DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2016.05.043
本项目属于水利建筑工程施工、一般水工建筑物和软件工程领域。
溪洛渡水电站是中国长江三峡集团公司在金沙江下游开发建设的一座巨型水电站，是我国“西电东送”的骨干电源点，电站装机容量1386万千瓦。大坝坝高285.5米，位于长江干流上，安全要求特别高，综合技术难度极大。溪洛渡拱坝建设提出了智能化建设理念，是世界上仅有的全坝粗骨料采取了地下洞室开挖料的特高拱坝，混凝土本体材料抗裂特性偏弱，而且河床水文地质条件极为复杂，使坝体温控防裂与施工质量面临严峻的挑战。针对以上特点和难点，开展了300米级溪洛渡拱坝智能化建设关键技术的科技攻关。 创新建立了特高拱坝智能化建设理论和体系，攻克了智能拱坝建设的关键技术。创建了感知、分析、控制闭环智能控制的大坝智能化建设理论；建立了拱坝混凝土和基础岩体的全过程质量监控和综合定量评估体系；攻克了精细爆破、数字灌浆、智能振捣和智能温控等关键技术，并研发了智能控制设备。在施工中全面采取了智能温控系统与成套设备。
创新建立了特高拱坝施工进度与真实工作性态的动态耦合仿真分析模型与方法，实现了大坝建设全过程实时工作性态的动态可控。开展了全级配混凝土真实断裂性能和关键热、力学参数的系列试验和动态跟踪反演研究；提出了进度仿真优化模型和工作性态仿真模拟方法，实现了全坝施工进度、温度、变形、应力、渗流全过程的多场、实时、动态、耦合分析；开展了特高拱坝施工过程中基础固灌、横缝开合、悬臂高度、冷却降温、封拱灌浆等关键变形过程特性的精细仿真分析，提出了满足大坝整体协调变形机理的控制方法，实现了特高拱坝及基础建设全过程工作性态的预测、反馈与控制。
创新建立了全生命周期拱坝全景信息模型（DIM），并研发了智能拱坝建设与运行信息化平台（iDam）。解决了复杂环境下海量数据的实时采集和双向传输难点，实现了拱坝及基础整体三维结构设计和建设全过程多源数据的融合与信息的提取、分析，构建了拱坝智能化建设的信息化平台，达到了拱坝建设多目标、多专业、多工序的协同，实现了特高拱坝智能化建设。
该成果引领水电行业由传统走向现代化、智能化，在溪洛渡特高拱坝的建设中得到了成功应用。溪洛渡拱坝已经历了3年的蓄水运行，原型监测成果表明，各项指标均在设计允许范围之内，至今未发现混凝土温度裂缝，实现了“无缝大坝”的建设目标，开创了智能高拱坝建设之先河。
本成果已获省部级科技进步特等奖2项、一等奖1项，国家工法1项、省部级工法4项，授权发明专利12件（ZL 201110335403.8；ZL 201210299997.6；ZL 201110399271.5等），实用新型专利18件（ZL 201220416522.6；ZL 2011 20565699.8；ZL 201120421660.9等），软件著作权17项，发表学术论文215篇（SCI 30篇，EI 94篇）。该成果已在向家坝、藏木和白鹤滩、乌东德等工程应用推广，直接经济效益达242亿元，社会和生态效益显著。“300米级溪洛渡拱坝智能化建设关键技术”荣获2015年国家科技成果二等奖。
主要完成单位：中国长江三峡集团公司 清华大学 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司
中国水利水电科学研究院 中国水利水电第八工程局有限公司
武汉英思工程科技股份有限公司 三峡大学
主要完成人：樊启祥 王仁坤 张超然 周绍武 李庆斌 张国新 洪文浩 戴科夫 彭 华 周宜红
泄洪量达32278m 3/s，坝身孔口多，大坝结构应力复杂，施工干扰大，施工期混凝土开裂风险大；③河床坝段基础水文地质条件复杂，一定深度内存在15%的Ⅲ2级岩体，基础处理难度大。
实现了拱坝优质、高效建设，具有明显的自主创新和集成创新特，主要取得了以下3个方面的创新成果：
1.1.1 创新建立了特高拱坝智能化建设理论和体系，攻克了智能拱坝建设的关键技术
（1）创建了感知、分析、控制闭环智能控制的大坝智能化建设理论
基于绿环保理念，溪洛渡拱坝混凝土粗骨料全部采用洞室玄武岩开挖料，致使其本体材料抗裂特性偏弱，而且干热河谷气候条件恶劣，导致坝体温控防裂任务艰
巨，传统建坝模式难以实现大坝无裂缝的建设目标。本项目以建设无裂缝大坝为目标，通过混凝土本质质量、大坝-基础极优工作性态智能控制，确保特高拱坝全生命周期安全，创建了基于“感知、分析、控制”的闭环智能控制的拱坝智能化建设理论并付诸实践（见图1）。该理论解决了溪洛渡拱坝建设中多专业、多工序、多目标之间的施工干扰。
（2）形成了拱坝基础岩体和混凝土全过程质量监控和综合定量评估体系
项目基于坝肩槽精细爆破技术，建立了以质点振动速度、岩石声波、钻孔电视、平整度和超欠挖检测等对基础岩体质量进行定量评估的评价体系；并依托数字灌浆、智能振捣和智能温控为主的全坝质量评估体系，实现了原材料检测、大体积混凝土生产、运输、平仓、振捣和控温等“施工一条龙”和基础灌
浆质量的全过程监控和精细化管理，使大坝-基础施工质量全面受控。
（3）攻克了精细爆破、数字灌浆、智能振捣和智能温控等关键技术，研发了智能控制设备，并在施工中全面成功应用，创世界先例。
①项目基于冷却水管等效热传导方程、单相流体管内强制对流换热原理及能量守恒原理，建立了双层异质冷却水管等效冷却模型（式1）、小流量条件下的冷却模式和混凝土温度场变化与冷却水管出口水温差的关系，发明了基于冷却通水监测的大体积混凝土等效温度场快速仿真模拟计算方法。
1 主要科技创新
1.1 主要科技创新
世界大坝建设发展迅速，近20年来，世界水平的特高拱坝的设计和建设集中在中国。受特高拱坝自身特点及建坝自然条件制约，大坝应力控制、大流量泄洪消能、强地震区抗震、坝肩稳定、混凝土温控防裂、高陡边坡开挖及基础处理等是特高拱坝建设的关键问题。大坝施工期温控防裂是世界性难题，采用现有温控技术和方法仍然难以解决该问题。
与国内同类工程相比：①溪洛渡大坝混凝土粗骨料利用了地下洞室玄武岩开挖料，弹模高、极限拉伸值小、徐变小、收缩变形大，综合抗裂能力较弱
；
②坝身设计
钻孔电视
根据提出的智能温控模型，发明了实时在线个性化换热智能温度控制系统、成套控制设备（图2，包括管道内部温度测量装置，一体化流量和温度控制装置，智能控制箱、大坝移动式实时多点温度采集装置和远程无线数据传输系统等）及仿真软件系统，实现了个性化通水温度控制和流量控制，确保了“三期九段“通水冷却过程精准实现。
②针对大坝混凝土施工平仓振捣质量控制难点，研
究了混凝土施工质量实时监测与智能反馈控制理论与方法，研制了配套的监控设备及控制软件（图3），创新实现了对大坝混凝土运输、平仓、振捣施工质量全过程实时监测、智能控制、反馈与预警，有效避免漏振、过振、欠振等混凝土施工质量问题。
③溪洛渡拱坝河床水文地质条件复杂，其建基面局部超规范利用Ⅲ2级岩体，为确保基础处理安全可靠，本项目创新地将网络化管理技术引入到灌浆领域，推出
了基础灌浆数字监控系统，实现了多机、集中监测和灌浆过程全面自动化、数字化，有效提高灌浆效
果与效率。通过质量检测与蓄水检验，基础灌浆质量优良。
④基于定量化爆破设计方法、拱肩槽施工专项设备研发应用、爆破降尘技术等，结合精细爆破施工工艺和管理体系，形成了一整套高精控制精细爆破施工技术，使得建基面开挖质量达到优良水平。
相关研究成果获得软件著作权5项，国家工法1项、省部级工法4项，受邀在2014年国际大坝年会上进行了专题交流。实现大坝浇筑680万立方米混凝土，至今未发现温度裂缝的建设目标，和常态混凝土取芯20.59米的纪录。
1.1.2 创新建立了特高拱坝施工进度与真实工作性态的动态耦合仿真分析模型与方法，实现了大坝建设全过程实时工作性态的动态可控
（1）开展了大尺度全级配混凝土真实断裂性能和关键热、力学参数的系列试验和动态跟踪反演研究
创新（图4）揭示了龄期变化对全级配混凝土断裂性能的影响规律，分析了全级配混凝土断裂性能随构件截面尺寸变化的尺寸效应；得出了大坝混凝土的真实弹模、抗拉强度和热、
力学参数，为大坝整体真实工作性态
评价奠定了基础。这一成果被国内外著名学者广泛引用。
（2）提出了进度仿真优化模型和
工作性态仿真模拟方法，实现了全坝施工进度、温度、变形、应力、渗流全过程的多场、实时、动态、耦合分析
基于实时采集的施工过程数据、工效分析、施工组织水平特点规律，提出了高可靠度施工进度动态耦合仿真分析优化模型和方法，建立了包括混凝土温度应力控制、施工进度优化等精细化实时管控的评
价体系（图5）；基于实时掌控坝体温度应力与工作性态，提出了全坝全过程真实工作性态动态仿真分析模型和方法（图6）；同时，对基础渗流场进行了分析与预测，形成大坝-基础整体安全状态定量评价。
（3）开展了特高拱坝施工过程中基础固灌、悬臂高度、冷却降温、横缝开合、封拱灌浆等关键变形过程特性的精细仿真分析，提出了满足大坝整体协调变形机理的控制方法
基于大坝施工过程中坝体温度、应力、横缝开度及变形实测资料，全过程研究了大坝在基础固灌、悬臂高差、冷却降温及封拱灌浆等动态过程中的大坝整体协调变形规律和横缝的开合机理；提出拱坝横缝是否拉开、灌区可灌程度和接缝质量是否遭到破坏等现象的判别方法和控制方法，填补了拱坝横缝张开、整体变形机理的研究空白。基于大坝施工过程中整体工作性态，创新提出了悬臂高度动态控制思路，发明了分坝段分高程悬臂高度的个性化控制方法。
上述研究相关成果获得软件著作权5项，提前工期9.5个月确保按期蓄水发电，创造了国内外钢衬混凝土极短间歇期26天及均衡施工的纪录，实现了“无缝大坝”目标，已被乌东德、白鹤滩特高拱坝用于坝体设计和工程建设筹备中。
1.1.3 创新建立了全生命周期拱坝全景信息模型（DIM），并研发了智能拱坝建设与运行信息化平台（iDam）
（1）创建了以特高拱坝全生命周期安全为核心的大坝全景信息模型（DIM），并研发了智能拱坝建设与运行信息化平台（iDam）
DIM 与实体大坝同步演进，将建筑物与其施工方法、施工质量控制要求、材料性能要求、施工进度、工艺、原材料质检及施工过程质量检查等信息集成起来，形成信息丰富、可随时追溯分析查阅的“数字大坝”，实现从设计-施工-运维的信息整合与传递，实现了大坝数字化管理及运营期的信息追溯；同时，依托DIM 研发的信息化平台iDam（图7），通过将设计、监测、进度、施工、质量、地质等属性信息的共享与有序流动，实现了大坝信息全生命周期的一体化管理。
（2）依托于DIM 生产性接口的全过程智能化监测，解决了施工阶段复杂环境下海量数据的实时采集和双向传输难点
基于物联网、工业组态、无线传输、高精度定位技术，成功研发并应用了水工数字与无线光纤测温技术、智能仓面管理系统、数据实时传输系统等全套信息采集与感知技术。其中，数字测温与光纤测温相结合的逐仓混凝土温度实时监测传输系统，创新实现了混凝土温度自动、实时观测；智能仓面管理系统创新解决了施工过程质量数据采集面多、变动性大、数据量大、及时性高等难题。
相关成果获得软件著作权3项。被推广应用于向家坝、藏木等混凝土坝。
1.2 科技局限性
目前，300米级溪洛渡拱坝智能化建设关键技术已取得系列重大突破，包括取得大坝工程建设信息化管理的全面突破和高拱坝智能建造的关键突破。
在大坝工程建设信息化管理方面，本成果以拱坝为核心解决工程基础信息和实时信息的准确、及时采集，基于大数据技术展开信息分析与数据挖掘应用，满足决策支持和协同工作的需要。其中，基础信息是拱坝设计的基础数据和成果；而实时信息则是拱坝建设过程中的施工动态成果。
在高拱坝智能化建造方面，本成果以混凝土浇筑、温控和基础灌浆为核心解决施工智能控制，基于物联网技术和大数据分析技术等展开系统研究，使高拱坝建造过程的管理具备数字化、信息化和智能化的“神经系统”。其智能建造内容包括混凝土浇筑过程中振捣施工工艺的智能控制、坝体温控防裂过程中通水冷却工艺的智能控制和基础灌浆过程中灌浆工艺的智能监控。
随着技术研究与应用工作进一步深入和行业信息化水平发展，本成果也将进一步完善，①加强从项目决策至项目完建运行全过程的信息化和智能化管理与实施的水平，重点提高三维设计成果与本项目的衔接与互动；②提升灌浆智能化水平，以目前已完成的灌浆监测智能化为基础，向灌浆全过程智能化可控发展。
随着智能建造模式和工程建设精益化管理理念的普及发展，本科技成果的应用将逐步拓展至拱坝水电站整体、其他坝型水电工程乃至其他行业，实现行业级工程全生命周期信息化协同管理与智能建造。
同时，应将本项目形成的先进的技术成果和成功的技术应用经验向其他国家和地区全面推广，在国际上树立起中国水电的良好形象。CSTA
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