中国制 造2025
1 背景
智能监控研究历程
仿 真 分 析
2002年，水利部创新项目—混凝土温度与应力控制决策支持系统 2005-2007年，周公宅应用，获大禹科技进步奖 2007年，朱伯芳院士提出‘数字监控’ 2008-09年，开发数字监控软件及监控设备（数字温度计及梯度仪） 2009年始，‘智能化建设’‘智能监控’，溪洛渡、锦屏、鲁地拉
2 总体构成
互联物联：将人、信息、仪器、设备、车通过互联物联技 术全部与系统相连
仪器：除观测量外，仪器自身的特征、位置、埋设人员等 设备：位置、状态 人：轨迹、操作记录，如安装仪器—二维码
人工测量 自动观测
操作人员 仪器编码 位置 观测量等
观测量 位置 观测量等
2 总体构成
互联物联：将人、信息、仪器、设备、车通 过互联物联技术全部与系统相连
35号坝段
1 背景
（1）防裂是混凝土坝建设的一项重要任务-国内外早期裂缝
修补历经10年，费用巨大
1 背景
（1）防裂是混凝土坝建设的一项重要任务-国内外早期裂缝
国内某坝-70年代建成，施工期：3347条，贯穿性19条 加高前检查：各类裂缝3426条。
1 背景
（1）防裂是混凝土坝建设的一项重要任务-国内早期裂缝
有中期冷却
1.8MPa
通过中冷可降低 拉应力30%以上
分级降温，改善梯度
1 背景-‘九三一’
（2）‘一’—一个监控---智能监控
数字监控（早期）：将有限的大坝安全监测数据与仿真分析 结果相结合，实现全坝全过程工作性态的全面把控
智能监控（目前）：由现代传感技术、信息技术、互联物联 技术、人工智能技术、智能控制技术组成，对施工全过程 （防裂）的监控，关键环节实现智能控制
（4）通水信息的智能感知
开发了与智能通水配套的通水信息自动采集设备，实现水压、流 量、流向、水温等信息的自动感知。
测控单元
2 总体构成
感知：施工期变形
2）变形感知：把握施工期工作性态，为仿真大坝提供数据
传统：垂线—安装与观测之后：大坝浇筑2/3之上，蓄水前 目前：高精度测斜仪、激光、数字测量等
规范控制温差
1 背景-‘九三一’
（2）‘九’—九字方针—小温差
基础温差 内外温差 上下层温差
温控设 计源自文库任
务
冷却水与混凝土温差： 低温入仓与下层硬化混凝土温差： 存在冷激开裂风险
温度梯度
1 背景-‘九三一’
（2）‘九’—九字方针—小温差
二冷冷却水与混凝土温差：
规范规定：不宜超过20-25℃
锦屏：全部温控相关数据自动化，日入库量：数十万条
1 背景
智能监控研究历程
仿 真 分 析
2012年，藏木应用 2013年，混凝土坝防裂全要素、全环节、全过程智能监控
智能拌合楼、智能仓面、智能通水、智能保温、全过程优化
2014年至今，丰满重建工程、黄登工程全坝推广应用
25
汇报内容
1 研究背景 2 系统构成 3 分析模型-仿真大坝 4 工程应用
锦屏及溪洛渡的三期冷却
锦屏（三期5阶段）
1 背景-‘九三一’
（2）‘九三一’温控模式—三期冷却 高度方向梯度控制 通过中期冷却可控制高度方向温度梯度
通过论证： 一个同冷 区可满足 要求
1 背景-‘九三一’
（2）‘九三一’温控模式—三期冷却
无中冷
2.2Mpa
有中冷
1.5Mpa
无中期冷却
3.0MPa
2 总体构成
（1）总体构成
智能监控：针对温控施工管控存在的问题，采用信息化、数字化、智能化 手段对温控质量进行全环节监控，确保监测与控制信息的及时、准确、真 实、系统，以温控施工监控的智能化促进温控施工的精细化。
全 全全 要 环过 素 节程
2 系统构成
（1）总体构成
智能监控包括四部分，分别 为感知、互联、分析及控制； 感知：温控全要素的自动或 人工采集。 互联：互联网、物联网、云 技术 分析：系统的核心，实时分 析 控制：自动控制、预警控制
信息互联互通 机械设备
仪器
人员
业主方监理方施工方 设计
信息 应用服务器
2 总体构成
控制—四个控制环节的关联控制
可以实现原材料预冷、混凝土拌合、运输、入仓、平仓、振捣、 养护、通水冷却全环节的智能控制，且四大系统相互关联
混凝土生产
智能拌合楼
智智 能能 配机 合口 比温
度
混凝土浇筑
智能仓面
智智 能能 小养 环护 境
实时输入
浇筑温度
智能监控中心
入仓温度
仓面小气候仪
全过程控温优化 控浇 目筑 标温 度 调
实时输入
智能控仓
智能喷雾
智能指令
仓面温度 仓面风速 仓面湿度
辐射热
仓面环境评价模型
自动喷雾机
小气候调控
2 总体构成-控制
（4）控制之三智能通水
以混凝土温度应力过程最优为目标确定降温控温曲线，通水智能调节通 水参数（流量、流向）使实际温度过程与给定曲线吻合（应力根据温度 及位移观测仿真计算）。
温 控 信 息 传 输 子 系 统
信 息 管 理 与 评 价 子 系 统
仿
真
分智 析能 与拌 反合 分子 析系 子统 系
统
智 能 喷 雾 子 系 统
智 智能报 能通警 保水预 温控警 子制子 系子系 统系统
统
信
息
决发
策布
支与
持干
子 系
预 子
统系
统
全过程关联模型
汇报内容
1 研究背景 2 总体构成 3 分析决策模型 4 工程应用
1 背景-‘九三一’
（3）‘九三一’温控模式—基本理念-2013年
早保护
九
9字方针
小温差
三
慢冷却
一
一期
温
33期期冷冷却却
中期
控
二期
温差大 降温幅度大 温度梯度大 降温速率大
模
针对四大致裂机理，
式
1个监控
智能监控
确保控制精准到位
通过‘九三一’，解决“四不”，控制“四大”。有效控制 ：温差、降温幅度、降温速率、温度梯度等产生应力的温度 要素，达到防裂目的。