水利工程質量管理中的智能化監控系統研究

楊 誠

傳統的質量管理依賴于從業人員專業素養與責任，從近些年發現的大壩建設中出現的諸如混凝土裂縫、混凝土碾壓不密實、灌漿不合格等質量問題時，其中一個很重要的原因就是信息不暢導致措施與管理不到位，信息獲取“四不”不及時、不準確、不真實、不系統。三河口水利樞紐大壩為高碾壓混凝土雙曲拱壩，受技術難度、地質條件及施工技術水平的限制，大壩混凝土碾壓、溫控、灌漿等施工方面容易出現質量控制盲區。研發并建立全面感知、真實分析、實時控制的大壩智能化監控系統，采用信息化、數字化、智能化手段對施工質量進行全面監控，實現智能溫控、數字大壩、數字灌漿等質量管理目標，確保監測、控制與預警信息的及時、準確、真實、系統，以監控管理的智能化促進施工的精細化，從而確保大壩整體安全。

1 水利工程智能化監控系統建立的必要性

三河口水利樞紐大壩為碾壓混凝土拱壩，最大壩高141.5 m，正常蓄水位643 m，水庫總庫容為7.1億m3；樞紐主要由包括攔河大壩、泄洪放空系統、供水系統和連接洞等組成。如何采取有效的手段確保工程的施工質量一直是工程建設的主要任務。作為我國少見的幾個高碾壓混凝土拱壩之一，大壩建設過程中將面臨如下不利因素：

（1）樞紐地處高山峽谷區，地形、地質條件復雜，水推力大，工程整體防裂要求高、控制難度大；

（2）大壩工程建設規模居國內擬建同類壩型前茅，工程規模大，建設周期長，施工過程受自然環境、結構型式、工藝要求、組織方式以及澆筑機械與建筑材料等諸多因素影響，質量控制難度較大；

（3）左右岸壩肩斷層發育，蓄水后壩肩穩定問題突出；

（4）碾壓混凝土抗裂能力相對常態混凝土偏弱，尤其是層間結合質量控制難度大，層面防滲、抗裂能力較差；

（5）壩址所在地區，1月多年平均溫度為1.2℃，7月多年平均溫度為24.2℃，年溫差大，溫控條件較惡劣，防裂難度明顯大于同類已建工程。

上述不利因素給工程建設的施工質量管理帶來重大挑戰。如何實現對大壩混凝土施工質量的有效監控，確保大壩現場施工質量的有效評價，對現場各種可能發生的風險事故預防與預警顯得尤為重要。通過研發并建立智能化監控系統，實現對大壩建設施工質量溫度控制、碾壓質量、澆筑信息、灌漿和變形監測等信息的智能采集、統一集成、實時分析與智能監控，可有效確保大壩施工質量。

2 水利工程智能化監控系統的設計

三河口水利樞紐施工期智能化監控系統是由項目法人結合工程實際設計開發的一套智能化監控系統，進行輔助質量管理，其核心是在一個智能化控制管理平臺下，以BIM圖形信息為紐帶，統一協調6個施工質量管理子系統以及包含了人員車輛定位、施工安全視頻監控、施工進度仿真管理等4個其他子系統。6個子系統包括大壩混凝土溫度智能監控管理、大壩混凝土碾壓質量監控管理、混凝土加漿振搗監控管理、大壩施工質量綜合監控管理、灌漿質量自動化監控管理、大壩壩踵變形自動化監測管理，框架見圖1。

圖1 三河口水利樞紐施工期智能化監控系統框圖

2.1 大壩混凝土溫度智能監控管理

結合三河口水利樞紐工程的特點及大體積混凝土溫控防裂要求，建立三河口水利樞紐工程碾壓混凝土拱壩施工期溫控防裂智能監控系統。該系統應運用自動化監測技術、GPS定位技術、無線傳輸技術、網絡與數據庫技術、信息挖掘技術、數值仿真技術、自動控制技術，實現溫控信息實時采集、溫控信息實時傳輸、溫控信息自動管理、溫控信息自動評價、溫度應力自動分析、開裂風險實時預警、溫控防裂實時反饋控制。子系統功能劃分見圖2。

圖2 混凝土防裂動態智能溫控系統框圖

2.2 大壩混凝土碾壓質量監控管理

通過在碾壓車輛上安裝集成高精度的GPS接收機的監測設備裝置，基于GPS、GPRS和PDA技術，實現了碾壓遍數、碾壓軌跡、行車速度、激振力、壓實厚度等碾壓參數的全過程、在線實時監控，采用適合于連續碾壓質量控制要求的壓實質量實時評估指標值，動態監測和評估大壩壓實效果，并根據壩料壓實情況，自適應的調整碾壓機械運行特征，實現遠程監控和反饋指導施工。子系統功能劃分見圖3。

圖3 碾壓質量監控管理系統框圖

2.3 混凝土加漿振搗監控管理

為有效監控加漿振搗質量，研發完成混凝土振搗加漿監控系統，實現對混凝土振搗位置、加漿量、加漿濃度等智能監控，該系統運用自動化監測技術、GPS定位技術、無線傳輸技術、網絡與數據庫技術、信息挖掘技術、數值仿真技術、自動控制技術開發完成綜合評價子系統數據，逐層生成圖形報告與數據報表。根據需求分析，子系統功能劃分見圖4。

圖4 混凝土振搗加漿智能控制系統框圖

2.4 大壩施工質量綜合監控管理

結合三河口水利樞紐工程的特點及混凝土施工質量要求，建立三河口水利樞紐工程碾壓混凝土拱壩施工期混凝土施工質量管理系統，實現以施工單元（澆筑倉）為核心的大壩建設過程中重要業務數據的監控與采集、實時分析、反饋與共享，通過數字化的方式實現混凝土試驗檢測、倉面設計、開倉計劃、配合比等施工流程的電子化管理，提供直觀、人性的業務界面，數據采集全部依托日常業務開展，相關的成果全部通過系統自動生成。子系統功能劃分見圖5。

圖5 大壩施工質量綜合監控管理系統框圖

2.5 灌漿質量自動化監控管理

灌漿管理信息系統是以電子信息技術、數據庫技術、無線網絡技術為基礎，形成所需要的數據庫系統，具有現場數據收集，數據遠程傳輸，數據融合分析一體化功能，為設計管理、施工過程管理、質量管理到成果管理在內的施工全生命周期的灌漿監控系統，提供數據支撐。它的應用能提高工程管理人員在灌漿管理過程中的實時性和成工作效率，及時發現灌漿過程中出現的異常情況，從而提高灌漿工程質量管理水平。子系統功能劃分見圖6。

2.6 大壩壩踵變形自動化監測管理

為了彌補傳統監測方式的不足，解決施工期變形漏測問題，開發完成施工期大壩變形智能監測系統，實時捕捉施工期壩體的變形，獲取第一手資料，為后期大壩工作動態分析提供依據。項目主要內容為施工期變形自動監測系統，包括變形監測信息實時自動采集與存儲模塊、海量變形數據實時傳輸、變形風險實時預警、壩踵變形監測系統。子系統功能劃分見圖7。

圖7 大壩壩踵變形自動監測系統框圖

3 結論

通過本項目的建設，實現了對大壩建設全過程混凝土澆筑信息、碾壓質量、溫度控制和變形監測等信息的智能采集、統一集成、實時分析與智能監控。

（1）實現海量施工質量等各類監控數據的自動獲取，確保數據的“實時、有效、準確和完整”，有效地解決現場監控模式的四不問題（不及時、不準確、不真實、不系統）；

（2）實現混凝土大壩施工的自動管理與評價，確保混凝土施工全過程的可知、可控、可調，達到防止危害性裂縫發生的目的；

（3）實現混凝土施工全環節的智能化監控，提高工程管理效率，為施工質量提供可靠保障；

（4）為現場應急決策提供可操作、可展示的智能化監控平臺，實現施工現場各類資料的直觀展現，為建設決策提供依據；

（5）為工程的資料管理和驗收提供數字化檔案服務。

系統的全方位應用還將實現水利工程的創新化管理，既為打造優質精品樣板工程提供有力保障，又為樞紐工程的安全鑒定、竣工驗收以及今后的長期運行安全管理提供支撐平臺。目前該系統已成為項目法人實施質量智能化管理不可或缺的好幫手。

目前正是三河口水利樞紐大壩建設的高峰期，由于系統剛投入使用，系統運行、人員培訓、報告報表等相關工作仍需進一步補充、完善，后續更好地服務于工程質量管理。