梨园ijuh数字大坝系统的开发建设及运行

　　１工程概况

　　梨园水电站位于云南省迪庆州香格里拉县（左岸）与丽江市玉龙县（右岸）交界的金沙江中游河段，是金沙江中游河段规划的第３个梯级。梨园水电站是以发电为主、兼顾防洪，并具有库区航运和旅游等综合效益的大型水电水利工程。水库正常蓄水位１　６１８ｍ，相应库容７．２７×１０８ｍ３，电站装机容量２　４００ＭＷ（４×６００ＭＷ）。
　　枢纽主要由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、左岸引水系统、左岸泄洪冲沙洞及左岸岸边发电厂房等建筑物组成。混凝土面板堆石坝基础最低高程１　４７１ｍ，坝顶高程１　６２６ｍ，最大坝高１５５ｍ，坝顶长５２５．３ｍ，坝顶宽１２ｍ。大坝上游坝坡１∶１．４，下游坝坡在高程１　５９４ｍ以上采用１∶１．７，以下采用１∶１．５。
　　堆石坝总填筑量约８０２×１０４ｍ３，其中坝体主填筑料总量约７３２×１０４ｍ３，根据料源及对坝料特性、施工方便、经济合理等要求，大坝从上游到下游依次分为垫层区（２Ａ）、过渡区（３Ａ）、主堆石区（３Ｂ）、下游堆石区（３Ｃ、３Ｄ），周边缝下设特殊垫层区（２Ｂ）。
　　坝体填筑最大剖面见图１。
　　２０１１年８月１６日大坝填筑正式开始施工，２０１３年７月２５日，坝体填筑至１　６２３ｍ高程，完成大坝主体填筑７３１×１０４ｍ３。坝体填筑最大月强度为４７．９×１０４ｍ３，在这样的坝体填筑强度下，如何做好大坝填筑施工质量控制，如何在及时高效地收集和管理大坝工程建设过程中的质量监测、安全监控、施工进度等信息，是工程建设管理的重要技术问题。
　　为此，云南金沙江中游水电开发有限公司委托天津大学开展了“梨园水电站面板堆石坝建设与监测信息管理系统”（简称“数字大坝系统”）的研究开发与建设工作。

　　２梨园ｉｊｕｈ数字大坝系统的开发与建设

　　２．１数字大坝系统建设目标

　　１）建立一套具有实时性、连续性、自动化、网络化、可视化、高精度等特点的梨园水电站面板堆石坝施工监测系统。系统对大坝施工的坝面碾压和坝料运输进行有效监控，建立质量动态实时控制及预警机制，使大坝填筑施工过程始终处于系统的监控状态，实现施工在线实时监测和反馈控制，有效控制施工质量。
　　２）将水电站的设计、施工及运行过程中涉及众多动、静态信息进行综合集成和有效管理与分析，为水电站设计、施工、运行与工程建设管理等提供全面、快捷、准确的信息服务和决策支持系统。
　　３）提高工程建设管理水平与效率，为打造梨园优质精品工程服务。

　　２．２数字大坝系统主要内容

　　梨园水电站数字大坝系统主要包括上坝运输过程实时监控、填筑碾压过程实时监控、大坝施工信息ＰＤＡ采集、大坝安全监测信息集成管理、综合信息三维可视化管理、数字大坝系统设施等几个方面的内容。数字大坝系统结构设计见图２。

　　２．２．１上坝运输过程实时监控系统

　　通过在上坝运输自卸车上安装监测设备，对自卸车从料场装料到坝面卸料的全过程进行远程监控，当发现自卸车实际卸料地点与应卸料区域不匹配时向施工管理人员进行反馈以及时处理，并可进行上坝运输强度与上坝道路车流量的统计分析。

　　２．２．２大坝填筑碾压过程实时监控系统

　　通过在振动碾上安装监测设备，对大坝填筑施工过程中的碾压参数（包括碾压机行走速度、碾压遍数、激振力输出状态、压实厚度）进行远程监控，当发现存在超速、漏碾等施工不规范情况发生时，即时向施工管理人员进行反馈以及时处理，从而保证碾压施工过程能严格按照经生产型试验确定的参数进行，避免不规范现象的出现，保证施工质量。
　　２．２．３大坝施工信息ＰＤＡ采集系统

　　对于不能应用监测设备自动采集的重要工程信息，如车辆调度信息、试验检测信息，需要在施工现场进行采集的，可应用ＰＤＡ进行人工采集。

　　２．２．４大坝安全监测信息集成管理系统

　　将大坝安全监测单位采集的安全监测信息集成到数字大坝系统中，并在大坝整个寿命周期内进行长期跟踪与动态分析。

　　２．２．５“数字大坝”综合信息三维可视化管理系统

　　构建梨园水电站三维虚拟模型，将工程建设过程中涉及的工程信息与三维模型相结合，在虚拟的数字大坝系统环境下，实现各种工程信息的集成化、可视化管理。

　　２．３数字大坝系统设施

　　数字大坝系统设施包括总控中心，设置于业主管理营地，由研发单位值守，负责整个系统的管理与维护。分控站设置于大坝施工现场下游约５００ｍ处施工值班室，配备电脑与网络设备，由监理在此值班，值班人员通过电脑进行监控。ＧＰＳ基准站（整个系统的位置基准）、服务器组（设置于业主营地机房）、硬件设备包括碾压机监测设备，安装于碾压机上。自卸车监测设备，安装于自卸车上；ＰＤＡ设备等。

　　３数字大坝系统的运行与管理

　　３．１数字大坝系统运行管理体系

　　业主单位通过合同约定、制定数字大坝系统运行管理办法，明确监理、施工单位数字大坝运行管理及配合责任，过程中通过检查考核，形成了由业主牵头协调、监理单位具体负责、施工单位紧密配合、系统研发单位负责维护的管理系统。在梨园水电站坝体填筑碾压施工质量监控实施中，数字大坝总控中心是整个系统的核心组成部分，负责系统维护与数据分析、管理。现场分控站的任务是进行大坝碾压及铺料现场各作业面施工控制参数的设定以及接收来自总控室的监控信息，由监理单位和施工单位派相关人员２４ｈ值守，应用系统对大坝施工过程进行实时监控与问题处理。

　　３．２大坝填筑施工现场质量监控管理

　　梨园水电站数字大坝施工质量监控体系见图３。
　　３．２．１大坝填筑开仓、收仓管理

　　仓面铺料和碾压开始前施工单位向监理工程师填报开仓计划表：明确开始进行铺料填筑及碾压施工仓面的范围、坐标、上坝运输车辆的取料和卸料位置、仓面碾压施工质量控制参数等。施工单位现场管理人员通过和现场监理工程师以及数字大坝现场分控站的信息沟通，开仓时通知分控站启动数字大坝ＧＰＳ质量监控系统，收仓时关闭数字大坝ＧＰＳ质量监控系统。仓面铺料和碾压（补碾）施工过程中，碾压机械和上坝运输车辆信息有调整时及时通知现场分控站，实时调整监控参数设置。
　　如果大坝施工单位未按照配合要求完成相关工作，如安排未安装监测设备的碾压机施工，在这种情况下数字大坝系统无法进行有效监控。在此情况下，分控站监理工程师不允许该单元开仓。如监控中发现有漏碾等施工不规范问题，施工单位未能妥善处理，数字大坝系统会显示该单元不能收仓，分控站监理工程师也不允许该单元收仓。

　　３．２．２碾压参数监控管理

　　１）建立碾压参数监控指标与报警机制。
　　①碾压机超速报警：大坝碾压施工碾压机行走限速为１．５～３ｋｍ／ｈ，如果碾压机连续２０ｓ超过限速，则系统会发出超速报警。
　　②激振力不达标报警：如果碾压机连续５ｍｉｎ激振力不达标，则系统会发出激振力不达标报警。
　　③碾压遍数控制：碾压遍数控制目标：具体到每一施工单元，满足碾压遍数要求的区域面积比率不低于９０％，且无明显漏碾、欠碾区域。系统会自动生成碾压轨迹及碾压遍数图形及统计分析数据，如未达到规定要求，则该仓判定不合格，需补充碾压直至达到合格要求为止。
　　④压实厚度控制：每一施工单元碾压结束后，系统将根据上、下两层监测到的高程数据相减得到该单元厚度分布数据，并以图形报告的形式输出，每一施工单元监控得到的压实厚度均值与要求的厚度之间的偏差应不超过１０％。
　　大坝碾压机铺料现场作业面碾压机械的行驶速度、激振力档位的运行工况、碾压遍数、铺料厚度以及每一辆上坝运输车辆的取料和卸料位置都实时直观的显示在现场分控站和总控室监控系统的显示屏上，使现场管理人员实时了解大坝碾压及铺料现场各作业面上的施工情况，如碾压及运输机械的工作状态及施工质量情况等，一旦出现施工偏差和质量偏差，数字大坝监控系统将即时通过监控计算机报警、手机短信报警等形式，实时提示现场监理人员跟踪现场施工质量情况，及时通知施工单位管理人员要求现场机械操作人员进行返工、整改。
　　２）数字大坝系统监控成果，如碾压遍数达标率图形报告等纳入单元验收环节，作为单元验收的补充材料。

　　３．３安全监测数据管理

　　将大坝安全监测数据定期录入到数字大坝系统中进行集成管理，包括坝体沉降、位移、渗水量等。可以快捷方便的查询监测数据。

　　３．４试验检测资料管理

　　梨园水电站大坝压实密度和孔隙率等试验检测，采用试坑法检测和附加质量法检测。将两种方法的检测数据定期录入到数字大坝系统中进行集成管理。

　　３．５其它信息资料管理

　　梨园水电站面板堆石坝建设与监测信息管理系统还包括工程地质情况信息系统、枢纽布置数字化信息系统等，在整个大坝工程施工过程中起到了信息集成管理的作用。相关界面见图４。
　　４数字大坝施工参数监控成果
　　１）上坝运输车辆卸料报警统计。系统运 行６９３ｄ（２０１１年８月３１日至２０１３年７月２５日），根据监理整合报警情况，共监控１　４８１个调度计划，监测到卸料报警２　０１７次，产生卸料报警主要是由于系统运行初期，施工单位未及时上报变更计划、临时调动、开仓调度冲突、临时铺路等原因造成的，后期随着管理加强，卸料报警频次大幅度降低。
　　２）碾压机行驶超速报警统计。共计监测到碾压机实际超速报警６９４次，平均每天每台超速０．１１次（１ｄ平均按１０台碾压机计算），碾压机超速碾压得到有效控制。
　　３）碾压机振动状态不达标统计。共计监测到碾压机振动不达标报警１９２次，平均每天每台超速０．０３次（１ｄ平均按１０台碾压机计算），碾压机振动不达标情况得到了很好的控制。
　　４）仓面碾压遍数统计与分析：监控结果显示所有全程监控的施工仓面中，碾压达到了标准遍数及以上，碾压遍数达标保证率为１００％。
　　５）仓面压实厚度统计与分析：主堆石区（３Ｂ）、下游堆石排水区（３Ｄ）、次堆石区（３Ｃ）压实厚度标准值为０．８ｍ，监测控制值为０．７２～０．８８ｍ；垫层过渡区（２Ａ、３Ａ）压实厚度标准值为０．４ｍ，监测控制值为０．３６～０．４４ｍ。监控结果显示，所有监控仓面压实厚度处于受控状态。

　　５坝体填筑碾压质量检测

　　５．１坝体填筑料设计标准坝体主填筑料设计标准见表１。
　　５．２坝体填筑碾压质量检测

　　梨园水电站坝体填筑碾压质量检测采用试坑法检测和附加质量法检测。试坑法检测数据统计见表２（业主试验检测中心数据），附加质量法检测压实干密度数据统计见表３（业主物探检测中心数据）。
　　试验检测数据表明，梨园水电站坝体填筑碾压质量全部达到或超过设计标准，碾压质量得到了很好的控制。
　　６结 语

　　梨园水电站数字大坝系统自应用以来，通过对大坝施工过程进行实时监测和反馈控制，弥补了人为监控的不足，对大坝填筑质量起到了有效的保证作用；将填筑施工质量监测、试验检测、安全监测、施工进度等信息进行集成管理，建立起了一个数据信息平台。数字大坝系统有效提高了大坝施工质量监控的水平和效率，确保大坝施工质量始终处于受控状态，为土石坝施工质量的高标准控制开辟了一条新的途径，具有广阔的应用前景。