《中国电力报》:“坝”气十足——强震区大岗山高拱坝智能化建设探秘

来源: 时间:2016-12-09

远眺大岗山水电站,巍巍拱坝横贯大渡河,“坝”气十足。

这座大渡河上唯一一座超高薄壁拱坝,工程地质条件复杂,拥有世界最高的地震设防要求,如何进行设计和施工;如何保障工程施工质量、进度、安全等目标的实现,控制工程投资?如何确保大坝在蓄水期间安全稳定运行?一个个关键技术难题摆在建设者面前。

让我们从勘测设计角度出发,也许可以从中寻找到答案。

高拱坝设计  底气从何而来

大岗山水电站的设计单位是成都勘测设计研究院有限公司(以下简称:成都院)。这个以服务全球清洁能源与基础设施、环境工程建设的企业,在中国水电建设史上创造了诸多奇迹。

在这个集体中,走出了中国工程院,走出了中国勘测设计大师,走出了一大批代表我国水电设计最高水平的专家。

人才辈出的背后,离不开一个个中国纪录和世界纪录工程的历练。在祖国水能富足的大江上,他们设计了中国第一座200米级高拱坝二滩水电站,这座上世纪投产的中国最大水电站,让世界开始惊讶中国的水电设计和建设管理水平;成功设计坝身泄量最大、地下洞室群系统最复杂的高拱坝溪洛渡水电站,世界难度最大、最大坝高305米的世界第一高拱坝锦屏一级水电站,也完美设计了经受汶川特大地震、仍然岿然屹立的世界最高碾压混凝土拱坝——被专家院士们誉为“最牛大坝”的沙牌水电站……

这些光环闪耀的水电站造就了中国一大批水电人才,也奠定了成都院水电设计的领先地位,为后来各种类型、不同规模水电站的设计做好了技术储备。

成都院,既懂得传承,更懂得发扬壮大。

为了将大岗山尽早开发建设,2003年12月18日,成都院原副院长、原总工程师郑文正在前往大岗山工地时,不幸遇难,时年63岁。有着卓著业绩和荣誉的郑文正,本可以乐享天年,但退休以后他离职不离岗。在生命定格的瞬间,他的手中还紧握着记有一个个水力工程特性的工程记录本。

为了将大岗山设计成又一经典之作,勘测设计者成千上万次调整控制拱坝体形的七八十个参数以获得最优体形,不厌其烦地搜索控制坝肩稳定的关键块体,多方案比选以获得最优的基础处理方案——他们做着旁人看来再枯燥繁琐不过的基础工作。

他们都是大坝设计者。大坝设计的工作性质,赋予了他们科学、负责、坚韧的可贵品质。

据大岗山项目经理黄彦昆介绍,坝高210米、装机总容量260万千瓦的大岗山水电站,除了高地震烈度,还具有高边坡、大型地下洞室群等工程特点,拱坝抗震安全、混凝土温控、复杂地层灌浆等技术问题十分突出。

鸡蛋,从外打破是食物,从内打破是生命。换言之,从外打破是压力,从内打破是成长。对成都院而言,迎难而上,才能实现自我蜕变,适应新的环境,迎接新的挑战。

如何适应?这是新的考题。面对大岗山工程建设安全风险大、质量标准高、进度压力大、投资风险高等的实际,在业主的主导下,结合现场安全、质量、进度、投资等施工管理的重难点,建立了“数字大岗山”智能化管理系统。

毋庸置疑,大岗山工程又将是一个新的起点。

智能化设计  体现在哪里

设计是工程建设的核心和灵魂。

高难度工程需要高水平控制技术和手段,成都院依靠“施工仿真”,通过模拟大坝施工在水文气象、坝体结构、施工机械、施工资源、工期规划、施工技术要求、施工组织水平等众多约束条件下的大坝施工全过程,研究大坝施工不同阶段制约进度的关键因素,从而有针对性的提高施工效率、优化施工组织、纠正进度偏差。

“施工仿真技术具有考虑全面、分析效率高、不干扰原型系统运行、直观的优点。”参与研究的设计者这样总结到。

拱坝相对重力坝最大优点是混凝土用量少,但混凝土水化热带来的温度控制难度依然不小。控制不当,拱坝易出现裂缝,而裂缝对拱坝的整体受力极其不利。曾有水电站因为拱坝坝身裂缝出现较多,蓄水进程一再推延。

大岗山拱坝当然不能出现这种情况。

在大岗山建设过程中,将混凝土坝施工仿真技术与现代筑坝技术的发展、物联网技术的研究应用、数字大坝技术相结合,针对混凝土高拱坝温控应力的个性化控制要求和大坝不同施工阶段的进度控制特点,提出了基于物联网技术的高可靠度施工仿真技术及系统,在现代高拱坝建设过程中再次创造辉煌。

此外,成都院三维协同设计这一核心技术也派上用场。利用三维精确建模与地面激光扫描雷达技术开发的大岗山坝区三维地质模型,直观而精确展示大岗山坝肩及基坑复杂地质情况,为大岗山数字大坝系统研发、大坝应力研究提供基础模型,从而有力支撑了大岗山智能大坝的建设。

与重力坝相比,拱坝特别是高拱坝的结构、受力情况极为复杂,整个施工过程中,坝体的受力状况都在不断调整。这些特点,给拱坝的施工质量控制带来很大挑战,因此,拱坝也被认为是水工界最复杂的建筑物。陆佑楣院士曾表示,“拱坝是真正培养工程师的地方”。

高混凝土坝施工过程智能控制技术的质量控制系统有了用武之地。施工质量智能控制技术,实质是物联监控技术,采用物联网终端设备对施工中混凝土生产、运输、平仓、振捣过程进行精细化实时监测,进一步对影响施工质量的各关键控制参数进行智能跟踪分析,及时反馈至物联网终端设备调整施工参数,并向施工人员和管理人员发出预警,以控制工程施工质量。

在浇筑过程中,温度计、光纤测温等手段全面了解混凝土温度变化情况,利用数字大坝体系研究实施了人工智能通水冷却降温控温,严格遵循设计要求的控制参数,确保大坝浇筑至今没有出现任何危害大坝结构安全的温度裂缝。

它的成功  带来哪些影响

大岗山距芦山不远,芦山7.0级地震发生时,刚浇筑完成110米的大坝安然无恙。2014年10月,大坝全线浇筑至坝顶高程,一年后蓄水至正常蓄水位。截至目前,大坝已经经受过三个汛期的考验。无疑,大岗山的设计是成功的。

坝址区设计地震基岩水平峰值加速度为557.5加仑,高坝在水推力作用下,遇到更大的地震,能否“泰山压顶不弯腰”呢?

成都院开展了专题研究论证。对比选出的拱坝体型,考虑各种影响因素的三维非线性有限元动力分析和三维整体动力模型试验,结合高坝抗震设计要求及工程类比分析,综合评价大坝抗震能力。

大岗山设计总工程师邵敬东自豪地讲述了成果价值。她说,针对工程“三高一大”的特点,经过和业主及相关科研单位开展大岗山智能化课题研究,为国内外水电工程施工,尤其是为高地震烈度地区高拱坝智能化施工积累了可靠的大数据和丰富的管理经验,具有极高的参考价值。

——强震区高拱坝施工关键技术研究。研究拱坝混凝土、灌浆施工关键技术,对砂石骨料生产、混凝土制备、运输、浇筑、养护,灌浆试验、施工、检测、验收标准等进行深入研究,通过创新施工方法、改进施工工艺,从而保证工程建设顺利进行,同时也推进了拱坝施工技术的发展。

——大数据智能化管理。开发 “数字大岗山”系统,构建缆机防碰撞、混凝土温控决策、大坝进度仿真、视频监控、灌浆监控、拌和楼监控以及安全监测等七大子系统,实现拱坝混凝土、灌浆以及安全监测数据的采集、处理;在此基础上开发一体化管理平台, 实现对数据的查询、分析、统计。

——通过技术上与管理上创新性研究,从而实现了高标准建设高拱坝的目标。技术上对当前拱坝建设关键问题进行了深入研究,研究采用了大量新技术、新工艺;管理上引入高科技、智能化软硬件设备,收集施工过程中关键数据,实时跟踪、反馈、分析,科学指导工程施工,实现大型水电工程大数据智能化集成管理。

研究的最终目的,是指导实践和提供借鉴。研究成果实现了大岗山水电站高效快速施工,直接经济效益 1.93 亿元,其中缆机防碰撞等技术应用在藏木等水电工程中并取得显著效果,为峡谷地区大型水电工程的建设提供了工程借鉴和实例;获得国家专利 7 项,发表相关论文数 11 篇。

这些成果,是在“啃”着大岗山关键技术“硬骨头”的过程中,总结与提炼出来的。继大岗山水电站后,成都院又在开展叶巴滩、孟底沟水电站两座200米级高拱坝设计。不难想象,大岗山的成功,将大大指导今后高拱坝的建设,进一步提升成都院在水电设计中的龙头地位,尤其是复杂高拱坝设计领域的领先优势。

从此,大岗山大坝屹立于滚滚大江中,接受来自世界赞许的目光。

(《中国电力报》 邱云 李爽)