王 衡 譚愷炎 燕 喬 陳志遠

（1.中國葛洲壩集團股份有限公司勘測設(shè)計院，湖北宜昌 443002；2.葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北宜昌 443002；3.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌 443002）

20世紀30年代，胡佛（Hoover）重力拱壩最早應(yīng)用通水冷卻技術(shù)，取得了很好的成效.此后，通水冷卻成為最常用也是最有效的混凝土溫控措施之一［1］.混凝土冷卻通水的控制方式均采用人工調(diào)控方式.三峽三期工程采用個性化通水冷卻技術(shù)，極大地改善了大體積混凝土的溫控效果，以此為核心的綜合溫控技術(shù)也成功應(yīng)用創(chuàng)造了“無一條裂縫”的壩工奇跡［2］.但是個性化通水冷卻技術(shù)需要對通水參數(shù)和混凝土溫度進行準確和及時的測量，以便調(diào)整流量，導(dǎo)致了人工調(diào)控方式效率低、誤差大、調(diào)控滯后的情況，很難滿足現(xiàn)代水利工程高質(zhì)量快速施工的要求.

隨著計算機技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感控制技術(shù)的發(fā)展與成熟，各種軟件與硬件普及推廣，為大體積混凝土冷卻通水自動化控制提供基本技術(shù)支撐.通過對控制算法、系統(tǒng)硬件以及控制軟件的研究研制出了一套智能控制系統(tǒng).

采用智能控制系統(tǒng)對混凝土冷卻通水進行自動化控制，根據(jù)混凝土溫度不斷調(diào)整通水流量以達到混凝土均衡降溫、降低溫度梯度、減小溫度拉應(yīng)力、防止混凝土出現(xiàn)裂縫.

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)大壩冷卻通水數(shù)據(jù)的自動采集與流量的自動控制，減少了人工采集數(shù)據(jù)與調(diào)控流量的誤差，降低了大壩冷卻通水施工現(xiàn)場的工作量，提高了冷卻通水系統(tǒng)的經(jīng)濟效益與管理質(zhì)量.

1 系統(tǒng)簡介

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

在主管安裝流量傳感器（帶測溫功能）［3］、溫度傳感器和電動控制閥門，電纜接入多通道通水冷卻測控裝置［4］，采用無線WIFI與中心計算機連接，計算機通過自動測控軟件設(shè)定測試參數(shù)，如采樣頻率、流量控制參數(shù)等，對多臺測控裝置進行同步控制，自動采集數(shù)據(jù)并通過軟件依據(jù)混凝土實際溫度自動控制電動閥，達到自動控制通水流量的目的.其中混凝土溫度可通過獲取大壩溫度自動化數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)實現(xiàn).如圖1所示.

2 核心技術(shù)

大體積混凝土冷卻通水智能控制系統(tǒng)的核心技術(shù)主要是仿人工智能控制算法的研究和硬件系統(tǒng)的設(shè)計.

2.1 仿人工智能控制算法［5］

仿人工智能控制算法主要是通過獲取混凝土歷史通水降溫效率的值（流量和降溫速率），根據(jù)混凝土歷史通水降溫效率值和未來需要的降溫幅度和降溫時段計算需要的下一步流量控制值；使混凝土溫度按照設(shè)計要求均勻下降.引入實際降溫流量系數(shù)α的動態(tài)調(diào)整并配合滯后系數(shù)輔助修正，可實現(xiàn)控制混凝土內(nèi)部溫度均勻平穩(wěn)下降，并在預(yù)期時間內(nèi)達到控制目標溫度的目的.且實現(xiàn)冷卻水流量的自動計算，排除人工控制的隨意性，進一步提高了大體積混凝土的施工質(zhì)量.算法流程圖如圖2所示.

圖2 仿人工智能控制算法流程圖

2.2 硬件組成

大體積混凝土冷卻通水智能控制系統(tǒng)主要由5個部分組成，分別是傳感器組、電動閥門、多通道冷卻通水自動測控裝置、服務(wù)器、客戶端.

1）傳感器組：分為流量傳感器和溫度傳感器，分別用來測量進水口的水溫、流量和出水口的水溫，并通過電纜線將信號傳輸?shù)綔y控裝置，如圖3所示.

2）電動閥門：主要作用是對閥門開度的控制和反饋，分為自動調(diào)節(jié)和人工調(diào)節(jié)，是通過對閥門開度的調(diào)節(jié)來控制水管的流量，如圖4所示.

圖4 電動閥門

3）多通道混凝土冷卻通水自動測控裝置：系統(tǒng)核心裝置，用于混凝土冷卻通水的水溫、混凝土溫度和冷卻水流量的自動采集和控制，通過對冷卻水流量的自動控制達到對混凝土溫度的調(diào)節(jié)，如圖5所示.

圖5 多通道測控裝置

4）服務(wù)器：主要是存儲、處理測控裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，供用戶查閱，控制所用.

5）客戶端：通過與本系統(tǒng)配套的軟件查看、管理通水數(shù)據(jù)以及向測控裝置發(fā)布命令.

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗結(jié)果

本系統(tǒng)依托錦屏一級混凝土拱壩工程，于2013年1月份在現(xiàn)場0：00時刻進行冷卻通水試驗，選定了一期通水的19～55倉和18～62倉、中期通水的21～33倉和31～34倉、二期通水的20～45倉和20～46倉進行了為期一個月的試驗研究，現(xiàn)在將試驗結(jié)果如圖6～8所示.

圖8 二期冷卻試驗結(jié)果（20～45，20～46）

3.2 試驗效果分析

3.2.1 最高溫度控制

大體積混凝土的裂縫，大多是由溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力引起的.因此，為提高混凝土的質(zhì)量，減少裂縫的產(chǎn)生，工程中通常將混凝土的最高溫度作為一整個重要的溫控指標進行控制.錦屏一級工程壩體混凝土澆筑時規(guī)定，混凝土的最高溫度不超過27℃，一期冷卻通水時的混凝土降溫情況如圖6所示，從圖6可以看出兩支溫度計的最高溫度均控制在27℃以下，符合設(shè)計要求.說明，大體積混凝土冷卻通水智能控制系統(tǒng)能夠通過調(diào)整冷卻通水的通水量來較好的控制混凝土的最高溫度，保證混凝土質(zhì)量.

3.2.2 降溫速率控制

對于大體積混凝土而言，如果降溫過快，混凝土內(nèi)部溫差過大，溫差應(yīng)力達到混凝土的極限抗拉強度時，理論上就會出現(xiàn)裂縫，而且此裂縫出現(xiàn)在大體積混凝土的內(nèi)部，如果相差過大，就會出現(xiàn)貫穿裂縫，影響結(jié)構(gòu)使用，因此，降溫速率的快慢直接關(guān)系到大體積混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力的發(fā)展.控制混凝土的降溫速率也是溫控措施中的重要一項.在錦屏一級過程中，規(guī)定混凝土一期冷卻降溫速率控制在0.5℃／d，中期和二期冷卻降溫速率應(yīng)該控制在0.3℃／d.現(xiàn)計算智能控制系統(tǒng)在試驗過程中各支溫度計的降溫速率，見表1.

表1 降溫速率表（單位：℃／d）

從表1可以看出，一期冷卻降溫速率基本控制在0.5℃／d以內(nèi)，符合設(shè)計要求，只有少部分數(shù)據(jù)超標，合格率達96.55%；中期和二期冷卻降溫速率基本控制在0.3℃／d以內(nèi)，幾乎沒有超標情況.一期冷卻通水時，由于混凝土水泥的水化熱反應(yīng)和相鄰澆筑塊的影響，使得通水不易控制，少數(shù)數(shù)據(jù)控制超標；中期和二期冷卻通水時，外部條件已經(jīng)基本穩(wěn)定，對通水影響不大，智能控制系統(tǒng)能夠非常好地完成控制要求.

從現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，該系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟，整體控制合格率達99%以上，能夠較好地應(yīng)用到工程施工中去，極大提高工作效率.相比于傳統(tǒng)的人工調(diào)控，具有以下優(yōu)點：

1）加強溫控效果，傳統(tǒng)控制方式由于對流量的監(jiān)測和調(diào)控都是手動完成，而現(xiàn)場條件和工作人員的能力問題都會造成較大的誤差，直接影響到通水效果，從本系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果上看，可以提高最高溫度和降溫率的合格率，保證控制效果.

2）提高工作效率，本系統(tǒng)無需人工進行流量調(diào)節(jié)，安裝成功之后便可自動運行，根據(jù)所輸入的參數(shù)智能地對通水進行調(diào)節(jié)，可以遠程操控，節(jié)省了大量的人工，降低了費用，免去高壩作業(yè)的安全風險因素.

3）通水管理透明化，本系統(tǒng)可自動進行監(jiān)測和調(diào)控，并生成數(shù)據(jù)報表，數(shù)據(jù)采集密度可根據(jù)要求進行調(diào)整，數(shù)據(jù)更加真實、可靠、透明化，為今后的實際工程提供了實踐參考，為理論研究提供了更為可靠的數(shù)據(jù)支撐，促進了溫控技術(shù)的發(fā)展.

4 結(jié) 語

大體積混凝土冷卻通水智能系統(tǒng)自動化程度高，能夠根據(jù)已經(jīng)建立起來的混凝土內(nèi)部溫度、通水流量和通水溫度數(shù)學模型，只需輸入混凝土溫控技術(shù)要求，使通水完全智能化，即可自動控制通水流量，使混凝土通水冷卻過程始終控制在設(shè)計要求范圍，符合朱伯芳先生提出的“小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向”［6］.

本系統(tǒng)在極大地提高大壩混凝土冷卻通水效率的同時，真正達到了個性化通水的目標，使得混凝土施工工期縮短、成本降低，提高了冷卻通水施工現(xiàn)代化施工和管理水平，減少了因混凝土溫度控制不佳而造成的混凝土裂縫，提高了工程質(zhì)量.

［1］ 袁光裕，胡志根.水利工程施工［M］.北京：中國水利水電出版社，2005：203－211.

［2］ 邢德勇，徐三峽.三峽三期大壩工程大體積溫控技術(shù)綜述［J］.水力發(fā)電，2005，10：17－19，30.

［3］ 譚愷炎，陳軍琪.測溫型葉輪式脈沖信號流量傳感器［P］.中國，ZL201020262495.2，2011－1－19.

［4］ 譚愷炎，陳軍琪.混凝土冷卻通水測溫裝置［P］.中國，ZL201020 250543.6，2011－1－12.

［5］ 周厚貴，陳軍琪，譚愷炎，等.一種大體積混凝土冷卻通水流量控制方法［P］.中國，201110318693.5，2011－10－19.

［6］ 朱伯芳.小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向［J］.水利水電技術(shù)，2009，40（1）：44－50.