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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、通訊傳輸設備等組成，將大壩實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)，對大壩施工及運行狀況進行全方位實時掃描。”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，不斷探索與實現(xiàn)。杜彬帶領(lǐng)的團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，為混凝土大壩建設及運行中的溫度控制提供了技術(shù)支持。
實現(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行降溫的溫控模式，可對混凝土大壩全生命周期進行智能、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)和先進的調(diào)控方法來共同實現(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)進行處理判定形成具體的溫度調(diào)控，指導調(diào)控設備的運行，實現(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)，指導極端天氣條件下提前分階段進行溫度調(diào)控的天氣預報、水文氣象信息，實施大壩混凝土智能溫度調(diào)控行為后的自我評判、深度學習、自我修正相關(guān)數(shù)據(jù)。
調(diào)控設備就是最終的執(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)設備、環(huán)境溫度達到零攝氏度以下仍可運行的抗凍調(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芰烤珳实妮斔椭链髩蝺?nèi)任意部位。
智能溫控大壩可對大壩全生命周期進行雙向調(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。
目前控制大壩的溫度主要有三種方式。一是嚴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。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（最低溫度可達零下45攝氏度）內(nèi)進行了大體積混凝土溫度補償系統(tǒng)研究實驗，觀察到采用聚氨酯保溫層對混凝土試件進行保溫防護，可以減緩外界環(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和無保護大體積混凝土內(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。在試驗中通過埋設在混凝土試件中的傳感器與溫度補償設備的控制系統(tǒng)相連接實現(xiàn)了溫度智能補償。”杜彬告訴中國電力報記者說。
溫度智能補償系統(tǒng)防裂效果明顯
“對比試驗結(jié)果顯示出溫度補償系統(tǒng)對大體積混凝土試件的溫度調(diào)控效果明顯，引導性的升溫或者降溫，可以達到試件中心點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)可見微細裂縫，顯示出了混凝土溫度補償系統(tǒng)進行雙向引導式調(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)控對混凝土進行有效防護，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、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行實時監(jiān)測以獲得調(diào)控需求，針對性的制定調(diào)控策略并指導實施，既可以單獨調(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部位和特殊部位重點調(diào)控，從而做到精準施策。
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)部溫度遠遠高于外部。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，進而導致裂縫的產(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報、水文氣象信息接入數(shù)據(jù)庫，提前預知未來的天氣以及溫度變化，最后通過“大腦”進行系統(tǒng)決策，拿出一個最優(yōu)的調(diào)控策略提前干預，讓大壩溫度調(diào)控節(jié)點前移，有效防止大壩裂縫的產(chǎn)生。
“智能溫控大壩建設與大壩實體澆筑同步進行。大壩開始施工后就按澆筑分區(qū)建設多個可智能調(diào)控溫度的子系統(tǒng)，滿足施工期對分區(qū)建設的混凝土進行調(diào)控需求。隨著大壩施工進度將先后構(gòu)建的子系統(tǒng)按整體調(diào)控理論進行連接和整合，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計研究有限責任公司正在合作開展研究，對該技術(shù)工程應用進行完善和推廣應用至大壩建設，為混凝土大壩安全運行提供保障。