面板混凝土人工智能養(yǎng)護(hù)新技術(shù)

(中國水利水電第五工程局有限公司第三分局，成都，610066)

1 阿爾塔什大壩面板裂縫防控的重要性

(1)面板作為壩體核心防滲結(jié)構(gòu)，意義重大

在混凝土面板堆石壩中，面板處于壩體迎水面，作為直接擋水防滲的重要結(jié)構(gòu)物，是壩體防滲的核心結(jié)構(gòu)。新疆阿爾塔什水利樞紐工程擋水壩為混凝土面板砂礫石-堆石壩，壩頂寬度為12m，壩長795m。水庫總庫容22.49億m3，正常蓄水位1820m，壩體填筑底高程1661m，最大壩高164.8m，電站裝機(jī)容量755MW，為大(1)型Ⅰ等工程。

(2)面板呈薄型長條板狀結(jié)構(gòu)，脆弱性高，易產(chǎn)生裂縫

面板混凝土(專指壩體面板，下同)屬于典型的薄型、長條、板狀結(jié)構(gòu)，長、寬、厚三向尺寸相差懸殊，突出了整塊面板混凝土中厚度方向的脆弱性，易產(chǎn)生裂縫。阿爾塔什面板混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30、抗?jié)B標(biāo)號為W12、抗凍標(biāo)號為F300，普通硅酸鹽水泥，摻聚乙烯醇PVA纖維，面板底部厚度最大為0.96m，頂部厚度最薄為0.4m，坡比為1∶1.7，最大坡長315.6m，共計(jì)76塊面板。面板寬度主要分12.0m與6.0m兩種，其中河床部位受壓區(qū)寬12.0m面板45塊，岸坡部位受拉區(qū)寬6.0m面板25塊(左岸11塊、右岸14塊)，右岸端頭寬12.0m面板6塊。

(3)工程地處高寒、高海拔地區(qū)，環(huán)境惡劣，促進(jìn)了面板混凝土裂縫的發(fā)展

經(jīng)驗(yàn)表明，環(huán)境溫度和濕度對于面板抗裂有較大影響。阿爾塔什大壩工程位于新疆塔里木盆地西部，多年平均風(fēng)速為2.0m/s～2.2m/s，多年平均月蒸發(fā)量為143mm～382mm，多年平均月降水量3.6mm～8.5mm，多年平均相對濕度40%～47%。相對有利于面板混凝土澆筑的3月-5月間，極端最高氣溫36.3℃，極端最低氣溫-8.3℃，是典型的高寒、高海拔地區(qū)氣候特征，日溫差大、干燥多風(fēng)、蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水稀少，是不利于面板混凝土防裂施工的重要因素。

(4)面板裂縫類型及成因

面板裂縫主要分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫，結(jié)構(gòu)裂縫主要產(chǎn)生原因?yàn)閴误w不均勻沉降、地震、脫空等造成。收縮裂縫是混凝土收縮變形受到約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度引起的裂縫，按產(chǎn)生原因分為塑形收縮、溫度收縮、干燥收縮、自生體積收縮，與面板澆筑完成后的養(yǎng)護(hù)環(huán)境息息相關(guān)。因此，后期養(yǎng)護(hù)對面板混凝土防裂具有重大影響。

2 面板混凝土養(yǎng)護(hù)工藝

為防止面板裂縫產(chǎn)生，經(jīng)過在阿爾塔什大壩工程面板養(yǎng)護(hù)過程實(shí)踐研究，總結(jié)了具體的養(yǎng)護(hù)工藝，具體如下。

2.1 主要養(yǎng)護(hù)方案

混凝土面板一般采用滑模跳倉澆筑施工工藝，滑模提升過程由人工同步進(jìn)行修整抹面，完成抹面后即開始養(yǎng)護(hù)工作。按照勤灑水補(bǔ)濕、及時覆蓋、長流水(溫水或常溫水)、多層保溫、溫度監(jiān)測反饋等多重全方位進(jìn)行養(yǎng)護(hù)施工，通過溫度數(shù)據(jù)的信息化處理，結(jié)合自動化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)反饋的智能養(yǎng)護(hù)機(jī)制。具體的養(yǎng)護(hù)工藝流程如圖1所示。

圖1 面板養(yǎng)護(hù)工藝施工流程

2.2 養(yǎng)護(hù)布置

2.2.1 水管及水箱布置

面板混凝土養(yǎng)護(hù)用水采用左、右岸兩個高位水箱，相互貫通，由揚(yáng)程130m，額定流量80m3/h的水泵供水。高位水箱接φ80mm鋼管作為主管，布設(shè)在壩前管溝內(nèi)。隨面板倉位的澆筑，臨時設(shè)置加熱水箱(內(nèi)裝48kW的組合加熱棒)。管溝內(nèi)φ80主管間隔12m寬度(相鄰面板垂直縫間)設(shè)置φ20PVC支管，φ20支管沿面板所在坡面縱向鋪設(shè)到底，并向上間隔20m設(shè)置橫向花管，鋪設(shè)在混凝土面板表面，花管間隔20cm鉆2mm出水孔，各支管位置均安裝球閥，以控制水流量。壩前養(yǎng)護(hù)用水水管布置如圖2所示。

圖2 壩前養(yǎng)護(hù)用水水管布置示意

2.2.2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)布置

根據(jù)養(yǎng)護(hù)要求，為了保證養(yǎng)護(hù)過程混凝土表面濕度、內(nèi)外溫差滿足規(guī)范要求，設(shè)置溫度傳感器對面板溫度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合長流水養(yǎng)護(hù)水管的布置，按照單倉養(yǎng)護(hù)單元(12m×20m)選取倉位中間位置在混凝土內(nèi)部布設(shè)溫度探頭，溫度探頭布設(shè)深度分別為：距下表面10cm處、1/2厚度處、距上表面10cm處。

在壩前設(shè)置溫度監(jiān)控室，將所有監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)傳輸至控制主機(jī)上，進(jìn)行監(jiān)控、記錄及數(shù)據(jù)的自動化分析與智能處理。

2.3 覆蓋養(yǎng)護(hù)

按照澆筑進(jìn)度依次覆蓋塑料薄膜、土工布、雙層氣泡膜、復(fù)合土工膜，具體覆蓋過程為：

(1)在抹面后，混凝土表面達(dá)到初凝，覆蓋塑料薄膜，避免混凝土表面水分流失過快，而造成混凝土表面產(chǎn)生干縮縫；

(2)在外露塑料薄膜有一定長度后，由下至上撤掉部分塑料薄膜，開始鋪設(shè)土工布(200g/m2)+雙層氣泡膜+復(fù)合土工布(200g/0.5mm/200g)，并在過程中由人工進(jìn)行灑水保持混凝土表面濕潤。

2.4 長流水養(yǎng)護(hù)

完成全面覆蓋的同時，布置完成養(yǎng)護(hù)用水供給。養(yǎng)護(hù)用水從壩前基坑內(nèi)抽水至壩頂，結(jié)合左右岸高位供水水箱，在壩前臨時斷面施工平臺按照倉位間隔約50m設(shè)置一個加熱水箱，水箱尺寸為長6m×寬1.5m×高1.5m，水箱采用電加熱和炭加熱的組合方式進(jìn)行，并在水箱內(nèi)部安裝溫度探頭，監(jiān)測水溫，通過數(shù)據(jù)對比分析，如混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度相差大于20℃，則控制電加熱打開，提高養(yǎng)護(hù)水溫，以此降低溫差，達(dá)到溫度梯度在可控范圍內(nèi)。

2.5 溫度監(jiān)控

混凝土面板溫度監(jiān)控采用自行設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合自動化控制系統(tǒng)，按面板倉位設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，分上、中、下布設(shè)三個溫度探頭，溫度探頭采用PT100熱電阻式傳感器，測溫范圍為-50℃～200℃，實(shí)測測量精度為±0.5℃，能夠保證監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)的可靠對比，同時，檢測環(huán)境溫度和水溫。實(shí)時采集溫度數(shù)據(jù)，并將倉內(nèi)混凝土中部溫度與表面溫度進(jìn)行對比。若溫差大于20℃，則電磁控制器開啟電加熱，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)用水加熱，以提高混凝土表面溫度；若溫差小于20℃，則不開啟電加熱控制器。以此來達(dá)到混凝土內(nèi)外溫差在控制范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)及時控制調(diào)整。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在混凝土達(dá)到5d～7d齡期后，其內(nèi)部溫度基本穩(wěn)定，并接近環(huán)境溫度。因此，測溫時間從溫度探頭所在位置被澆筑完成至整倉面板5d～7d齡期滿時可停止溫度監(jiān)控，實(shí)時監(jiān)測溫度過程中，每1h采集一次溫度進(jìn)行保存，達(dá)到后續(xù)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析。

3 混凝土表面溫控人工智能技術(shù)

智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)是基于自主開發(fā)的“混凝土自動養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)V1.0”實(shí)現(xiàn)的，該軟件系統(tǒng)運(yùn)行在Windows 7及其以上操作系統(tǒng)上，采用的數(shù)據(jù)庫為Mysql 5.5及其以上，運(yùn)行環(huán)境為JRE 8.0及其以上，相關(guān)組件包括WPF和ActiveMQ 5.15.4，硬件運(yùn)行要求CPU為Pentium Ⅱ 450以上，內(nèi)存2GB以上，硬盤40GB以上，顯卡250MB顯存以上。包括實(shí)時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設(shè)置三大模塊，能夠在現(xiàn)場混凝土澆筑過程中，用于實(shí)時檢測溫度并根據(jù)設(shè)定自動調(diào)節(jié)加降溫，以保證混凝土的質(zhì)量。

結(jié)合《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144-2001)相關(guān)要求，針對面板混凝土為薄型長條板狀結(jié)構(gòu)，制定的面板養(yǎng)護(hù)控制溫差標(biāo)準(zhǔn)為：混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度的差值不超過20℃；混凝土溫度與水溫之差不超過25℃。

混凝土表面人工智能控制是由傳感器、信息化系統(tǒng)、電磁控制單元所組成的，其工作機(jī)理是：通過終端傳感器實(shí)時采集混凝土表面溫度、混凝土內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度、水溫等數(shù)據(jù)，所采集的溫度數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器與設(shè)定的控制溫差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柊l(fā)送給電磁控制單元，電磁控制單元控制水箱加熱的開關(guān)，達(dá)到控制水溫的目的，水溫的改變影響混凝土表面溫度，以此形成了反饋循環(huán)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智能養(yǎng)護(hù)。

4 工程應(yīng)用效果

阿爾塔什大壩工程一期面板混凝土澆筑過程，采用人工智能養(yǎng)護(hù)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了面板中部溫度與表面溫度的差值處于面板裂縫防治的最佳范圍。以某倉養(yǎng)護(hù)過程的溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為例，其混凝土中部最高溫度為40.9℃，在澆筑完成5d后，中部溫度低于30℃，期間環(huán)境溫度范圍為7.7℃～26.7℃，養(yǎng)護(hù)水溫范圍為24.9℃～29.5℃，混凝土中部與混凝土表面最大溫差為11.9℃，達(dá)到了面板養(yǎng)護(hù)過程混凝土面板內(nèi)外溫差的有效控制，實(shí)現(xiàn)了良好的養(yǎng)護(hù)效果。養(yǎng)護(hù)溫度折線如圖3。

圖3 某倉面板養(yǎng)護(hù)過程溫度監(jiān)測折線

經(jīng)總結(jié)，采用以上面板混凝土人工智能養(yǎng)護(hù)工藝，所達(dá)到的有益效果是：

(1)在面板澆筑過程中，滑模提升后即覆蓋塑料薄膜，間隔灑水補(bǔ)濕，能夠有效實(shí)現(xiàn)面板表面保濕，避免面板表面水分流失過快產(chǎn)生塑性收縮縫。

(2)采用了土工布、雙層氣泡膜、復(fù)合土工膜對面板進(jìn)行覆蓋，隔絕外部環(huán)境低溫，使養(yǎng)護(hù)溫水流動過程中溫度損失較慢，降低整倉面板溫度受環(huán)境溫度的影響程度，避免產(chǎn)生較大的溫度梯度，減少了溫度收縮裂縫。

(3)在面板混凝土內(nèi)設(shè)置溫度探頭，進(jìn)行混凝土內(nèi)部溫度的實(shí)時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化處理，結(jié)合自動化控制技術(shù)，通過調(diào)整加熱養(yǎng)護(hù)用水的方式，實(shí)現(xiàn)水溫調(diào)整，達(dá)到對面板內(nèi)外溫差在面板混凝土裂縫防控的最佳范圍。

(5)經(jīng)過初步檢查，面板表面干縮裂縫數(shù)量少，裂縫分布數(shù)量為1條/1000m2或4.3m/1000m2，相比類似工程，初期裂縫數(shù)量發(fā)生量較少。

5 結(jié)語

阿爾塔什一期混凝土面板自2018年3月10日開始首倉澆筑，于2018年5月28日完成所有面板澆筑，累計(jì)澆筑總量約3.8萬m3，面板表面積4.4萬m2。采用人工智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行面板混凝土全過程養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)了混凝土中部和表面溫差在20℃以內(nèi)，避免因溫度梯度過大，形成較大的溫度應(yīng)力，而產(chǎn)生收縮裂縫。在2018年6月10日-6月22日進(jìn)行了初步面板裂縫普查，發(fā)現(xiàn)面板裂縫43條，且分布較為均勻，總長度合計(jì)188.4m。與其他類似工程相比，有效地防治了面板裂縫的發(fā)生，達(dá)到較好的養(yǎng)護(hù)效果，保證了面板質(zhì)量，對工程質(zhì)量意義重大。