高RCC拱坝施工期温控决策支持平台研究

裴　亮,，徐建江，何　坤，，吴震宇,，陈建康,

(1．四川大学 a.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室；b.水利水电学院，成都　610065；2. 中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都　610072)



高RCC拱坝施工期温控决策支持平台研究

裴亮1a,1b，徐建江2，何坤1a，1b，吴震宇1a,1b，陈建康1a,1b

(1．四川大学a.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室；b.水利水电学院，成都610065；2. 中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都610072)

混凝土高坝开裂是普遍存在的现象，国内外许多混凝土坝都因施工裂缝而被迫停工处理。混凝土高坝的浇筑施工过程受到自然环境、结构形式、温控、资源等多种因素的影响，如何综合考虑这些影响因素制定切实可行的大坝浇筑施工计划，并在施工过程中加强对混凝土温度和应力的实时监控和科学管理十分必要。混凝土高坝施工过程决策支持系统的研究开发，能够为水电大坝的建设和安全提供先进的管理路径，具有巨大的潜在效益。以立洲水电站工程为依托，研发了高RCC拱坝施工期温控决策支持平台，实现了碾压参数、温控信息、监测数据和仿真成果等数据信息的高效管理，大坝温控防裂效果和趋势的实时监控和预测预警，以及专家远程会商决策支持，对促进高RCC拱坝施工温控决策支持科学化水平和确保施工质量具有重要意义。

RCC拱坝；混凝土;温控防裂；决策支持；预警预报

1　研究背景

混凝土高坝的浇筑施工过程受到自然环境、结构形式、温控、资源等多种因素的影响[1-3]，实际施工时，上述因素的改变在很大程度上导致设计中制定的温控和防裂效果与实际情况产生较大的出入。因此，有必要在拱坝施工过程中加强对大坝混凝土温度的实时监控和科学管理[2,4]。行之有效的方法之一就是建立一个施工期温控管理决策支持系统，在施工过程中不断对大坝温度场及温度应力场进行动态仿真、实时监控，根据工程实际条件的不断变化，通过预测大坝温度及应力，对出现的异常情况进行预警，适时调整温控措施,防止大坝裂缝，确保大坝工程进度与质量。

决策支持系统(DecisionSupportSystem，简称DSS)是20世纪70年代末期兴起的一种新的管理系统,自提出以来得到了长足发展和多方面的应用尝试。在国外，DSS被广泛应用于企业、军事、环境、能源等领域，在国内的应用也得到了迅速发展。近年来，中国水利水电科学研究院、武汉大学、天津大学和三峡大学等单位在高拱坝施工期信息管理和温控决策支持平台方面做了深入的工作，取得了一批优秀成果。中国水利水电科学研究院研发的混凝土高坝施工温度控制决策支持系统为大坝温控设计、施工的决策过程提供科学依据，该系统已成功应用于浙江宁波周公宅拱坝、安徽陈村拱坝和吉林丰满大坝[2-4]。李洋波等[5]研发的高拱坝施工的温控数据库系统包含完备的大坝施工信息和温控信息，该系统已被应用于溪洛渡等工程。常晓林[6]等基于SQL数据库系统开发的温控支持决策平台支持决策系统可实现各项温控数据的导入、存储、查询等功能，该系统被应用于大岗山拱坝混凝土施工期温度、应力动态控制。钟登华等[7-13]对溪洛渡、糯扎渡等工程整个设计施工过程进行动态可视化图形仿真研究，其成果为大坝施工总布置设计与决策提供了一个科学、直观的可视化分析途径。本文依托立洲水电站工程，采用C/S与B/S相结合的模式研发了高RCC拱坝施工期温控决策支持平台，实现了碾压参数、温控信息、监测数据和仿真成果等数据信息的全面高效管理与动态展示，大坝温控防裂效果和趋势的实时监控和预测预警，以及专家远程会商决策支持与数据共享。

2　系统开发关键技术

高拱坝施工期温控决策支持平台是一个集监测数据采集、管理、分析，以及温控仿真数据管理、分析，温度及温度应力实测值和计算值预警预报，辅助大坝施工安全决策等为一体的大型智能程序，使得资源共享、异地办公、协同发展成为现实，先进的智能信息管理系统和自动化技术极大地简化了数据采集、整编、管理工作，计算机技术、网络技术，以及可视化技术，不仅能准确高效地分析数据，而且能实现对工程施工全过程、全方位信息管理与分析，从而提高大坝工程施工整体管理水平，为决策层提供决策所需的准确及时的信息。

2.1研发模式

决策支持平台系统主要任务是生成各种报表、图形文件、大型专业计算程序的编译以及网页访问，要求采用的汇编语言具备稳定、安全的数据传输性；能快捷稳定地调用其他程序开发的或计算机上已有的com组件(如：AutoCAD、word等)，从而能借助成熟的商业软件，快速进行图形报表的生成；能较好地实现Web编译。综上因素，微软.NET平台下的C#语言能够较好地满足决策支持系统对汇编语言的要求。

2.2网络开发模式

综合C/S(Client/Server)、B/S(Browser/WebServer)模式的优劣和本系统的功能要求，采用C/S和B/S相结合的网络开发模式，共用服务器，根据客户端系统功能要求配置不同的客户端，既能在一定程度上统一客户端，减轻系统更新升级量，实现广域资源共享，又能满足特定客户端事务处理功能，从而优化了整个网络构架模式。

2.3数据库构建

数据库语言主要有VisualFoxPro，Access，SQLServer,Oracle等。决策支持系统主要涉及的数据技术挑战在于：数据与系统的高度共享；工程人员、管理人员及相关专家对数据的持续访问调用能力；实时高效提供大坝施工决策辅助数据。综合以上因素，选用SQLServer2008为数据库平台。

3　立洲RCC拱坝施工期温控决策支持平台研发

3.1系统架构

立洲RCC拱坝施工期温控决策支持平台(DSP-lzV1.0)选择Windows7作为基础平台，在.NETFrameWork4.5的环境下以C#作为程序平台，应用SQLServer2008作为数据库平台。

根据测点高程分布、部位分布生成测点树的管理模式，使得用户能快速地对各测点进行查询、录入与修改。并通过SQLConnection类连接数据库，再利用SQL语句来操作SQLServer数据库，实现对数据库中数据的添加、删除、修改、查询，以及数据分析。

3.2系统数据流程

本系统将监测信息进行采集，并对采集来的数据信息进行误差识别，分析处理，再存储形成相应数据库，供监测资料分析、工程安全分析等系统调用，为安全评价提供数据支持。直接录入或导入的监测数据首先保存于原始库中，经数据预处理后，剔除粗差后数据进入整编库，整编库中的数据经过工程人员评判、修改后进入技术整编库。原始数据库保存所有原始数据，经工程人员处理的整编数据库和技术整编库数据可靠性高且更符合工程实际，可供安全分析、安全评价、图形生成、报表生成等使用，生成数据库则保存计算人员分析处理的相关重要成果。系统总体结构与数据流程如图1，图2所示。

3.3系统功能

立州RCC拱坝施工期温控信息决策支持平台提供了监测信息管理、温控信息管理、图形报表生成、温控信息分析、大坝温度及应力的实时监控与预警预报以及远程会商等功能。

监测信息录入模块主要功能是对温度计、应力计、环境量，以及相关仪器的实时监测数据进行添加、查询、校核，并存入相应的数据库。图形报表生成模块负责生成测值历时过程线、测值历时报表以及统计分析过程线和报表。

温控信息管理模块主要功能是提供温控基本信息如：仓面基本信息(桩号、入仓时间、碾压层厚、起止高程、区间混凝土方量等)、仓面温控信息(入仓温度、浇筑温度、仓面气温、冷却水温度和流量、通水起止时间、保温措施等)、仓面温控标准等信息的录入和查询；温控基本信息入库后可在信息查询界面进行查询，如图3所示，仓面的基本信息采用文字描述或说明，施工浇筑进度通过2D图形表示，此外，计划、实际月浇筑强度可通过柱状图直观展示。

图2　Dsp-lz系统数据流程Fig.2　Data flow of Dsp-lz system

温控信息实时动态预警模块完成已存入数据库的温控信息动态分析和温控动态实时预警2部分功能。前者主要对大坝温度、应力的实测值和仿真计算值(主要包括坝体特征点温度变化过程和特征值)以及环境温度、温控信息进行变化率、相关性等分析，并绘制其历时过程线，功能界面如图4所示。后者针对立州RCC碾压混凝土拱坝的温控关键指标(如：最高温度、内外温差、上下层温差、温降速率等)进行计算，并与温控标准和规范要求对比，对超标值进行预警预报。

图4　温控实时动态预警界面Fig.4　Interface of real-time dynamic warningfor temperature control

作图分析模块提供特征值分布图和三维有限元仿真模拟成果图展示功能。前者提供了不同工程部位、不同断面的多种类型分布特性展示功能，主要提供各类分布图，供大坝温控决策参考使用。分布特性的类型包括温度分布特性、应力分布特性和裂缝监测分布特性3类。系统可按用户指令自动生成并展示其分布特性，同时可在CAD中生成相应的分布图；后者则提供施工期温度场、温度应力场仿真分析成果展示。

3.4预警系统

在混凝土坝建设中，裂缝是一个普遍性的问题，它不仅影响正常施工，而且影响工程正常运行和安全，甚至导致工程报废。而在大坝裂缝事故中，除少数裂缝是因结构不合理或地基不均匀沉降造成的，大多数都是由温度应力引起的，尤其是施工期的裂缝，更是如此。因此根据混凝土拱坝设计规范(SL282—2003)、设计提出的温控标准，以及立州RCC拱坝工程特性，对大坝施工期温度控制指标(如最高温度、内外温差、温降速率等)和温度应力的仿真计算值和实测值进行实时预警，从而保证大坝的正常施工与安全。预警系统包括预警指标体系构建、预警指标值设置、预警模式选择等。

3.4.1预警模式

本系统的预警方式采用实测值异常预警与三维有限元仿真模型计算值异常预警。实测值异常预警针对所有温度监测点和应力监测点，若测值超过相应的设计标准，系统将发出测值异常预警；仿真计算值异常预警针对特征点仿真分析结果，即计算值超过设计标准，系统将发出测值异常预警。系统会将异常点整理生成报表，以供施工安全的分析和施工决策。

3.4.2预警指标

根据《混凝土拱坝设计规范》(SL282—2003)和设计提出的温控标准，分部位、分时段拟定立洲RCC拱坝施工期温度及温度应力预警指标。

(1)最高温度：坝体允许最高温度由月平均气温和内外温差之和控制，对于坝体强、弱约束区混凝土应同时满足基础温差。

(2)内外温差：不分季节，按照全年允许最大内外温差17 ℃进行预警。

(3)上下层温差：16 ℃。

(4)混凝土与冷却水温差：20 ℃。

(5)温降速率：一期冷却允许最大温降速率为：0.5 ℃/d，二期冷却允许最大温降速率为0.3 ℃/d。

(6)温度应力：坝体不同位置混凝土允许拉应力参照规范进行取值。

3.4.3预警数据

预警本身是一种信息，需要以丰富可靠的数据为基础。所以建立预警系统首先要进行数据采集并对其进行归类、转化和分析。为保证预警系统的可靠性，减少误报次数，以技术整编库为基础，从数据库中提取大坝温度、应力和环境量等基本信息，根据规范要求计算出大坝最高温度、内外温差、温降速率，以及混凝土与冷却水温差。预警系统根据计算分析结果自动对照相应的预警指标进行是否发出预警的判断。

3.4.4预警反馈

系统发出预警后在系统界面上生成预警信息，包括预警仪器编号、桩号、高程、实测值(计算值)及其对应的预警指标和预警位置示意图。对发出预警的指标在界面上以红灯显示，未出现预警则是绿灯。系统界面显示预警信息的同时以短消息的方式将信息告知大坝管理人员。

3.5远程会商系统

3.5.1远程会商模式

大坝施工期温控防裂出现问题或紧急情况，需要进行专家咨询时可向专家发送远程会商邀请。专家接受邀请后可得到访问本系统的账号和密码，通过互联网以浏览器的方式进入系统查询大坝施工、温控信息和系统分析结果，同时决策者或者使用人员可向在线多位专家发出图文或视频会商邀请，进行远程会商。

3.5.2远程会商功能与服务

(1)远程查询功能：通过互联网访问本系统，进行大坝施工情况、温控防裂信息、监测信息、温度场及温度应力场仿真分析成果和系统分析结果查询。

(2)视频会议功能：基于TCP/IP网络视频会议系统，采用AnyChat即时通讯解决方案开发远程会商系统，系统界面中可同时显示多个视频窗口，包括所有会场与本地视频，与会专家可以通过本系统在网络上进行面对面交谈。

(3)图文讨论与数据共享：突破以往视频会议中只能够传输音频、视频的功能限制，在同一信道上进行图文信息交换。系统为与会人员提供一个公共可视区域，通过在该区域内输入文字或绘制图形对讨论问题进行注释和示意，所有讨论内容将同步显示在与会专家的系统界面上。数据共享功能通过平台成果库中文件下载功能来实现，系统功能界面如图5所示。

图5　远程视频会商界面Fig.5 Interface of remote video consultation

(4)应急通讯处理：为及时与专家取得联系，系统会将远程会商邀请以短消息、电子邮件等方式发送至专家的终端。

4　结　语

依托木里河立洲RCC拱坝开发了高RCC拱坝施工期温控决策支持平台，该系统可实现以下功能：

(1)施工期大坝碾压参数记录、温控措施信息、实测数据和仿真分析成果等数据量大且随时更新，运用温控决策支持平台可实现上述信息高效、准确的管理。

(2)对大坝温度及温度应力进行预测预警可实现对大坝温控防裂效果和趋势的实时监控，异常情况发生时能够第一时间通知参建各方采取处理措施。

(3)远程会商系统为决策者提供了专家咨询的网络平台，专家接受会商邀请后能够通过互联网快速掌握大坝基本情况，就出现的问题或者异常进行图文、视频讨论。这无疑为决策者提供了高效的信息支持和决策辅助，对提高大坝管理水平具有重要意义。

[1]张国新,刘有志,刘毅.“数字大坝”朝“智能大坝”的转变——高坝温控防裂研究进展[C]∥水库大坝建设与管理中的技术进展——中国大坝协会2012学术年会论文集.郑州:黄河水利出版社，2012：74-84.

[2]朱伯芳,张国新,许平,等.混凝土高坝施工期温度与应力控制决策支持系统[J].水利学报,2008，39(1):1-6.

[3]邱世明,王仁超,顾培亮.混凝土坝施工管理决策支持系统[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2002,35(3):392-396.

[4]朱伯芳,张国新,贾金生,等.混凝土坝的数字监控——提高大坝监控水平的新途径[J].水力发电学报,2009,28(1):130-136.

[5]李洋波,黄达海.高拱坝施工的温控数据库系统[J].武汉大学学报(工学版),2008,41(4):52-55.

[6]常晓林,黄昱程.关于高拱坝混凝土温控措施的建议[J].武汉大学学报(工学版),2012,45(4):409-413.

[7]钟登华,郝才伟,李明超,等.基于工程地质三维精细模型的高拱坝坝肩处理可视化分析[J].岩石力学与工程学报,2008,27(10):2052-2057.

[8]钟登华,吴康新,任炳昱.面向对象的高拱坝施工全过程动态仿真[J].天津大学学报,2007,40(8):976-982.

[9]钟登华,李景茹,刘奎建.全过程动态仿真技术及其在大型工程施工管理中的应用[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2003,36(3):347-352.

[10]钟登华,李景茹,郑家祥.全过程动态仿真技术及其在水利水电工程施工中的应用[J].水利水电技术,2002,33(9):22-25.

[11]钟登华,段文泉,宋洋,等.水电工程可视化动态信息管理系统研究[J].水力发电学报,2004,23(2):1-5.

[12]钟登华,朱慧蓉,郑家祥.溪洛渡施工总布置三维动态可视化图形仿真研究[J].中国工程科学,2003,5(11):65-70,91.

[13]钟登华,练继亮,朱慧蓉.混凝土坝浇筑过程三维动态可视化仿真[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2004，37(1):45-49.

(编辑：赵卫兵)

Decision Support Platform of Temperature Control for RCC HighArch Dam in Construction Stage

PEILiang1,2,XUJian-jiang3,HEKun1,2,WUZhen-yu1,2,CHENJian-kang1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;2.CollegeofWaterResource&Hydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;3.ChengduEngineeringCorporationLimited,PowerChina,Chengdu610072,China)

Crackinginhighconcretedamisacommonproblem.ManyconcretedamsinChinaandabroadareforcedtoshutdownduetocracksinconstruction.Theprocessofpouringhighconcretedamisaffectedbynaturalenvironment,structure,temperaturecontrol,resourcesandotherfactors.Itisnecessarytodevelopapracticalplanofdamconstructionbyconsideringthesefactors.Real-timemonitoringandscientificmanagementofconcretetemperatureandstressduringconstructionarealsorequisite.Researchanddevelopmentofdecisionsupportsystemforconcretedamconstructioncanprovideadvancedmanagementapproachfortheconstructionandsafetyofhydroelectricdams,andpotentialbenefitswillbehuge.WiththeprojectofLizhouhydropowerstationasresearchbackground,atemperaturecontroldecisionsupportplatformforhighRCCarchdamisdeveloped.Throughthisplatform,datainformationsuchasrollingparameters,temperaturecontrolinformation,monitoringdataandsimulationresultsareefficientlymanaged.Moreover,theeffectandtrendoftemperaturecontrolarereal-timemonitoredandpredicted,early-warningisaccomplishedanddecision-supportfromexperts’remoteconsultationisprovided.TheseresultsareofimportantsignificanceforpromotingthescientificlevelofconstructiontemperaturecontroldecisionsupportforhighRCCarchdamandensuringtheconstructionquality.

RCCarchdam;concrete;temperaturecontrolandcrackprevention;decisionsupport;predictionandpre-warning

2015-07-14;

2015-08-21

四川大学青年教师科研启动基金项目(2014SCU11018)

裴亮(1986-)，男，内蒙古阿拉善盟人，讲师，博士,研究方向为大体积混凝土温控防裂，(电话)18628096381(电子信箱)peiliang8649@163.com。

陈建康(1963-)，男，甘肃靖远人，教授，博士生导师，主要从事水工结构方面的研究工作，(电话)028-85405601(电子信箱)SCU-jiankang@163.com。

10.11988/ckyyb.20150582

2016,33(09):149-154

TV313

A

1001-5485(2016)09-0149-06