混凝土坝防裂智能监控系统
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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
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 计的任
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℃
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
33wk.baidu.com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。
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
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
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
锦屏：全部温控相关数据自动化，日入库量：数十万条
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 计的任
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℃
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
33wk.baidu.com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。
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
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
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
锦屏：全部温控相关数据自动化，日入库量：数十万条
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
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
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
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
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
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
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
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
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