數字化大壩技術在縉云抽水蓄能電站工程中的應用

田繼榮 黃成家 楊磊 李增煥 周碧云

摘要：針對抽水蓄能電站大壩填筑碾壓及基礎灌漿施工的特點和管理難點，基于智能感知和智能分析方法，提出了“1+1+1+N”的數字化大壩技術應用體系，建立了以數字化大壩技術應用為核心的“及時預警→現場處置→線上消警”的施工質量監控體系，并將其應用于浙江縉云抽水蓄能電站。應用結果表明：構建的數字化大壩技術應用體系能夠為工程建設的參建各方服務，實現工程建設的精細化管理。研究成果可為數字化大壩技術應用與管理體系的實踐以及數字孿生抽水蓄能電站建設提供借鑒。

關鍵詞：

抽水蓄能電站； “1+1+1+N”； 數字化大壩； 精細化管理； 數字孿生

中圖法分類號：TV512

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.020

文章編號：1006-0081（2023）07-0116-06

0 引 言

抽水蓄能電站是助力“雙碳”目標的重要途徑，2021年中國國家能源局發布《抽水蓄能中長期發展規劃》，助力中國抽水蓄能電站建設，對電站建設管理水平和投產效率與質量提出了更高的要求。2016年2月國家發改委發布了《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，明確提出了“智能發電”概念。在此背景下，中國眾多學者在抽水蓄能電站工程數字化、智能化建造，智慧化運維管理方面進行了廣泛探索。葉宏等［1］結合抽水蓄能電站數字化現狀和存在的問題，提出了數字化智能電站理念，并對數字化與智能化電站設計思路和架構進行了探索；陳寧等［2］研制開發了溧陽抽水蓄能電站施工質量實時控制技術；李斌等［3］研發了數字化灌漿監測系統，提高了灌漿工程信息化管理水平；何錚等［4］對泛在電力物聯網下抽水蓄能電站智慧管理模式的發展進行了一定的探索與實踐。

針對抽水蓄能電站數字化建設及智慧化運維管理，國內學者已有了一定的研究，對抽水蓄能電站的大壩填筑、灌漿工程等施工工藝采用了較為成熟的數字化手段進行管理。但是目前針對抽水蓄能電站數字化建設管理的技術應用相對單一，抽水蓄能電站規劃設計、建設施工與運營管理各個階段的技術應用相互割裂，缺乏貫穿全生命周期的BIM+GIS全信息三維模型作為數據底板，需在此基礎上打造數字孿生抽蓄電站，實現數字化技術對抽水蓄能電站規劃、設計、建造、運營全生命周期的賦能。

本文針對浙江縉云抽水蓄能電站實際情況和存在的問題，從工程建設管理的角度，探討了“1+1+1+N”的數字化大壩技術應用體系在浙江縉云抽水蓄能電站的應用。

1 工程背景

浙江縉云抽水蓄能電站位于浙江省麗水市縉云縣境內，為Ⅰ等大（1）型工程，電站樞紐主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等建筑物組成，總裝機容量為1 800 MW。電站上、下水庫大壩均采用混凝土面板堆石壩，上水庫大壩最大壩高59.2 m，下水庫大壩最大壩高92.6 m。上下水庫大壩填筑總量約190萬m3。

為提高縉云抽水蓄能電站大壩施工管理的效率和水平，響應智能發電要求，縉云抽水蓄能電站工程項目組針對縉云抽水蓄能電站大壩基礎處理及填筑碾壓的管理難點，充分利用網絡信息技術、物聯網技術、北斗/GPS定位技術、三維可視化技術，結合現場實際的施工管理體系，開展數字化大壩關鍵技術研究與應用實踐。

2 數字化大壩總體架構

根據浙江縉云抽水蓄能電站大壩數字化施工管理與建設需求，結合工程數字化、智能化建造、智慧化運營管理要求，構建了面向數字化大壩建設與管理的“1+1+1+N”總體架構，即1個數據資源管理中心+1個BIM+GIS融合的三維數字沙盤+1個數字化大壩施工管理平臺+大壩填筑碾壓質量實時監控、上壩運料車輛實時監控、大壩基礎灌漿數字化監測以及施工期視頻實時監控等N項智能建造技術。 該技術體系的成功應用，滿足了縉云電站工程管理監控需求，提高了現場施工管理水平，成功實現了縉云電站大壩施工的“全過程、全范圍、全要素、全流程”精細化管理。“1+1+1+N”的數字化大壩技術應用體系總體架構見圖1。

2.1 數據資源管理中心

根據縉云抽水蓄能電站數字化大壩功能業務的要求和特性，在一體化數據庫框架下，構建了數據資源管理中心，為數字化大壩施工管理平臺、大壩填筑碾壓質量實時監控、上壩運料車輛實時監控、大壩基礎灌漿數字化監測以及施工期視頻監控等技術應用提供標準化的數據服務和專題服務，形成統一的數據匯聚、存儲和發布體系，實現各業務數據資源的交互共享和標準化服務發布，為數字化大壩技術應用提供統一、高效、標準化的數據交換和服務發布平臺。平臺包括數據資源維護管理、數據資源統計分析、數據交換共享服務與其他數據服務等。

2.2 基于BIM+GIS融合的三維數字沙盤

依托縉云抽水蓄能電站，基于HydroStation三維協同設計平臺和ProjectWise協同工作平臺，構建了縉云抽水蓄能電站工程地質、工程樞紐以及工廠三維精細化模型，實現了原生設計模型（非壓縮轉換）的輕量化發布，并基于B/S架構實現了模型瀏覽、雙向查詢、定位、漫游等功能，有效解決了三維模型輕量化發布時信息損失問題，支撐從設計信息到施工管理信息的無縫對接。

融合主要建筑BIM模型+三維GIS底圖+傾斜攝影等多種類型的可視化數據，基于全融合工程圖形引擎技術，搭建了縉云抽水蓄能電站三維數字沙盤，從而實現了基于BIM + GIS全信息三維模型的“一張圖”管理，為數字化移交、數字孿生電站的構建和電廠智慧運維奠定模型基礎。

2.3 數字化大壩施工管理平臺

三維數字化大壩施工管理平臺通過建立工程建設管理標準系統，對大壩填筑施工過程的計劃、進度、質量進行全程管理，為運料車輛實時監控子系統、大壩填筑碾壓質量實時監控子系統提供了統一的基礎數據管理平臺，實現了以施工（碾壓）單元為核心的綜合進度與質量分析。平臺通過手持式數據采集終端、自動化采集設備等手段收集大壩碾壓相關質量、運輸車輛上壩狀態信息、各材料分區單元質檢數據等。通過預先制定的標準規范與監控現場質量管理過程數據，分析出超標及異常信息，及時提醒現場管理人員采取糾正措施，實現閉環控制。

3 智能建造關鍵技術研究

3.1 大壩填筑碾壓質量實時監控

對于抽水蓄能電站，碾壓作業是確保倉面壓實的核心環節，施工期大壩填筑的質量直接關系到大壩的安全運行。從歷史經驗來看，電站運營期間壩體結構出現問題基本都與施工期的填筑碾壓質量有關。大壩填筑碾壓是動態連續的施工過程，信息量龐大且信息相關性高，依靠人工現場控制碾壓施工參數的方法會受到人為因素的干擾，無法對大壩填筑碾壓施工質量進行全過程、實時、精準控制，也不能滿足當前抽水蓄能電站投產效率與質量的要求。

針對縉云抽水蓄能電站大壩填筑碾壓質量管控的相關要求，結合新一代計算機技術，搭建了縉云抽水蓄能電站大壩填筑碾壓質量實時監控系統，對大壩填筑碾壓質量進行了實時監控，如圖2所示。基于該系統實時監控碾壓參數，實現了現場碾壓施工過程碾壓機運行軌跡、遍數、速度、振動狀態的可視化監控，并且對超標參數進行實時預警與閉環處理，實現了大壩填筑碾壓質量的事中控制，確保大壩施工質量嚴格受控。每個施工單元施工結束后，系統能夠自動生成碾壓報表，作為質量驗收的輔助材料。通過統一的三維數字化施工管理平臺，集成大壩填筑碾壓實時監控系統，自動根據實時坐標生成碾壓單元模型，結合三維BIM+GIS模型實現大壩填筑碾壓進度的實時更新，碾壓監控圖形報告見圖3。

3.2 上壩運料車輛實時監控技術

在面板堆石壩建設過程中，確保上壩堆石料能夠按照既定的路線運輸至指定位置并且精確卸料，

是保障大壩填筑碾壓建設進度與質量、控制建設成本的重要因素，因此，對面板堆石壩壩體填筑過程中上壩運輸料交通運輸環節進行有效管控很有必要［5］。根據縉云抽水蓄能電站面板堆石壩上壩料的特點和土石方平衡的控制要求，利用GPS等技術，對壩料運輸車輛從開挖面到壩面，以及壩料運輸車輛全程進行在線監控。通過在運輸車輛上安裝車載定位終端接收衛星信號，完成車輛的自動定位，同時通過感應裝置實時采集車輛的空滿載情況，通過網絡將車輛信息數據傳送到服務器，從而實現整個壩區運料車輛的全程監控及調度。

3.3 大壩基礎灌漿施工數字化監測技術

水電工程基礎加固和防滲處理的重要措施之一是水泥灌漿，工程全生命周期運行安全在很大程度上受到灌漿工藝質量的影響［6-7］。基礎灌漿工程由于其隱蔽工程的屬性和特點，一直被列為水電工程質量管理的核心和焦點［8］。為保證水庫的防滲效果，減少水資源損失，提高水能利用率，灌漿施工尤為重要［9］。灌漿施工管理目前主要存在以下問題。

（1） 作為隱蔽工程，無法直觀檢查與評價灌漿施工質量，產品質量與施工隊伍的經驗和責任心緊密相關，傳統的檢查方法借助分析檢查孔資料、施工過程數據和局部影像資料來進行事后評價，難以確保灌漿施工質量。

（2） 灌漿施工作業面分散，管理人員難以及時對所有灌漿作業面的過程和進度進行統一管理，施工過程控制難度大。

（3） 灌漿施工過程中抬動等異常情況處置難度大，傳統的管理模式無法及時有效對異常的灌漿數據進行鑒別，異常情況處置不及時對灌漿施工效果及工程量影響較大。

（4） 灌漿工程數據量大，傳統利用EXCEL表格處理海量數據的手段耗時費力，并且由于缺乏有效的可視化展示與分析手段，原始采集的數據不能得到充分挖掘和應用，無法利用數據驅動價值。

針對縉云抽水蓄能電站大壩基礎灌漿工程施工的特點和管理難點，基于數字化信號加密傳輸、無線物聯網、灌漿數據智能分析等技術搭建了數字化灌漿監測系統，結合現場實際的施工管理體系，建立了“及時預警→現場處置→線上消警”的閉環控制體系，并在工程中進行廣泛應用。對縉云抽水蓄能電站上、下水庫大壩固結灌漿、帷幕灌漿等全部灌漿部位進行無線組網和網絡傳輸。通過將灌漿記錄儀接入無線傳輸網絡，實時監測現場各灌漿部位、灌漿記錄儀編號、灌漿孔號、段次、流量、壓力、密度、抬動等灌漿參數變化情況，并對壓力、抬動進行實時預警，對灌漿部位和灌漿成果進行可視化分析，準確、迅速地分析灌漿成果，實現對現場灌漿工程施工的實時監控與異常預警報警的閉環處理。數字化灌漿實時監測預警報警反饋控制機制見圖4。

3.4 施工期視頻監控技術

在縉云抽水蓄能電站主要施工區域設置視頻監控，對施工區域的主要工作面進行監控。融合視頻監控等多種監控手段，對大壩填筑碾壓以及基礎灌漿施工進行多角度可視化數字化監控。通過系統開發將施工期視頻監控系統的視頻信息進行整合，實現視頻監控信息的在線實時查詢以及錄像回放，實現工程施工過程中的問題追溯［10］。

4 應用成效

大壩填筑碾壓質量實時監控系統自投入運行以來，截至目前已經完整監控了196個倉面的碾壓施工情況，實現了對碾壓機碾壓軌跡、行駛速度、碾壓遍數、碾壓高程、激振力等質量參數的實時監控，對不滿足設計標準的碾壓機械工作參數進行及時報警，有效控制了大壩填筑碾壓質量，提高了施工管理效率和水平。除去異常值狀況，平均碾壓遍數合格率為96.69%，其中大壩壩體上游墊層料及過渡料85倉，平均碾壓遍數合格率為96.80%；大壩壩體上游主堆區堆石料66倉，平均碾壓遍數合格率為97.45%；大壩壩體下游堆石料45倉，平均碾壓遍數合格率為95.36%。從數字灌漿監測系統投入運行以來，截至目前共記錄了百余個灌漿孔的實時數據、過程數據和報表數據，其中實時數據達數10萬條，過程數據和報表數據近1萬條，異常報警數據近200條，并形成分序灌漿工程量統計表、灌漿單位注灰量綜合剖面圖等統計信息（工作界面見圖5～8），實現了對灌漿實時壓力、流量、密度、抬動等質量參數的實時監控，對超出閾值的灌漿數據進行報警，有效控制了大壩基礎灌漿施工質量，使得基礎灌漿設計更加精細、工程管理更加有效、數據查詢更加便捷、分析評價更加專業、成果展示更加豐富。

5 結 語

傳統的工程建設管理模式已不能較好地適應抽水蓄能電站大壩建設管理和投產效率要求。針對縉云抽水蓄能電站面板堆石壩工程特點和技術難點，基于智能感知和智能分析方法，提出了“1+1+1+N”的數字化大壩技術應用體系，實現了對大壩基礎灌漿施工、上壩運料車輛管理、填筑碾壓質量監控等全過程的實時管控，完成了設計、施工生產、質量控制與成果的大壩建設全過程管理，可實時指導施工、有效控制工程建設過程、控制工程成本，提高管理水平與效率。本文研究成果和所提出的數字化大壩體系可為數字化大壩及數字孿生抽水蓄能電站建設提供借鑒。

參考文獻：

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［9］ 邱彬如.抽水蓄能電站工程技術［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［10］ 田繼榮，張帥，林瀚文，等.數字化建設管理模式在DG水電站中的應用［J］.人民長江，2021，52（1）：224-229.

（編輯：唐湘茜，張 爽）