淺談數字大崗山的建設與實踐

吳 楠

(國電大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

1 數字大壩理論概念

數字大壩集成涉及工程質量、進度、施工過程、安全監測、工程地質、設計資料等各方面數據、信息；涵蓋業主、設計、監理及施工等單位，同時集成計算機技術、管理科學、信息技術等，借助軟、硬件，實現了海量信息數據的管理；并協調各類信息內部關系，實現優勢互補、資源共享及綜合應用的系統體系，為提升大壩建設管理水平提供了科學途徑。數字大壩可用如下表達式表述：數字大壩=互聯網+衛星技術+當代信息技術+先進控制技術+現代壩工技術。[1]

2 數字大崗山的建設

2.1 大崗山工程的技術難點

大崗山水電站為一等大(Ⅰ)型工程。工程特點可簡要概括為“三高一大”，即高地震烈度(設計抗震基本烈度為8度，屬世界第一)、高拱壩(壩高210 m，大渡河流域唯一一座混凝土拱壩)、高邊坡(邊坡開挖高度達到500 m級)、大型地下洞室群。工程建設過程中，拱壩抗震安全、混凝土溫控、復雜地層灌漿等技術問題十分突出。為了適應大崗山水電站工程建設安全風險大、質量標準高、進度壓力大、投資風險高等的需要，就必須改變傳統的管理模式，采用技術先進、管理高效、程序優化的大數據智能化科學管理模式。

2.2 研究的總體構架

大崗山工程數字化管理系統的定位為處于工程管理層和現場生產之間的執行層，主要負責生產管理和調度執行與質量監控。建立在企業上層的項目管理信息系統(如PMS)，強調的是面向宏觀目標管理；建立在底層進行生產控制的是以先進控制、操作優化為代表的過程控制技術(PCS)，強調的是通過控制優化，減少人為因素的影響，從而提高產品的質量與系統的運行效率；中間建立面向生產過程控制的施工過程執行系統(CES)，實現計劃管理層和底層控制層之間的上傳下達、互聯互通。

系統在統一的分布式平臺上集成諸如生產調度、產品跟蹤、質量控制、設備運行分析、總體報表等管理功能，使用統一的數據庫和通過網絡聯接可以同時為工程業主單位、設計單位、施工單位、監理單位等提供現場管理信息服務。系統通過強調施工過程的綜合監控與整體優化來幫助實施完整的閉環生產，協助工程建立一體化和實時化的信息體系，全面保證工程建設的安全、進度與質量。根據大崗山工程的特點，數字化管理系統平臺分為4個層次，分別為：業務處理與數據采集層、數據查詢與單據輸出層、綜合查詢與分析對比層、關鍵指標評價與預報警層。其中，前兩個層屬于操作執行層，可通過制定標準的規范與方法，采用固定的流程組織業務工作，采集相關數據；后兩個層次為管理決策層，通過對現場采集的各類數據匯總、歸類，實現查詢分析、綜合關鍵指標評價與預報警，進而實現對操作執行層的綜合反饋、實施控制與工作指導。

2.3 研究的主要內容

經過專題研究，匯集國內相關科研院、所優勢資源，建成了8大業務管理系統，詳見表1。

表1 大崗山數字化管理業務管理系統及實施單位

2.3.1 溫控仿真分析系統

利用物聯網技術，在數據采集中應用數字化方法， 提高數據采集的效率、及時性與準確性，避免了傳統作業方式帶來的弊端，系統中應用的數字溫度計+數字溫度采集器 +數字化溫控管理平臺的組合方案， 實現了大壩混凝土數字測溫。

溫控決策支持系統能夠記錄混凝土從生產、入倉、澆筑乃至后期養護全過程中的溫度數據，形成每一倉的溫度檢測統計數據，包括出機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、最高溫度、環境溫度等。統計每日監測次數，平均溫度，最高、最低氣溫及最大溫差，并在圖表中繪制氣溫曲線，包括日平均溫度曲線和日最大溫差曲線。通過分析采集的相關數據，對混凝土齡期情況、內部溫度變化情況、溫控措施實施情況、以及環境變化情況等進行實時監測及快速分析，對超出設計標準的指標采取相應預警提示及提出決策支持，指導施工進行。

2.3.2 施工進度仿真系統

包括九大模塊，即施工參數模塊、仿真計算模塊、對比分析模塊、圖形顯示模塊、數據輸出模塊、實際進度模塊、信息查詢模塊、數據庫管理模塊及幫助模塊。該系統支持壩體動態分層分塊、大壩施工過程動態跟蹤、實時仿真計算、施工進度預測分析與預警、大壩澆筑進度計劃制定等功能。結合本系統集成平臺，可實現提供大壩基礎定義及現場的實際施工進度數據，并依此來綜合仿真分析大壩的施工進度計劃(澆筑、接縫灌漿等)，提供并驗證綜合施工計劃方案，指導長、中、短期的施工計劃制定。最終將大壩施工進度仿真計劃在系統中予以發布，為工程管理決策以及施工提供有力支持。

2.3.3 灌漿實時監控系統

以計算機和網絡協調器為核心，將一個施工面的所有內嵌無線通信模塊的灌漿記錄儀，通過無線網絡通信方式聯網組成。每臺灌漿記錄儀在完成灌漿數據顯示、記錄的同時，將所采集的數據以無線多跳路由的方式，實時傳輸給網絡協調器。網絡協調器直接與灌漿管理系統的核心電腦連接，完成對現場施工所有數據的實時顯示、記錄、查詢、曲線顯示分析、打印、防偽分析等功能。徹底改變了過去灌漿施工儀器設計面向施工方，施工點分散、孤立、難以全面實時監控的局面；采用全新的面向業主和監理的設計理念，大大強化了現場的施工管理和監控的能力。通過設定灌漿量、抬動、壓力預警值，實現異常情況的及時處置，保證了工程質量。

2.3.4 纜機防撞預警系統

針對大崗山陰霧和夜間施工環境下大壩施工的混凝土料罐精確定位的問題，從施工環境復雜性和自然環境多霧性兩個角度出發，由武漢大學和武漢理工大學在纜機定位系統的基礎上，通過軟件與硬件集成的手段，研制的一套全天候自動測控運行系統。

圖1 灌漿監控系統組成

結合GPS實時獲取高精度位置信息的功能和GIS強大的空間分析功能，對項目進行精心的技術設計，通過無線電波通訊實現數據遠程實時傳輸，建設一套連續、自動、實時監測,而且不受包括陰霧等自然環境因素影響的、全天候的面向大型纜機施工過程安全的GNSS/GIS集成的智能誘導系統，滿足連續工作和不受天氣影響的施工管理要求。

2.3.5 微震監測系統

針對右岸邊坡卸荷裂隙加固處理，進行了巖質邊坡穩定性數值仿真方法的研究，提出了針對巖質邊坡穩定性分析的新型數值模擬方法—離心加載法，并研發了RFPA-centrifuge軟件系統；通過數值仿真試驗，再現了巖質邊坡漸進破裂和滑坡過程，揭示了巖質邊坡在開挖擾動條件下的裂紋萌生、擴展、貫通過程和潛在滑面孕育過程中的微破裂前兆規律；基于能量耗散原理，提出了考慮微震損傷效應的邊坡巖體劣化準則，建立了基于微震監測數據反饋的微震損傷效應邊坡穩定性分析法，并開發了RFPA-MMS巖石邊坡微震損傷穩定分析軟件系統。

電站蓄水過程中，受外部因素影響，蓄水時間推后，大壩施工形象與設計發生較大改變，大壩整體出現前傾變化趨勢，現有監測手段難以反映壩踵的真實性態狀況，為此，首次利用微震監測技術，開展了壩體及壩基在施工、蓄水、初期運行過程中巖體及壩體微破裂變形監測，開拓了微震監測技術的應用新領域。

圖2 右岸變坡微震監測事件

2.3.6 安全監測系統

系統對安全監測數據進行了規范的綜合統計、分析和展示，以便相關工作人員從整體的角度對大壩工程施工監測數據進行掌控與分析。采用表格、曲線圖等多種方式對安全監測的數據進行了個性化的展現，并對安全監測的數據進行分析、整理后，在監測結果查詢頁面中以成果曲線圖和統計報表的形式展現出來。通過成果曲線圖，我們可以掌握大壩施工過程中溫度、開合度、應力、應變、位移、穩定、滲流、滲壓、裂縫等監測項目等監測值的變化趨勢，能夠對安全監測信息進行全面的查詢和展現。

2.3.7 視頻監控系統

系統布置總共11個點位：桃壩渣場下游省道與縣道交匯處、泄洪洞出口、大崗山隧道出口路邊、右壩肩下游、右壩肩上游、主廠房安裝間頂部、副廠房頂部、海流溝大壩沙石系統、觀景臺、左壩肩上游、左壩肩下游。各監控點將監控到的圖像信息通過光纖網絡遠程傳入數字化監控系統，經過數據轉化后，形成的圖像信息，可在辦公室內安裝有客戶端的計算機上觀看。

2.3.8 三維模型及信息查詢系統

樞紐工程三維模型是實現工程數字化管理的基礎工作。三維模型不僅應用于樞紐工程的可視化展現，也是樞紐工程建筑物特征的重要描述要素，可以用來定義樞紐工程建筑物的幾何特性，如：部位、坐標、方量等信息，同時，作為建筑物信息模型(BIM)的基礎，用來定義并維護特征結構、材料、施工工藝參數、約束條件等信息，為數字化管理提供準確的邊界條件。同時，通過將施工過程數據與三維模型關聯，實現動態的工程數字化管理和展現。

3 取得的成效

3.1 工程安全管理

通過纜機防碰撞系統應用，施工過程預警提示3000余次，實現緊急避險5次，保證了項目安全生產。

3.2 大壩施工質量管理

通過“數字大崗山系統”有效實施，采集近45萬罐混凝土實時生產數據，監控450余萬條大壩混凝土關鍵溫控數據，使混凝土雙曲拱壩澆筑溫度合格率和混凝土峰值溫度合格率從前期的不足80%提升到96.3%，大壩未出現一條危害性裂縫。

3.3 大壩施工進度管理

借助大崗山大壩施工進度仿真系統，科學調配各類資源，精心組織施工，使大壩實際施工進度執行率從82%提高至98.7%；通過拌和樓監控平臺、纜機遠程監控和防碰撞系統聯合作用，混凝土施工工效整體提高7%，大壩總進度提前2個月。

3.4 投資控制管理

通過數字化應用取得了較好的經濟效益。通過數字化智能管理技術研究，取得直接經濟效益8000萬元，間接效益2億元。

4 結 語

大渡河公司先后在瀑布溝、深溪溝、大崗山、枕頭壩一級、猴子巖等水電工程中大力推進工程建設信息化的同時，進行了大量的標準化建設和規范化管理工作，并逐步建成了全面感知和數字處理的管控系統，進行了以數字化建設為主要特點的智慧工程先期探索，積累了智慧工程建設的初步經驗。

在大崗山水電站，大渡河公司聯合多家科研單位提出了“數字大崗山”建設規劃，通過對大壩澆筑、溫度控制、基礎處理、纜機運行等施工過程的信息化、數字化管控，實現了多個專業工程的全面數字管理，保障了工程安全和質量。