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“感知監(jiān)測單元就像遍布人體全身的神經(jīng)元，它由數(shù)量龐大的多類型傳感器、數(shù)據(jù)讀取采集儀表、通訊傳輸設(shè)備等組成，將大壩實(shí)時信息傳遞給控制系統(tǒng)，還可以與大壩已有的安全監(jiān)測系統(tǒng)對接以獲得更多的數(shù)據(jù)，對大壩施工及運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位實(shí)時掃描。”宜昌天宇科技有限公司（簡稱“天宇科技”）總經(jīng)理杜彬接受中國電力報記者采訪時說，智能溫控大壩由布置在混凝土大壩內(nèi)外的感知監(jiān)測單元、控制系統(tǒng)和調(diào)控設(shè)備組成，就像是一個充滿活力的“生命體”，智能溫控讓大壩“活”起來。
世間萬物皆有生命，只有讓生命活力呈現(xiàn)才能持久以至永恒。讓大壩“活”起來，是水利工作者永恒的課題。天宇科技二十年來致力于混凝土大壩保溫保濕防裂防滲技術(shù)研究，不斷探索與實(shí)現(xiàn)。杜彬帶領(lǐng)的團(tuán)隊通過對混凝土基礎(chǔ)理論及“可永久調(diào)控混凝土大壩溫度的方法及裝置”的研究，提出了“智能溫控大壩和溫度調(diào)控方法”，并獲得了發(fā)明專利，為混凝土大壩建設(shè)及運(yùn)行中的溫度控制提供了技術(shù)支持。
實(shí)現(xiàn)全生命周期智能溫度調(diào)控
“智能溫控大壩和溫度調(diào)控方法改變了僅在施工期通冷卻水進(jìn)行降溫的溫控模式，可對混凝土大壩全生命周期進(jìn)行智能、分區(qū)、雙向的溫度調(diào)控，這些通過智能溫控大壩特有的結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的調(diào)控方法來共同實(shí)現(xiàn)。”杜彬告訴中國電力報記者說，控制系統(tǒng)猶如人體的大腦，它一方面接受處理與大壩溫度調(diào)控相關(guān)的海量數(shù)據(jù)信息，另一方面利用“智慧大腦”中存儲的規(guī)則、知識庫、模型庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判定形成具體的溫度調(diào)控，指導(dǎo)調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對大壩混凝土的溫度調(diào)控。
再聰明的“大腦”做出正確的決策也離不開信息的支撐。天宇科技采用大數(shù)據(jù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)搭建數(shù)據(jù)庫，包括反映混凝土溫控需求的混凝土內(nèi)部數(shù)據(jù)，指導(dǎo)極端天氣條件下提前分階段進(jìn)行溫度調(diào)控的天氣預(yù)報、水文氣象信息，實(shí)施大壩混凝土智能溫度調(diào)控行為后的自我評判、深度學(xué)習(xí)、自我修正相關(guān)數(shù)據(jù)。
調(diào)控設(shè)備就是最終的執(zhí)行者，有了它智能溫控大壩才能告別“紙上談兵”達(dá)到“知行合一”的境界。它包括可提供低溫與高溫調(diào)控介質(zhì)的生產(chǎn)設(shè)備、環(huán)境溫度達(dá)到零攝氏度以下仍可運(yùn)行的抗凍調(diào)控介質(zhì)，以及將大壩劃分為網(wǎng)格狀的管網(wǎng)組成，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與控制系統(tǒng)結(jié)合。生產(chǎn)設(shè)備就像人的心臟可源源不斷提供大壩溫度調(diào)控需要的能量，調(diào)控介質(zhì)好比人體中循環(huán)不止的血液，攜帶著能量對混凝土進(jìn)行交換和供給，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)更像是人體中大大小小的血管，它能夠?qū)⒛芰烤珳?zhǔn)的輸送至大壩內(nèi)任意部位。
智能溫控大壩可對大壩全生命周期進(jìn)行雙向調(diào)控，它給大壩構(gòu)造了一顆熱情澎湃的“心臟”，在低溫季節(jié)首先對抗凍性能優(yōu)異的調(diào)控介質(zhì)進(jìn)行升溫，利用平行于大壩上下游面布置的多層調(diào)控管網(wǎng)將“心臟”產(chǎn)生的能量輸送至表層混凝土進(jìn)行升溫調(diào)控，通過雙向的溫度調(diào)控手段，對大壩全生命周期提供了一種有效的保護(hù)。
目前控制大壩的溫度主要有三種方式。一是嚴(yán)格限制混凝土澆筑過程的骨料溫度、拌和溫度及入倉溫度。二是壩體內(nèi)部布置冷卻水管、倉面和大壩表面灑水養(yǎng)護(hù)。三是倉面越冬采用聚氨酯或棉被等臨時保溫，大壩上下游表面、底孔和表孔等部位采用聚氨酯或苯板永久保溫等。但是這三種方式單一或者組合效果都不是很理想。“我們在公司的超低溫環(huán)境試驗室（最低溫度可達(dá)零下45攝氏度）內(nèi)進(jìn)行了大體積混凝土溫度補(bǔ)償系統(tǒng)研究實(shí)驗，觀察到采用聚氨酯保溫層對混凝土試件進(jìn)行保溫防護(hù)，可以減緩?fù)饨绛h(huán)境溫度變化對混凝土試件溫度的影響，但是隨著時間的推移保護(hù)和無保護(hù)大體積混凝土內(nèi)部溫度趨于一致，揭示了大體積混凝土內(nèi)部無恒定溫度場。在試驗中通過埋設(shè)在混凝土試件中的傳感器與溫度補(bǔ)償設(shè)備的控制系統(tǒng)相連接實(shí)現(xiàn)了溫度智能補(bǔ)償。”杜彬告訴中國電力報記者說。
溫度智能補(bǔ)償系統(tǒng)防裂效果明顯
“對比試驗結(jié)果顯示出溫度補(bǔ)償系統(tǒng)對大體積混凝土試件的溫度調(diào)控效果明顯，引導(dǎo)性的升溫或者降溫，可以達(dá)到試件中心點(diǎn)溫度和表面溫度相近。溫度調(diào)控結(jié)束后，經(jīng)過20倍放大觀察，多組試件均未發(fā)現(xiàn)可見微細(xì)裂縫，顯示出了混凝土溫度補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行雙向引導(dǎo)式調(diào)控防裂效果明顯，大體積混凝土表面溫度調(diào)控相對于內(nèi)部溫度調(diào)控更加有效。”杜彬接受中國電力報記者采訪時說，通過溫度調(diào)控對混凝土進(jìn)行有效防護(hù)，保持混凝土溫差波幅較小狀態(tài)是防裂的有效手段。大量的試驗數(shù)據(jù)分析表明，依據(jù)環(huán)境溫度對大體積混凝土進(jìn)行智能溫度調(diào)控防裂的方法是有效而且可行的。
智能溫控大壩和溫度調(diào)控方法不論是夏季降溫調(diào)控，還是低溫季節(jié)抗凍介質(zhì)升溫調(diào)控均為封閉式循環(huán)調(diào)節(jié)，可以有效地節(jié)約資源。將大壩網(wǎng)格化分區(qū)調(diào)控使溫度控制更加精準(zhǔn)、高效和個性化，它利用布置在大壩內(nèi)部的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)將其劃分成多個單元，然后對每一單元的混凝土進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測以獲得調(diào)控需求，針對性的制定調(diào)控策略并指導(dǎo)實(shí)施，既可以單獨(dú)調(diào)控某一個單元，也可以同時調(diào)控多個單元，對于大壩的一些重點(diǎn)部位和特殊部位重點(diǎn)調(diào)控，從而做到精準(zhǔn)施策。
據(jù)了解，大壩多采用混凝土材料建筑而成，但施工時混凝土內(nèi)所含的水泥遇水會產(chǎn)生較大熱量，使內(nèi)部溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部。對于我國西北地區(qū)的混凝土大壩，冬季受環(huán)境低溫影響也會出現(xiàn)內(nèi)外溫差較大的情況，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。
混凝土材料的傳熱性能較差，再高效的溫控措施都有一定的滯后性。而天氣的變化無常讓調(diào)控更加跟不上節(jié)奏，智能溫控大壩和溫度調(diào)控方法將大壩所在地天氣預(yù)報、水文氣象信息接入數(shù)據(jù)庫，提前預(yù)知未來的天氣以及溫度變化，最后通過“大腦”進(jìn)行系統(tǒng)決策，拿出一個最優(yōu)的調(diào)控策略提前干預(yù)，讓大壩溫度調(diào)控節(jié)點(diǎn)前移，有效防止大壩裂縫的產(chǎn)生。
“智能溫控大壩建設(shè)與大壩實(shí)體澆筑同步進(jìn)行。大壩開始施工后就按澆筑分區(qū)建設(shè)多個可智能調(diào)控溫度的子系統(tǒng)，滿足施工期對分區(qū)建設(shè)的混凝土進(jìn)行調(diào)控需求。隨著大壩施工進(jìn)度將先后構(gòu)建的子系統(tǒng)按整體調(diào)控理論進(jìn)行連接和整合，竣工時就形成智能溫控大壩。”杜彬接受中國電力報記者采訪時說，天宇科技目前和中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司正在合作開展研究，對該技術(shù)工程應(yīng)用進(jìn)行完善和推廣應(yīng)用至大壩建設(shè)，為混凝土大壩安全運(yùn)行提供保障。