糯扎渡水电站数字大坝技术应用研究

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96韩建东，张琛，肖闯．糯扎渡水电站数字大坝技术应用研究文章编号：1006-2610(2012)02—0096—5糯扎渡水电站数字大坝技术应用研究韩建东，张琛，肖闯(中国水if,0水电工程建设咨询西北公司，西安710065)摘要：高心墙堆石坝成为国内外坝工建筑物的发展趋势，实现高坝建设过程信息集成、动态管理、高效分析意义重大，文章以糯扎渡水电站建设实践为基础，对大坝施工进度和质量进行控制的“数字大坝”系统进行全面分析，结合其应用过程，重点分析系统在仓面碾压、碾压超速方面的控制过程。结果表明，该系统可以实时全面地进行施工过程有效控制。”数字大坝”技术是中国高心墙堆石坝建设过程中综合信息管理及辅助决策系统应用的重要探索。关键词：糯扎渡水电站，心墙堆石坝，数字大坝；信息管理系统中图分类号：TP391文献标识码：AStudyonApplicationofDigitalTechnologyforDam，NuozhaduHydropowerProjectHANJian-dong，ZHANGCheu，XIA0Chuang(ChinaHydroConsultingEngineering，No~hwestBranch，Xian710065)Abstract：Constructionofrockfilldamwithhighcutoffwallhasbecomeatendencyofdamstructureathomeandabroad．Itissignificanttorealizeinformationintegration，dynamicmanagementandhigh—eficiencyanalysisduringhigh—damconstruction．Inthispaper，NuozhaduHydropowerProjectistakenasanexample．Thedamdigitalcontroltechnologysystemwhichisappliedforthecontrolofdamconstructionprogressandqualityisanalyzedfully．Incombinationoftheapplicationprocessofthedigitaltechnology，thesystemcontrolprocessesforrollercompactionandrollercompactionoverspeedareaddressedspecially．Thestudyshowsprovesthatthisdigitaltechnolo—gysystemcaneffeetivelycontroltheconstructionprocessinrealtimeandfully．Thedamdigitalcontrolteehnobgyisoneimpo~anceex—plorationonintegratedinformationmanagementandauxiliarydecision—makingsystemapplicationduringconstructionofrockfilldamwithhighcutofwallinChina．Keywords：NuozhaduHydropowerProject；rockfilldamwithcutofwall；damdigitalcontroltechnology；informationmanagementsystem土石坝作为水工建筑物的一种，由于其就地取坝在建设中存在工程量大、坝料种类多、分期分区复材，能适应各种气候条件，成为国内外坝工建设中广杂、质量要求高等难题。高坝建设过程中的质量控泛应用和快速发展的一种坝型。据统计中国兴建各制、信息采集、安全及综合管理成为高坝施工面临的类坝体共8．48万余座_1J，其中95％是土石坝，世界主要问题。级百米以上的高坝中，土石坝占到70％。在水利水目前，针对施工过程综合技术控制手段，国内外电工程建设中，高度超过200m的高坝建设一直是已经有相关研究和实践。在国外，2006年，Carlos一个世界级难题，而正在建设中的糯扎渡水电站高zambran_3根据公路基面碾压质量控制需要，开发出度为265．1m，属世界第三、亚洲第一。高心墙堆石土料碾压过程中碾压机质量控制系统，有效地提高公路施工质量。Andereggl4根据土壤压实机振动状收稿日期：2011．12-07态的非线性特性，建立了智能压实的反馈控制系统。作者简介：韩建东(1978一)，男，湖北省襄阳市人，工程师，从事White等通过实际调研与实验，研发了土木工程施堆石坝施工与管理工作，工与质量控制检测技术，极大地提高了检测效率。 西北水电·20l2年·第2期97在中国，信息化控制技术已经在水电施工中得到应施工信息实时采集、土石方动态调配和进度实时控用，清江水布垭水电站大坝建设中j，开发的混凝制及工程综合信息的可视化管理。系统运用GPRS土面板堆石坝填筑施工质量GPS监控系统，实现了无线通信技术和GSM改进控制技术，保证GPS数对压实效果的实时检测与反馈，对于施工过程控制据传输的实时性和稳定性；采用GPRS作为无线通具有重要意义。信手段，为PDA信息采集提供保证；以信息集成手但是，国内外的土建工程信息监控技术中，国外段为基础，结合GIS技术和B／S开发模式，实现了主要集中在公路基面碾压方面，土石坝的施工过程、水电站大坝建设实时信息的可视化及远程决策功施工参数、压实指标和施工工艺与此有本质的差能。系统的功能及特点主要体现在以下几个方面。别J。清江水布垭大坝属于面板堆石坝，其与心墙2．1系统的主要特点堆石坝碾压工艺有所不同l。针对心墙堆石坝建与传统水利水电工程建设监控和管理手段相设施工过程质量管理控制的空白，糯扎渡水电站心比，“数字大坝”系统主要体现了数字化程度高、管墙堆石坝建设中，以数据库技术为基础，运用PDA理便利、操作简便及监控精度高等特点，有效地节约信息采集手段、综合信息集成方法和网络技术，构建了大量劳动力，提高了工作效率。“数字大坝”施工质量管理系统。该系统在糯扎渡(1)自动化、精确化水电站大坝施工过程中的应用实践，表明“数字大“数字大坝”系统结合心墙堆石坝施工质量操作坝”系统改变了传统施工质量控制模式，实现了信需求，构建了心墙填筑及碾压实时监控数学模型，实息化、精确化和高效化管理。此项成果已经在雅砻现了心墙碾压变数、碾压轨迹、行车速度、激振力及压江官地、金沙江龙开口、金沙江鲁地拉、大渡河长河实厚度等方面全过程、高精度、实时在线自动监控，完坝水电站及缅甸伊洛瓦底江流域梯级水电站开发中全改变了传统粗放的管理模式及容易受人为主观因均得以应用。素影响的弊端，有效地提高和控制了施工质量。(2)实时性1糯扎渡水电站概况运用实时监控技术，构建了上坝车辆实时监控糯扎渡水电站位于澜沧江下游干流河段，是澜模型，实现了料源与卸料区域的匹配，有效地控制了沧江中下游河段8个梯级规划的第5级，电站是中坝料多样性情况下料源的混淆，确保了上坝料的正国实施“西电东送”及“云电外送”战略基础项目，对确性。同时，运用PDA实时信息监控技术，在大坝于中国水资源优化配置和地方经济发展具有重要意施工质量控制数据流的基础上，实现大坝碾压质量义。电站属于大(I)型，总装机容量5850MW，保和上坝运输车辆信息实时采集，为现场的施工组织证出力为2400MW，多年平均发电量239．12亿管理和车辆优化调度提供了重要依据。kWh。最大坝高261．5m，居同类坝型亚洲第一。(3)资源配置动态化电站建成后，带动地方经济发展的同时，每年还可以结合高心墙堆石坝施工特点，综合考虑动态施节约956万t标准煤，降低CO，排放，促进了低碳经工过程，系统建立土石方动态调配模型，实现满足不济发展，实现了节能减排。同材料级配要求和上坝强度情况下土石方动态配置，在当前施工进度的情况下，实现施工动态分期与2糯扎渡水电站“数字大坝”系统机械设备配套的多种方案优化及进度预测。在水利水电工程建设中，高度超过200m的高(4)信息可视化坝建设历来是一个世界级难题，高心墙堆石坝在施系统提供了网络环境下信息可视化技术，将实工过程中存在工程量大、坝料种类多、分期分区复时性高、工程量大、类型复杂的数据进行集成，以三杂、质量要求高等特点，提高和实现高坝建设信息化维方式进行可视化表达，大坝施工实现了全面、有手段必要而重要。效、综合的信息管理。糯扎渡水电站心墙堆石坝坝高261．5m，在施2．2系统的主要构成及功能工过程中运用“数字大坝”技术，实现高心墙堆石坝“数字大坝”系统主要由总控中心站、分控站、碾压质量实时监控、坝料上坝运输实时监控、PDAGPS基准站及移动远端设备4个部分构成。总控中 98韩建东，张琛，肖闯．糯扎渡水电站数字大坝技术应用研究心是数字大坝系统的核心，以GPS无线网络为基信息的采集与传递是实现系统功能的重要环础，运用无线数据接受的方式，接收和发布实时数节，本系统应用PDA信息采集技术，通过现场施工据，实现各分站与流动站数据相互反馈，并进行数据人员的手持无线通信功能的PDA，对施工现场的照存储、分析、处理等工作；分控站是总控站的分支机片和实验数据、运输车辆及料源等信息进行实时采构，分控站设置在施工作业现场，通过分控站可以了集，并将实时信息发送到数据库中心，对于施工过程解现场实时施工状况和资源配置状况，以便合理的相对固定的信息，可以通过个人电脑输入数据库系进行施工状态调节和资源优化配置；GPS基准站和统。同时，PDA可以实时接收各种监控系统的报警流动站是为了提高系统的精度而设置，将GPS接收信息，及时地通知现场管理人员，使得大坝建设始终机安装在基准站上，接收实时传输数据，并对数据进处于受控状态。行分析。流动站作为卫星信号接收系统，接收实时为有效地避免人工加水误差及常规加水量控制数据，采用差分GPS技术，实现将2种信息进行对过程的局限性，系统采用无线射频技术、自动控制系比分析，寻找误差，以便实时调整观测结果，以便对统及无线通信技术，构建堆石料运输车辆加水全面结果进行修正，提高精度；移动远端是一种GPS移控制系统，对车辆加水过程进行监控。车辆驶人加动观测设备，其主要组成由机箱、接收天线、无线通水区域后，系统会自动读取车辆相关信息，并打开加信天线所组成，设备集成了GPS主机，无限通信天水阀门，加水信号显示满水后即可驶离，每辆车的加线等。主要目的是监控碾压机械的运动轨迹、碾压水时间和加水量信息自动发送到分控中心，分控中变数及速度，并将结果反馈到总控中心站，各部分之心分析是否满足要求，然后运用PDA进行现场传间实现数据传输，相互协调，发挥以下功能：送，直接控制车辆加水过程。(1)料源料场及上坝运输监控(4)数字化监控此项功能主要实现对上坝车辆实时定位、车辆数字大坝系统以数据库为基础，运用GIS、无线信息的PDA录入、上坝运输车辆强度密度及卸料点网络及三维动态可视化输出技术，对大坝建设进行的控制，系统应用GIS技术构建二维数字地球模型，全方位的监控，主要数字化功能如下：以PDA内置数据程序为基础，对上坝路口的行车密1)枢纽布置数字化。运用虚拟现实技术、计算度、不同填筑分区、不同料源的车辆进行监控，根据机仿真技术，构建三维动态仿真模型和三维虚拟场PDA实时信息，实时更新上坝运输车辆的装料点、景，为实现工程总体布局分析和枢纽细部布局效果料性及卸料分区信息。车辆卸料时，系统自动监控分析提供了良好的平台。卸料位置、车辆编号等信息，并自动将该信息与车辆2)渗控工程数字化。建立基础灌浆与渗控工目的卸料点信息进行对比，如果存在不一致情况，系程数据库，将三维模型与渗控数据库信息一一对应，统将会发出警告通知，并以短信的形式发送到现场实现基础面开挖、混凝土垫层、固结灌浆孔布置、帷管理人员手持PDA上。幕灌浆及灌浆廊道布置动态信息的可视化查询。(2)堆石坝碾压质量GPS监控3)施工进度数字化。系统根据施工进度和原运用车载GPS设备和激振力检测设备对碾压始资源配置状况，采集实时施工信息并进行三维动机械进行三维定位，实现震动状态的实时监测，监控态显示，以当前的施工进度及资源配置状况为基础，中心根据实时监测数据绘制碾压机械运行轨迹，计实时仿真预测未来施工进度，为实现施工进度实时算碾压变数，将计算结果在客户端进行显示并自动控制及合理的资源配置提供依据。存人数据库系统。在施工过程中，如果填筑的压实4)安全监测数字化。运用数据库技术，对大坝厚度超过规定，或有超压、漏碾、超速、激振力不达标安全监测数据进行存储和分析，结合可视化技术，可情况发生时，系统会自动进行报警，提醒现场工作管以实现监测数据三维显示并对其进行分析，勾画相理人员，以便实时地进行调整，保证碾压质量始终处关的变化过程线、趋势线、变化速率及空间分布，最于受控状态。碾压仓号收仓后，系统将输出监控结终以图形或报表的形式输出。同时，系统根据需要，果图形报告，作为碾压过程质量控制的依据。可以从数据库中调取相关数据，对监测点数据进行(3)PDA信息采集及自动加水控制统计分析，求其特征值，实现空间特性分析，为安全 西北水电·2012年·第2期状况评价提供数据基础。坝，最大坝高为261．5m，坝顶宽10m，上下游边坡(5)大坝综合信息、设计信息集成管理坡比均为1：0．2，坝体剖面形式为中央直立心墙，大坝信息综合管理是将地形、水文、地质、枢纽心墙分为2个区域，以高程720．00m为界，以下采布置以及大坝设计、施工、运行等综合信息进行标准用掺粒土料，以上采用混合土料。心墙上、下游设置化，编人对应的数据库系统，并建立信息实时动态更了I，Ⅱ两层反滤料，上游侧厚度均为6m，下游侧新机制，实现工程信息的综合集成、动态化可视查两层厚度均为4m，反滤料与堆石料之间设置了细询。设计信息综合管理是以专业软件为工具，对大堆石料过渡区，堆石料以外为堆实体坝壳，其中，615坝进行三维建模，构建其外部体型和内部结构，并实～656ITI靠心墙内部区域设置坝Ⅱ料区域，高程现可视化表现。656．00～750．00m范围靠心墙内部区域设置坝石料Ⅱ区或坝石料I区调节区，其余部分为堆石料区3系统的应用与分析域，高程631．00～760．00m范围内靠心墙内侧区域3．1糯扎渡水电站大坝填筑分区设置堆石料Ⅱ区，其余部分为堆石料I区J。大坝糯扎渡水电站大坝采用的是粒质土心墙堆石填筑分区具体见图1。图1大坝填筑分区图3．2糯扎渡水电站数字大坝系统应用举例3．2．2碾压机振动状态不达标统计与分析大坝填筑施工过程中，根据系统运行记录数据在2010年3月20日至2011年2月25日期状况，对2010年3月20日至2011年2月25日时间，数字大坝系统共监控到碾压机振动状态不达标间段内数据进行统计，分析上坝运输、仓面碾压、施532次，其中进出场(碾压完毕转场、加油、休工等)工进度、实验及安全等检测项目，为实现大坝施工数时振动状态不达标为441次，占82．90％，实际碾压字化、精确化提供有力保障。l403．2．1碾压机行驶超速统计与分析120’l★心壤区l一所有分∞。l在2010年3月20El至2011年2月25日时间L—j＼一段内，数字大坝系统共监控到碾压机连续10S超速羹80—增60行驶2755次，其中转场(碾压完毕转场、加油、休工／＼、／＼4O等)时超速行驶为1586次，占57．57％，实际碾压时＼／＼2O行驶超速为1169次(心墙区419次)。从实际碾压。lL一A．吐0疃匾匿匾艰匾嚏艰匿眠时超速轨迹所占全部监控轨迹比例分析，并经现场撩酶接抵撩撩蛾撩蛾嫉人员统计核定，相比传统控制手段的碾压合格率明善荟萎窘誊§詈吾詈曼昌高§高昌高昌昌昌显提高，使大坝碾压机行驶速度处于受控状态。碾时闻压机行驶超速统计与分析见图2。图2碾压机行驶超速统计与分析图 100韩建东，张琛，肖闯．糯扎渡水电站数字大坝技术应用研究时振动不达标为91次(心墙区49次)。从实际碾4结语压时振动不达标轨迹所占全部监控轨迹比例看，碾压机震动达标率得到很大的提升，不影响大坝碾压本文阐述了糯扎渡水电站建设中“数字大坝”质量，碾压机振动状态处于受控状态。碾压机振动系统及应用，分析了系统的特点和构成，着重强调了状态不达标统计见图3。系统的功能，结合2010年3月2O日至2011年2月嘤N躲h8—025日时间段内统计数据，对大坝建设过程中的碾压f暖按∞8。N机行驶超速、碾压机振动状态不达标及仓面压实厚—心墙区『时i．一新有分因间度进行分析。结果表明，运用数字大坝监控技术，加i／＼雹n撩8。0快了信息收集和处理速度，提高了施工过程质量监＼一一一一⋯一控水平和效率，使得大坝施工合格率得到很大的提中弋l、／＼．＼⋯⋯⋯一⋯一⋯⋯⋯⋯一高。数字大坝技术的应用对中国心墙堆石坝、混凝暖蟹眠匿匿瞧土面板堆石坝及碾压混凝土高坝建设提供了技术保摊坻躲摭撩蛾￡!g障，开拓了新的局面，但是，在数字大坝技术应用的g8过程中，仍然存在受气候变化、降雨和低温影响较大等问题，还需要进一步研究。图3碾压机振动状态不达标统计图3．2．3仓面压实厚度统计与分析参考文献：2010年3月20日至2011年2月25日，数字大[1]王柏乐，刘瑛珍，吴鹤鹤．中国土石坝工程建设新进展，水力发坝系统监控的心墙掺砾土料区(ED)的压实厚度统电[J]．2005，31(1)：63—65．计结果如图4所示。仓面的压实厚度均值最小值为[2]赵志仁，赵永，程君敏．大坝安全监测设计与施工技术的分析0．17m，最大值为0．30m，所有仓面的平均压实厚[J]．大坝观测与土木测试，2001，25(1)：28—32．[3]DavidJ．White，MarkJ．Thompson，KarlJovaag，eta1．FieldC-度为0．24m。压实厚度大于0．25m的仓面极大减valuationofcompactionmonitoringtechnology：phaseII[D]．Lowa少，使得仓面压实厚度得到了很大的提高，仓面压实StateUniversity，2006．厚度处于受控状态。[4]R．Anderegg，DominikA．vonFelten，KunoKaufmann．Compac—035tionmonitoringusingintelligentsoilcompactors[G]．GeoCongress0302006：GeotechnicalEngineeringintheInformationTechnologyAge．2006：41—46．025登[5]崔博，心墙堆石坝施工质量实时监控系统集成理论与应用020[D]．天津：天津大学，2010．015[6]吴晓铭，黄声享．水布垭水电站大坝填筑碾压施工质量监控系高鲁2g2g瓮8=88窖gSgg22统[J]．水力发电，2008，34(3)：47—50．舄昌是暑舄昌昌昌[7]曾怀恩，黄声享．无线扩频技术在碾压GPS实时监控中的应用日期[J]．测绘信息与工程，2006，31(05)：22—23．图4心墙区施工仓面压实厚度统计结果图[8]李仕奇，刘琼芳，晋国辉．糯扎渡水电站高心墙堆石坝施工技术『J]．水力发电，36(1)：11—13．欢迎订阅欢迎投稿欢迎刊登广告