数字化施工管理信息系统在黄登水电站大坝施工中的建设与应用

数字化施工管理信息系统在黄登水电站大坝施工中的建设与应用

刘柱张正荣

中国水利水电第四工程局有限公司青海西宁

摘要：本文介绍了数字化施工管理信息系统在黄登水电站大坝施工中建设与应用的基本情况，重点阐述了该系统的架构和功能及主要应用特点。工程信息管理、混凝土施工工艺监控、混凝土温度控制、大坝基础灌浆监控、大坝安全监测管理等子系统在监控管理过程中发挥着重要作用。

关键词：数字化；大坝；施工管理；建设应用

1概述

以20世纪30年代美国胡佛大坝的建成为标志，世界高坝建设进入了一个快速发展的时期，筑坝设计施工技术不断进步。在很长的一段时间里，筑坝技术的进步主要表现在劳动工具为主的物质手段进步上。进入21世纪以来，特高混凝土坝建设面临更加复杂的自然和社会环境，特高混凝土坝的设计施工和运行需要在已有经验的基础上进行技术提升和实践验证，设计施工要根据工程条件的变化而调整适应。同时伴随着新世纪信息化、数字化技术的突飞猛进，筑坝施工信息化管理、数字化监控等先进手段应运而生。

黄登水电站位于云南省怒江州兰坪县营盘镇境内的澜沧江上游河段上，为澜沧江上游曲孜卡至苗尾河段规划八个梯级中的第六个梯级。坝址距营盘镇公路里程约12km，距兰坪县城约67km，距昆明市约631km。电站以发电为主，是兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和观光旅游等综合效益的大型水利水电工程。坝址控制流域面积9.19×104km2，多年平均流量905m3/s。水库正常蓄水位为1619.00m，其相应库容为15.49×108m3，校核洪水位为1622.73m，其相应库容为16.70×108m3，调节库容为8.28×108m3，水库具有季调节性能。工程布置中推荐方案的最大坝高为203m，装机容量1900MW（4×475MW）。枢纽主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪放空建筑物、左岸地下引水发电系统等建筑物组成。

根据《防洪标准》（GB50201—94）及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003）的规定，黄登水电站为一等大（1）型工程，大坝为200m级高的碾压混凝土重力坝，坝体为控制进度的关键工程，需制订合理的施工工期和选择合理的施工方案。高碾压混凝土坝施工在水利水电项目建设中占有重要地位，其施工质量和施工速度直接影响到工程的安全和建设工期。由于高碾压混凝土坝施工过程受自然环境、结构形式、工艺要求、组织方式以及浇筑机械与建筑材料等诸多因素的影响，使得施工计划安排、进度控制和资源优化配置十分复杂。同时，高碾压混凝土坝施工时间跨度大、高峰期浇筑强度高，在动态施工过程中还要考虑温控防裂、导流、度汛、坝体挡水及蓄水发电等阶段性目标要求，给施工组织、计划安排及进度控制带来相当大的困难和潜在的风险。在实际水利水电工程中，为追求提前发电效益，又往往要求加快大坝施工进程，缩短施工工期。因此，势必带来高碾压混凝土坝高强度连续施工等问题。

大坝混凝土碾压质量和温度控制是碾压混凝土重力坝施工质量控制的两个重要环节，直接关系到大坝运行安全。传统的碾压混凝土坝施工质量主要由人工通过巡检、旁站等方式进行控制，受人为因素影响大，质量控制的精度低，缺乏高精度、自动化的施工质量实时监控手段与方法。如何减少人为因素影响，对施工过程进行精细化管理，实现高精度、自动化的施工质量实时监控，是亟待解决的科学问题。与施工质量控制常规方法相对应的是施工质量实时监控方法，通过实时监控相关施工参数，实现连续、实时、精确地对施工过程质量进行控制的目标。

此外，黄登水电站的设计、建设过程中涉及众多动、静信息，如何把这些信息进行综合集成和有效管理与分析，如何实现自动、远程、移动、便捷的管理与控制，为大坝设计、施工、运行管理等提供全面、快捷、准确的信息服务和决策支持，也是工程建设和管理中需要解决的重要技术问题。

2系统设计

2.1功能目标

通过数字化施工管理信息系统的建设与应用，计划建立起200m级高的碾压混凝土重力坝施工质量智能控制及管理系统。将实现如下目标：对黄登水电工程大坝建设质量（混凝土温控和浇筑碾压环节等）和施工进度进行在线实时监测和反馈控制；将大坝碾压质量、温控、仓面施工、坝面检测以及大坝施工进度等信息进行集成管理，为大坝建设质量和进度监控，以及坝体安全诊断提供信息数据和支撑平台，为实现黄登工程综合信息（施工期和运行期）数字化管理提供基础。有效提升黄登水电工程建设的管理水平，实现工程建设的创新化管理。为大坝枢纽的安全鉴定、竣工验收及今后的运行管理提供数据信息平台。

2.2系统架构

数字系统立足黄登水电站工程，综合运用工程技术、计算机技术、无线网络技术、手持式数据采集技术、数据传感技术（物联网）、数据库技术等技术，建立起一套基于通用计算机平台的混凝土重力坝施工质量智能控制及管理信息化系统，将实现大坝混凝土从原材料检测、混凝土生产运输、碾压浇筑、内部温度控制、到安全检测的全面质量监控。

为实现制定的监控管理目标，系统确定了如下架构：

图2-1大坝施工管理信息化系统总体结构图

系统主要分为两大部分：工程信息管理部分和施工过程智能监控及质量评价部分，同时预留其它架构接口。

工程信息管理的主要功能是通过人机交互实现各种施工资料、工作流程等内容的数字化管理。包括勘测设计管理、施工计划管理、施工设备管理、备仓开仓管理、试验检测管理、质量评定管理、施工资料管理等功能。

施工质量控制及评价功能的实现主要是借助计算机强大的计算能力以及全天候不间断的特点，实现大坝施工全过程的连续精确监控评价。其主要内容包括混凝土施工工艺监控、混凝土温度控制、大坝基础灌浆监控、大坝安全监测管理四个子模块。

3实施应用

系统的建立以信息化应用为主要表现技术，硬件设备上通过自建通信网络为传输通道，数据库技术为底层数据支撑手段，采用B/S与C/S相结合的手段，全面搭建该系统信息化的监控管理平台。硬件包括测控终端、数据传输设备、传输网络、数据管理服务器等。

系统根据远程测控管理的要求，其测控分析的内容均应在管理部门实现，因此所有应用软件和后端硬件设备均应设置在后方，其硬件设备的服务器都安装在网络机房中，布置于管理机房内，所有服务应用软件安装与服务器中，需要应用时在会议室或其他场合通过终端计算机与大屏显示器连接，实现所有功能的实时展示与控制。同时施工现场也可应用小型手持设备通过无线网络访问后方服务器，实现各项内容信息的收集与查看。

为达到设计的施工管理和监控目标，在软件上建立5个子系统分别解决相关需求。它们分别是工程信息管理系统、混凝土施工工艺监控系统、混凝土温度控制系统、大坝基础灌浆监控系统、大坝安全监测管理系统。

3.1工程信息管理

3.1.1功能特点

工程信息管理子系统包含施工组织设计、质量检查结果、施工过程数据上报审批等功能。主要实现工程信息数据的统一管理，以及参建各方的工作协同。通过全面继承设计成果、管理施工工艺过程、形成完整的工程数字化档案。还通过对大坝浇筑过程计划、设计、施工、质量验收等资料的收集，以及试验检测数据的采集、分析、统计，实现施工过程数据的集成化管理，为施工过程的全面管控提供支持。

3.1.2应用效果

（1）工程信息管理系统在黄登水电站的应用过程中，已实现全面取代人工手动填写、人工送审等工序流程。自动化办公流程节约了大量的打印及交通费用。同时使得仓面设计、浇筑准备、开仓申请、施工配料的流程环环相扣，上一过程完成，下一过程才能开始。强制对设计验收流程进行了规范，使得设计验收过程更为精细标准。

（2）通过系统设计的工序质量评定流程，自动管理了工序验收、质量评定、质量缺陷数据，系统将工序验收资料根据评定标准和预设算法自动生成单元评定的优良等级，缩短了人工验收流程时间，提高了工作效率。通过系统中已设定了质量验收标准，有助于质检人员在工序验收过程中对质量的全面掌控。

（3）试验检测信息的数据管理，实现了施工中混凝土原材料、半成品、成品的试验检测数据实时管理，通过与质量指标的对比，施工管理人员可及时掌握混凝土材料质量情况，提高试验检测分析的准确率和工作效率。

（4）通过系统的综合查询功能，凡系统使用人员无需查阅大量报表即可根据系统全面的查询大坝在建或已建部位的施工进度资料或质量验收情况。

图3-1工程信息综合查询结果

3.2大坝混凝土施工工艺监控

3.2.1功能特点

大坝混凝土施工工艺监控及质量评价系统通过对拌合楼拌合数据、混凝土出机口性能数据、混凝土压实度信息的采集以及对施工现场碾压、平仓机械的实时监控，同时运用反馈机制对施工混凝土工工艺和施工质量进行实时控制。监控大坝碾压混凝土施工过程，规范了碾压施工作业，为碾压混凝土施工质量提供保障，并为现场施工和监理提供有效的管理控制平台。

3.2.1应用效果

（1）通过拌合楼远程监控功能，施工管理人员可通过系统发出的报警短信及时获取拌合楼投料和称量误差等信息，方便操作人员及时发现解决问题。同时可按周、月、季度等时间对拌合楼的生产情况进行统计查询和图形化分析，显著提高了工作效率。

图3-2拌合楼混凝土供应量查询

（2）混凝土施工工艺监控系统投入使用以后，该系统已完成黄登大坝所有碾压混凝土浇筑仓的实时监控任务。通过该系统质量管理人员可以在施工过程中实时查看碾压轨迹、行走速度、碾压遍数、碾压高程、激振力等参数，方便了现场监管和控制，保证了施工质量要求。同时系统自动保留了完整的平仓碾压施工过程数据，使得碾压施工过程全程可追溯。

（3）数字化监控手段不仅提高提高了碾压施工质量，更有效提升了施工人员的碾压施工技术水平。如图3-4和图3-5振动碾结果图形报告所示，在黄登大坝碾压混凝土试验仓第三层的浇筑中振碾合格率仅为80.2%，存在较多楼碾区域，在碾压施工数字化监控实施一年以后的振碾合格率提升到了96.51，合格升了16.32%，在当前的施工中无明显漏念区域，可以说对施工人员的技术水平提升巨大。

图3-3值班室碾压过程实时监控

数字化碾压监控应用后的优势就在于，将人眼难以直接判断的碾压施工质量施工过程进行了数字量化。对碾压混凝土的平仓和碾压进行了实时统计和分析，并可在终端计算机实时进行展示。相较于常规的人工抽检碾压混凝土压实度的控制方法，实现了数字化碾压过程控制从无到有的突破。使得碾压施工质量能够用具体的数据标准来判断碾压施工质量是否合格，可弥补传统人工旁站记录随意性较大的缺点。

图3-42015年碾压混凝土浇筑试验仓监控结果图

图3-52016年常规碾压混凝土仓监控结果图

3.3混凝土温度控制

3.3.1功能特点

大坝混凝土温控智能监控子系统运用自动、半自动和人工录入三种方式对混凝土内部温度、冷却水水温水压、通水流量、机口温度、入仓温度、浇筑温度等20多种温控要素进行全面采集，完成对温控施工的实时评估与预警，并自动计算出通水预测流量，通过施工现场温度流量智能控制设备，实现个性化的智能通水与控制。

3.2.1应用成果

（1）数字化智能温控通水系统的应用实现了大坝内部温度、冷却水水温、水压、大气气温、太阳辐射热等多种温控要素的自动采集。与常规温控要素采集方法相比，无人为干预消除了读数误差，采集过程更为全面精细。

例如常规冷却水水温采集一般采用玻璃温度计进行现场测量，不但耗费人力且受测量环境等诸多因素影响，最多精确到小数点后1位。而采用智能信息采集系统以后，一旦水温传感器安装完成，设备可按相关设定自动持续对水温进行采集记录，精确且方便。

图3-6水管温度传感器

（2）大坝温控智能监控系统的使用不但实现了温度信息的自动采集还实现了对所有冷却通水管路的自动调控。系统根据采集到的温度要素信息智能反馈调节，严格按照设计标准进行通水。与传统人工通水调节相比，自动化取代了人工通水操作，不但减轻人力劳动还避免了错误。

以黄登水电工程采用温度流量自动控制系统为例。目前该工程负责大坝内部温度采集的人员为7人，主要工作为坝体内部温度传感器埋设，智能温度采集设备维护和安装。若采用常规方法对大坝内部温度进行采集，相关人员的主要工作内容为坝体内部温度计埋设、混凝土温度定时测量记录、温度数据统计分析上报。其中温度数据现场定时测量，温度数据总结分析均需大量消耗人力，保守估计需工作人员15名；此外，黄登工程采用智能温控通水，当前混凝土通水降温人员为9到10人，主要工作为智能温控通水设备安装维护、冷却水管安装连接以及设备防护设施安装。若采用常规方法对混凝土进行通水降温，人员主要工作为冷却水管安装连接、温度和水量数据统计分析、冷却水量手动调节等。其中数据统计费时，水量调节费力，据估算需通水降温人员15到20名。

综上可以看出，黄登水电工程采用智能温控智能通水以后，该工作节约了50%以上的人力劳动，人力劳动的节约效果显著。

（3）系统对收集到的温度要素和通水数据进行统计分析，对大坝内部的温度和流量进行表格和图形化的实时展示全面而直观，极大的方便了施工管理人员的查询和管理，这些优点都是人工分析所不具备的。

图3-7智能通水结果图

3.4大坝基础灌浆监控

3.4.1功能特点

大坝基岩灌浆监控子系统覆盖了灌浆施工的设计、计划、施工等多个阶段，从单元孔段的定义到施工过程数据、质量检测数据的采集，到最终的单孔验收、成果整理分析，提供全过程的单元、孔、段、灌次、时程数据的管理和分析保证设计、施工、检查等灌浆资料的完整性，提高灌浆成果资料整理的工作效率。

通过应用系统对灌浆数据进行自动采集，可各个孔段的灌浆数据实时自动获取，和灌浆数据图形化分析。

3.4.2监控应用情况

（1）系统的应用实现了灌浆数据自动实时采集和进度监控反馈。灌浆工程在施工中属于隐蔽工程，施工管理人员很难直观地跟踪，并及时的反馈灌浆施工进度情况。当灌浆施工数据纳入信息化管理系统后，施工人员及时有效地对整个施工过程的进度和现状进行查看。同时对施工过程中的重要过程数据进行实时监控。当过程数据超出设定数据范围时，系统会进行预警提醒，有效实现了对施工过程的管理和监控。

图3-8灌浆施工进度查询

（2）实现了灌浆施工质量监控。在传统施工中由于地质状况的不确定性，施工人员很难直观地了解灌浆质量情况，当灌浆施工过程出现异常时，不能及时发现问题。信息化系统应用预设灌浆压力、抬动监测等质量控制指标，当过程数据超出设定数据范围后，施工人员会收到预警提醒和发送短信通知。有效实现了对施工过程的管理和监控，防止了人为疏忽给工程质量造成影响，影响工程质量。同时，系统还将相应灌浆单元物探检测成果在系统中提供查询，以便工程人员了解灌浆质量。

（3）灌浆施工成果统计，灌浆工序繁琐数据量巨大，报表统计分析通常会耗费大量人工且容易出错。采用基础灌浆监控系统后，可随即实现相应的数据成果整理。灌浆成果可通过图形、图像、图表的展示，还能以多种文档格式导出，实现了对灌浆成果的快速生成与整理。

图3-9透水率与注入率分析

4实体质量影响

数字化施工管理信息系统的应用，最终体现在工程建设质量的提高，通过全面自动的施工过程管理，规范的施工工艺，大坝混凝土施工实体质量提升明显，对黄登水电站工程大坝混凝土质量检测结果如下：

（1）施工两年以来，浇筑碾压混凝土近230万m3，取样检测混凝土强度共7500组（其中仓面取样300组），混凝土全面指标检测近400次，检测频次及结果均满足规范和设计要求，各级配各标号混凝土强度保证率超过95%以上，远超优良标准。

（2）第三方检测单位每月对浇筑的混凝土体型进行测量，检测45次，共计检查3600多个测点，合格点数3100个，最大正偏差为8cm，最大负偏差为5.8cm，总体合格率为86.7%，检测结果均达到优良标准。

（3）目前大坝碾压混凝土共完成26个压水试验检查孔。坝前防渗区二级配混凝土压水总计157段，透水率最大值0.46Lu，最小值0.0Lu，平均值为0.15Lu；坝后三级配混凝土压水总计40段，透水率最大值0.53Lu，最小值0.0Lu，平均值为0.19Lu。三级配和二级配混凝土压水值均满足设计要求（设计要求：二级配混凝土透水率q不大于0.5Lu；三级配混凝土透水率q不大于1.0Lu。）。

（4）大坝碾压混凝土共完成12个取芯检查孔，二级配区域取芯4个孔，三级配区域8个孔，从芯样检查看，层间结合良好，表面光滑，气泡较少，且各级配混凝土芯样强度试验均满足设计要求，表明混凝土实体质量优良。特别是在II级配区、III级配区分别取出24.6m、20.6m长的完整芯样，创下国内最长芯样记录，打破世界纪录。

5结语

“数字化监控”是朱伯芳院士2007年底提出的一种先进的大坝监控模式，其目的是将数字仿真与观测仪器结合到一起创建大坝安全监控的新平台，及时发现问题，避免事故，而施工过程信息化管理则出现得更早。两者结合的数字信息化施工监控管理代表了大型水电工程施工质量控制管理的发展方向，目前国内已有部分水电大坝在施工中进行了探索和实践，如糯扎渡、溪洛渡、鲁地拉等大坝。黄登水电站信息数字化系统的建立在已有的系统实践上进行了创新与研发，具有后发优势，在已有基础上实现了监控手段的优化和系统功能的全面整合，监控技术更加先进，管理内容更为全面。

数字黄登系统的建设应用，实现了大坝浇筑全过程的实时、连续、自动、高精度控制，消除传统施工监管和记录的盲区。做到大坝施工信息的高效集成和监控，保证高质量、高强度安全施工，实现对大坝内部不可见信息的“可知”、“可控”、“可调”。规范混凝土施工工序质量系统评定，实现现场各类生产报表的自动化分析和汇总，提高准确率和工作效率。同时建立了一套质量和进度动态实时控制及预警机制，使黄登水电站大坝建设质量和进度始终处于受控状态。此外改变传统粗放的管理模式，规范生产建设活动，提升管理水平。

为了满足现代水电施工快速发展的需要，充分发挥现有系统的监控管理功能，该系统仍具有完善的空间。如大坝运行期可基于施工期收集的基础数据建立BIM，建立相应的管理评价系统，实现大坝其它生命周期的监控和管理。

参考文献：

[1]李帅，李森，吴永彦.河南省陆浑灌区信息化系统的开发与建设.水利建设与管理，2016（5）.