大体积混凝土冷却通水智能控制系统研制与应用

王 衡 谭恺炎 燕 乔 陈志远

（1.中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院，湖北宜昌 443002；2.葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌 443002；3.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002）

20世纪30年代，胡佛（Hoover）重力拱坝最早应用通水冷却技术，取得了很好的成效.此后，通水冷却成为最常用也是最有效的混凝土温控措施之一［1］.混凝土冷却通水的控制方式均采用人工调控方式.三峡三期工程采用个性化通水冷却技术，极大地改善了大体积混凝土的温控效果，以此为核心的综合温控技术也成功应用创造了“无一条裂缝”的坝工奇迹［2］.但是个性化通水冷却技术需要对通水参数和混凝土温度进行准确和及时的测量，以便调整流量，导致了人工调控方式效率低、误差大、调控滞后的情况，很难满足现代水利工程高质量快速施工的要求.

随着计算机技术、无线数据传输技术、传感控制技术的发展与成熟，各种软件与硬件普及推广，为大体积混凝土冷却通水自动化控制提供基本技术支撑.通过对控制算法、系统硬件以及控制软件的研究研制出了一套智能控制系统.

采用智能控制系统对混凝土冷却通水进行自动化控制，根据混凝土温度不断调整通水流量以达到混凝土均衡降温、降低温度梯度、减小温度拉应力、防止混凝土出现裂缝.

该系统可以实现大坝冷却通水数据的自动采集与流量的自动控制，减少了人工采集数据与调控流量的误差，降低了大坝冷却通水施工现场的工作量，提高了冷却通水系统的经济效益与管理质量.

1 系统简介

图1 系统结构原理图

在主管安装流量传感器（带测温功能）［3］、温度传感器和电动控制阀门，电缆接入多通道通水冷却测控装置［4］，采用无线WIFI与中心计算机连接，计算机通过自动测控软件设定测试参数，如采样频率、流量控制参数等，对多台测控装置进行同步控制，自动采集数据并通过软件依据混凝土实际温度自动控制电动阀，达到自动控制通水流量的目的.其中混凝土温度可通过获取大坝温度自动化数据库的数据实现.如图1所示.

2 核心技术

大体积混凝土冷却通水智能控制系统的核心技术主要是仿人工智能控制算法的研究和硬件系统的设计.

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过获取混凝土历史通水降温效率的值（流量和降温速率），根据混凝土历史通水降温效率值和未来需要的降温幅度和降温时段计算需要的下一步流量控制值；使混凝土温度按照设计要求均匀下降.引入实际降温流量系数α的动态调整并配合滞后系数辅助修正，可实现控制混凝土内部温度均匀平稳下降，并在预期时间内达到控制目标温度的目的.且实现冷却水流量的自动计算，排除人工控制的随意性，进一步提高了大体积混凝土的施工质量.算法流程图如图2所示.

图2 仿人工智能控制算法流程图

2.2 硬件组成

大体积混凝土冷却通水智能控制系统主要由5个部分组成，分别是传感器组、电动阀门、多通道冷却通水自动测控装置、服务器、客户端.

1）传感器组：分为流量传感器和温度传感器，分别用来测量进水口的水温、流量和出水口的水温，并通过电缆线将信号传输到测控装置，如图3所示.

2）电动阀门：主要作用是对阀门开度的控制和反馈，分为自动调节和人工调节，是通过对阀门开度的调节来控制水管的流量，如图4所示.

图4 电动阀门

3）多通道混凝土冷却通水自动测控装置：系统核心装置，用于混凝土冷却通水的水温、混凝土温度和冷却水流量的自动采集和控制，通过对冷却水流量的自动控制达到对混凝土温度的调节，如图5所示.

图5 多通道测控装置

4）服务器：主要是存储、处理测控装置发送的数据，供用户查阅，控制所用.

5）客户端：通过与本系统配套的软件查看、管理通水数据以及向测控装置发布命令.

3 现场试验

3.1 试验结果

本系统依托锦屏一级混凝土拱坝工程，于2013年1月份在现场0：00时刻进行冷却通水试验，选定了一期通水的19～55仓和18～62仓、中期通水的21～33仓和31～34仓、二期通水的20～45仓和20～46仓进行了为期一个月的试验研究，现在将试验结果如图6～8所示.

图8 二期冷却试验结果（20～45，20～46）

3.2 试验效果分析

3.2.1 最高温度控制

大体积混凝土的裂缝，大多是由温度变化产生的应力引起的.因此，为提高混凝土的质量，减少裂缝的产生，工程中通常将混凝土的最高温度作为一整个重要的温控指标进行控制.锦屏一级工程坝体混凝土浇筑时规定，混凝土的最高温度不超过27℃，一期冷却通水时的混凝土降温情况如图6所示，从图6可以看出两支温度计的最高温度均控制在27℃以下，符合设计要求.说明，大体积混凝土冷却通水智能控制系统能够通过调整冷却通水的通水量来较好的控制混凝土的最高温度，保证混凝土质量.

3.2.2 降温速率控制

对于大体积混凝土而言，如果降温过快，混凝土内部温差过大，温差应力达到混凝土的极限抗拉强度时，理论上就会出现裂缝，而且此裂缝出现在大体积混凝土的内部，如果相差过大，就会出现贯穿裂缝，影响结构使用，因此，降温速率的快慢直接关系到大体积混凝土内部拉应力的发展.控制混凝土的降温速率也是温控措施中的重要一项.在锦屏一级过程中，规定混凝土一期冷却降温速率控制在0.5℃／d，中期和二期冷却降温速率应该控制在0.3℃／d.现计算智能控制系统在试验过程中各支温度计的降温速率，见表1.

表1 降温速率表（单位：℃／d）

从表1可以看出，一期冷却降温速率基本控制在0.5℃／d以内，符合设计要求，只有少部分数据超标，合格率达96.55%；中期和二期冷却降温速率基本控制在0.3℃／d以内，几乎没有超标情况.一期冷却通水时，由于混凝土水泥的水化热反应和相邻浇筑块的影响，使得通水不易控制，少数数据控制超标；中期和二期冷却通水时，外部条件已经基本稳定，对通水影响不大，智能控制系统能够非常好地完成控制要求.

从现场应用情况来看，该系统技术已经成熟，整体控制合格率达99%以上，能够较好地应用到工程施工中去，极大提高工作效率.相比于传统的人工调控，具有以下优点：

1）加强温控效果，传统控制方式由于对流量的监测和调控都是手动完成，而现场条件和工作人员的能力问题都会造成较大的误差，直接影响到通水效果，从本系统的应用结果上看，可以提高最高温度和降温率的合格率，保证控制效果.

2）提高工作效率，本系统无需人工进行流量调节，安装成功之后便可自动运行，根据所输入的参数智能地对通水进行调节，可以远程操控，节省了大量的人工，降低了费用，免去高坝作业的安全风险因素.

3）通水管理透明化，本系统可自动进行监测和调控，并生成数据报表，数据采集密度可根据要求进行调整，数据更加真实、可靠、透明化，为今后的实际工程提供了实践参考，为理论研究提供了更为可靠的数据支撑，促进了温控技术的发展.

4 结 语

大体积混凝土冷却通水智能系统自动化程度高，能够根据已经建立起来的混凝土内部温度、通水流量和通水温度数学模型，只需输入混凝土温控技术要求，使通水完全智能化，即可自动控制通水流量，使混凝土通水冷却过程始终控制在设计要求范围，符合朱伯芳先生提出的“小温差早冷却缓慢冷却是混凝土坝水管冷却的新方向”［6］.

本系统在极大地提高大坝混凝土冷却通水效率的同时，真正达到了个性化通水的目标，使得混凝土施工工期缩短、成本降低，提高了冷却通水施工现代化施工和管理水平，减少了因混凝土温度控制不佳而造成的混凝土裂缝，提高了工程质量.

［1］ 袁光裕，胡志根.水利工程施工［M］.北京：中国水利水电出版社，2005：203－211.

［2］ 邢德勇，徐三峡.三峡三期大坝工程大体积温控技术综述［J］.水力发电，2005，10：17－19，30.

［3］ 谭恺炎，陈军琪.测温型叶轮式脉冲信号流量传感器［P］.中国，ZL201020262495.2，2011－1－19.

［4］ 谭恺炎，陈军琪.混凝土冷却通水测温装置［P］.中国，ZL201020 250543.6，2011－1－12.

［5］ 周厚贵，陈军琪，谭恺炎，等.一种大体积混凝土冷却通水流量控制方法［P］.中国，201110318693.5，2011－10－19.

［6］ 朱伯芳.小温差早冷却缓慢冷却是混凝土坝水管冷却的新方向［J］.水利水电技术，2009，40（1）：44－50.