哇塞，仿真大坝建设关键技术在中国的工程师手里还可以这样玩

　　高坝建设历经100多年,施工方法和管理技术经历了人工、机械化、自动化、数字化和智能化发展的过程。信息技术与智能控制技术已在大坝的建设过程中得到越来越多的认可,智能灌浆、智能碾压、智能通水、智能喷雾等技术在高坝建设施工过程中得到越来越多的应用。近年来,随着拉西瓦、小湾、溪洛渡和锦屏一级等一批特高拱坝的相继成功建成,全面反映了我国坝工技术方面的进步与发展。
　　以溪洛渡为代表的高拱坝借助现代信息技术、互联网技术和智能控制技术,在大坝建设期间将感知、分析和控制为主导的人工智能理念成功应用于大坝建设的施工与管理中,开发了iDam平台,是坝工智能化建设的初步尝试,开创了大坝智能化建设的新起点,以＂智能建造＂为代表的中国引领世界坝工技术发展的新时代已经到来。
　　溪洛渡水电站等工程在智能化建设方面虽然只是初步尝试,但实践证明智能建造在大坝施工安全与质量控制的过程中发挥了非常重要的作用,对于引领行业技术进步、确保大坝工程有序进行和安全生产、加深大坝工作性态掌控、提高建设管理单位对工程的管控等方面均发挥了重要的作用,有效保障了溪洛渡拱坝的顺利建成。
　　但鉴于大型工程的智能化建设是一个系统工程,智能化建设涉及的感知、分析和控制等核心环节仍存在很多未能解决的问题,离实现真正的智能建造还有较大的差距,相关工作仍有待进一步的推进与深化。如在大坝工作性态仿真分析环节,溪洛渡大坝蓄水后出现的大坝实际变形与设计变形的差异、谷幅收缩量值较大等现象也远远超出了同类工程的工程实践,目前相关机理也正在进一步的深化研究中。
　　这些问题的出现表明:对于高拱坝而言,智能化建设过程中除信息化建设及相关配套软、硬件系统的智能建造需要进一步升级外,大坝工作性态的精准把控、变形机理的深度揭示、仿真算法和高性能计算能力、长期安全评估及调控方法等方面也仍有较多的学科前沿问题有待深入探索。当前乌东德、白鹤滩2座特高拱坝正在建设中,与溪洛渡工程相比,工程地质条件复杂,客观施工边界条件、气象条件均更为不利,施工期温控防裂、蓄水过程中的变形协调问题、大坝及库区岸边坡稳定及蓄水长期安全运行等工程难点问题更为突出,为实现大坝真实工作性态的仿真、确保工程全生命周期安全,在溪洛渡智能化建设1。0版本的基础上,针对2座高拱坝自身建设的特点和重点难点问题,进一步开展智能化相关工作的深化研究是工程建设的迫切需求。
　　智能建造技术的应用将深度挖掘现代信息技术、监测技术、互联网技术、大数据分析技术、仿真分析技术、虚拟可视化技术和人工智能控制技术与坝工建设的结合点,搭建2。0版大坝智能化建设新型智能控制体系本文以乌东德、白鹤滩的智能建造体系为基础,重点针对建造仿真大坝及所涉及的关键技术问题进行讨论,对仿真大坝建设过程仍存在的重点和难点问题进行分析,并结合仿真大坝建设在2座高拱坝建设中的实际应用情况,对需要进一步深入研究的问题进行剖析,为类似大坝工程的全生命周期安全建设与智慧管理提供参考。
　　一、仿真大坝的定义与内涵
　　1.1智能建造体系与平台简介乌东德、白鹤滩大坝智能建造平台是溪洛渡大坝工程智能建造平台的进一步升级,平台结合现代信息技术、物联网技术、大数据技术、人工智能技术,在溪洛渡＂智能温控＂＂智能振捣＂＂数字灌浆＂和＂精细爆破＂等核心技术的基础上,遵循＂全面感知、真实分析、实时控制＂的闭环智能控制理论,将现代信息技术与水电工程建设深度融合,构建了聚焦核心工艺过程与主要业务流程的大坝工程智能建造体系和协同管控平台,具体如图1和图2所示。
　　图1 智能建造体系
　　图2 智能建造协同管控平台
　　1.2仿真大坝定义与内涵
　　乌东德、白鹤滩大坝智能建造的核心流程为全面感知、真实分析、实时控制3个环节,致力于实现建设＂数字大坝、仿真大坝和实体大坝＂,如图3所示。其中＂数字大坝＂是指通过全面感知环节,以大坝BIM模型为基础,全面集成工程设计、施工和运行全生命期的各类结构设计、工程地质、工程施工信息和工程安全监测数据,从而建设一座集成大坝全部信息的＂数字大坝＂。
　　图3 三座大坝构成
　　仿真大坝是指在＂数字大坝＂的基础上,对数字大坝的工程参数、边界、进程和动态响应开展全面的分析,利用(或开发)先进的仿真分析软件,开展对大坝工程工作性态的实时动态跟踪仿真与反馈,同时借助融合了同类工程实践经验及相关准则、标准等知识在内的专家决策支持系统,对大坝工程当前及不同边界条件下的工作性态、安全度和机理进行实时评估与分析,对其工作性态真实性、安全度真实性和机理真实性进行快速识别和判断,进而用于指导大坝建设过程中各个生产环节相关指标、方案、措施和时机选择的优化和动态调控,最终达到保障大坝工程安全、优质、高效建设的目的。
　　仿真大坝的建设除了建造一座实体大坝的孪生大坝之外,其真实内涵还包括具备动态调控功能,即通过仿真大坝的建设对影响大坝建设运行全过程安全的关键指标进行动态实时智能调控。
　　二、仿真大坝架构体系设计
　　仿真大坝的理论框架体系如图4所示。仿真大坝的建设可以分成自动感知、实时仿真、决策支持和智能调控4部分。其中自动感知系统主要为实现大坝自动仿真计算提供边界条件和计算参数;实时仿真系统实现大坝工作性态的实时仿真与反馈;决策支持系统则是根据仿真计算结果调用工程智能决策库,自动判断大坝是否安全,并确定最优解决方案,提出最优控制参数指标群;智能调控系统是基于最优的解决方案,对当前实施方案的控制指标和参数进行动态调控。
　　图4 仿真大坝理论架构
　　通过仿真大坝系统的建设,最终实现大坝工作性态的全自动感知、分析、决策与调控,并最终实现大坝工作性态的全程动态安全和关键参数指标的最优化智能控制。
　　仿真大坝各子系统主要功能如下:
　　(1)自动感知系统,包括环境信息模块、材料信息模块、结构信息模块、进度信息模块、施工信息模块、温控信息模块、监测信息模块,为大坝实时仿真提供全方位的基础信息支撑。
　　(2)实时仿真系统,包括线弹性分析模块、非线性分析模块、多场耦合模块、高性能计算模块、反馈分析模块。为大坝实现实时仿真提供全方位的数值模拟和反馈分析功能提供保障,并提供实时温度场、应力场、渗流场、位移场、变形场、损伤场、屈服场、安全系数场等方面的仿真计算结果。
　　(3)决策支持系统,包括大坝混凝土理想温度控制曲线标准知识库、混凝土强度曲线标准知识库、混凝土温差控制标准知识库(最高温度、内外温差、上下层温差)、混凝土允许应力标准知识库、混凝土施工允许标准知识库(相邻高差、最大高差、悬臂高度)、工作性态综合安全系数知识库等。这些知识库为决策支持系统实现仿真计算结果合理性与安全性进行智能识别与判断提供支撑,并提出建议的出机口温度、入仓温度、浇筑温度、最高温度、降温速率、通水流量、冷却水温、浇筑进度,挡水时机、高度等指标要求及建议控制参数。
　　(4)智能调控系统,包括拌合系统、运输系统、缆机系统、仓面喷雾系统、通水冷却系统、接缝灌浆系统、蓄水控制系统、运行调控系统等。其中,拌合系统根据建议出机口温度对拌合楼进行自动调控,满足决策支持系统提出的出机口温度要求;运输系统根据建议入仓温度要求自动调整运输时间和相关保护措施,保障决策支持系统提出的入仓温度要求;仓面喷雾系统根据建议仓面环境温度进行实时调控,保障仓面温度控制和浇筑温度均控制在建议范围之内;通水冷却系统根据建议的最高温度、降温速率和内外温差指标,自动调整水管冷却参数,将相关温度指标控制在允许范围之内;缆机系统和接缝灌浆系统根据决策支持系统的要求自动运行,将相邻高差、最大高差和悬臂高度控制在允许范围之内;蓄水系统根据大坝整体和局部区域的应力和变形状态提出合适的蓄水时间、蓄水高度或基坑充水、堆渣时间等;运行调控系统根据大坝监测资料反馈的运行状态或梯度调度的需要,动态调整大坝上游水位,从而保障工程安全。
　　三、仿真大坝建设关键技术问题
　　乌东德、白鹤滩仿真大坝建设的目标是＂实现大坝施工、蓄水和运行初期全过程真实边界条件、真实工作性态和整体安全状态的准确把控,系统分析大坝施工期进度控制、温控防裂和结构安全等方面的开裂风险,深度揭示库坝基水耦合作用机理,确保坝体坝基整体安全、拱坝工作性态正常,使其可以经受全面蓄水考验,并为其全生命周期运行安全奠定坚实的基础＂。
　　从工程技术层面来看,要实现仿真大坝的建设,主要解决以下几个方面的关键问题:
　　(1)自动感知系统对仿真边界和计算参数的准确界定。对于仿真系统而言,边界条件的准确与否决定了仿真计算结果的精度与可靠性以及预测结果的准确性。
　　因此,自动感知系统必须能够实现对各类基础边界条件和仿真计算参数的实时动态跟踪监测,同时能够具备对边界条件和各类仿真参数的后续变化规律进行综合分析和预测的功能。
　　主要边界条件包括气温、水温、湿度、风速风向、太阳辐射、保温保湿、初始地应力分布以及基岩渗流等;主要材料参数(含湿筛和全级配混凝土)包括混凝土绝热温升、弹模、自生体积变形、徐变、干缩、极限拉伸值、抗拉强度等。另外材料参数还应考虑室内与现场养护条件差异的影响,即室内试验与现场试验之间的差异,需要采用可靠的手段进行真实参数的量测(本工程已采用温度应力试验机)或基于现场监测资料进行反馈分析,确保仿真参数真实可靠,这是仿真大坝建设时必须解决的关键技术难题之一,具体边界条件如图5所示。
　　图5 大坝仿真涉及的主要边界与参数
　　(2)实时仿真系统的模型体系建设。
　　对于拱坝工程而言,根据仿真内容的需要,结合乌东德、白鹤滩大坝的实际情况(见图6),至少应建立大、中、小3种不同尺度的网格模型。小尺度模型主要是指坝基范围选择为1～2倍坝高,中尺度模型坝基的范围则可选为5～5km,而大尺度模型坝基的范围则根据项目研究需要达10km,上述3种尺度模型分别用于施工期各种施工温控措施优化与工作性态精细跟踪分析、蓄水阶段库坝基水多场耦合变形机理和性态仿真、库区大范围谷幅变形机理和整体稳定的深化研究等。
　　图6 大坝仿真模型体系
　　在实际工作中,还应根据具体的情况进行具体分析,采用更精细的模型。比如如果需要考虑各种结构特性及细节,则有可能需要建立自由度规模达千万的高分辨率模型;在分析混凝土开裂机理与起裂模式时,则必须考虑骨料与砂浆细观骨料离散性方面的差异、坝体内部水管的真实布置方式以及坝基非均质性对整体三维约束区带来的影响;研究坝基耦合变形及稳定时,由于坝基岩体中存在各种构造、裂隙、溶蚀等,具有不均匀各向异性特征,在适当简化基础上进行精细模拟也是需要重点考虑的问题之一。
　　(3)实时仿真系统的本构模型选择和算法开发。针对不同的工程问题,实时仿真系统应同时具备线弹性、非线性分析、损伤分析、多场耦合、高性能计算、反馈分析等多个功能模块,并且提供相应的实时温度场、应力场、渗流场、位移场、变形场、损伤场、屈服场及安全系数场等方面的仿真计算结果,这样才能为各种工程问题选择不同的本构模型或计算方法提供重要保障。
　　比如,河床基础约束区、陡坡坝段基础区域、孔口附近、廊道以及坝踵、坝趾等部位的温度应力基本规律和温控措施方案优化分析等方面的问题,计算时一般选择线弹性模型即可满足基本要求;对于横缝开合机理、裂缝扩展机理方面的研究,则需要采用考虑横缝迭代、裂缝扩展的非线性算法;对于大坝蓄水过程中的问题,由于水文地质条件会发生剧烈的改变,渗流场、温度场、应力场均将发生重大变化,渗流变化导致温度变化,两者共同作用导致基岩和大坝应力场改变,并有可能在部分区域产生损伤和开裂,引起渗流场的变化,并再次影响到温度场和应力场。
　　这种渗流场、温度场、应力场和损伤开裂的变化会持续数年甚至数十年,耦合作用机理复杂。大坝和基岩整体在这种多因素、多尺度、多场耦合作用下的渗温力损伤开裂接触耦合分析和具体模型、算法的开发是非常具有挑战性的技术难题。此外,谷幅变形是在开挖、蓄水、水文地质条件变化情况下发生的一种变形,是各种因素影响下的集中反映,同时受地形地质条件影响显著。开发合理的计算模型和算法、揭示谷幅变形机理,仍需要进行多方面的深入分析和研究。
　　同时,本工程还要面临大规模计算,实现拱坝全坝全过程施工仿真,小尺寸模型单元节点总数和自由度将达到百万级;当计算模型为中度或者大尺度时,或兼顾岩体和大坝混凝土细观离散性等特性时,自由度将达到千万、亿级甚至百亿级,计算规模庞大,仿真计算的速度和效率就至关重要,超大规模条件下的高效算法也是大坝仿真系统需要重点解决的另一大难题。
　　(4)专家决策支持系统的建设。决策支持库的建设是仿真大坝实现依靠专家系统自动决策的另一关键所在。近年来,大坝结构仿真分析已由传统的以室内仿真、事后分析为主逐渐转化为与现场反馈结合、事前预测、实时分析为主。
　　不足之处在于,当前的工程方案优化决策的基本方式仍主要依靠人工来完成,需要通过专家判断的方式对仿真计算结果进行分析,进而完成决策过程。而仿真大坝系统的建设则需要建立一个专家系统,将专家对仿真计算结果的认识及同类工程经验用机器语言的方式进行转换,形成动态专家知识库。同时根据仿真系统的结果,还需要借助于人工神经网络、大数据分析等智能算法进行决策评估,自动提出建议的指标参数,如出机口温度、入仓温度、浇筑温度、最高温度、降温速率、通水流量、冷却水温、浇筑进度、挡水时机、高度等指标要求及控制参数,而这是决策支持系统建设的最大难点。
　　(5)智能调控系统的建设,目前大坝建设的大坝拌合系统、运输系统、缆机系统、仓面喷雾系统、通水冷却系统、接缝灌浆系统、蓄水控制系统、运行调控系统基本上均处于各自独立运行状态。不同的系统根据各自专业的要求进行独立控制,没有形成整体进行协同管控。导致这种情况的原因是缺乏对这些不同的工艺流程进行多目标决策的优化模型,实现对这些独立工艺流程的耦合控制。如图7所示,智能调控系统需要通过搭建基于神经网络的多参数、多目标耦合调控模型来实现,该模型能在对各个工艺流程的单项系统安全指标与经济指标进行评估的基础上,实现工程安全指标与经济指标的整体最优化评估,而这也是仿真大坝最需要解决的另一重点难点问题。
　　图7 基于神经网络的多参数、多目标优化模型
　　四、仿真大坝实施思路
　　结合当前大坝建设的基本情况,实现仿真大坝的建设思路可参照图8中的步骤进行。
　　(1)以乌东德、白鹤滩智能建造平台为依托,启动大坝自动感知系统,大坝的自动感知系统包括7个子模块,其中环境信息模板主要集成与环境气温相关的信息,包括日气温信息、风速和辐射热信息;材料信息模块主要包括混凝土弹模、绝热温升、徐变、泊松比、导温导热系数、表面散热系数、线膨胀系数、自生体积变形和强度、坝基弹模等信息;结构信息模块主要集成大坝体形参数,材料分区、结构分缝等信息;进度信息参数模块主要集成大坝施工分层方案、层间歇时间、浇筑时间;施工信息模块主要集成接缝灌浆信息、出机口温度、入仓温度和浇筑温度等信息;温控信息模块主要集成大坝水管冷却相关的信息,包括水管层间距、通水流量、水管进出口温度等;监测信息模块主要集成大坝混凝土温度、应力、位移和变形等资料,所有这些信息通过大坝自动感知系统来获取,并作为初始信息和边界条件输入到实时仿真系统,实现监测大坝建设。
　　图8 仿真大坝系统实施流程示意图
　　(2)实时仿真系统接收到自动感知系统的信息后,首先利用反馈分析模块,对大坝温度场进行反馈分析,使得反馈分析所得的温度场与大坝实际监测获得的温度场和温度过程一致;然后根据工程实际需要,调用线弹性分析模块、非线性分析模块、多场耦合模块中任何一个模块进行实时仿真分析,并根据需求提供实时温度场、应力场、渗流场、位移场、变形场;最后,根据大坝混凝土的强度参数和相关判断准则,计算大坝混凝土的损伤场、屈服场、安全系数场等方面的仿真计算结果。
　　(3)根据大坝混凝土的温度场、应力场、损伤场、屈服场和安全系数场,调用决策支持系统中的相关知识模块和智能算法,对大坝混凝土当前的工作性态进行系统评估,如果安全系数满足要求,则进一步判断当前的各项参数是否最优,如果最优,则可按照当前方案继续施工;若不安全或不是最优,则由系统基于专家知识库的进行评判,自动推荐相应的出机口温度、入仓温度、浇筑温度、浇筑进度、相邻高差、悬臂高度、灌浆进度、水管冷却、仓面环境温度、蓄水进度等方面的建议控制参数及指标群。
　　(4)基于(3)中的建议参数指标群,智能调控系统自动启动,依据多目标决策模型对拌合系统、运输系统,缆机系统(吊运时间)、仓面喷雾系统,通水冷却系统、接缝灌浆系统、蓄水控制系统、运行调控系统的控制参数进行调整,并实时将优化决策调整后的相关参数反馈给仿真系统,确保参数达到预期建议值。
　　(5)重复(2)~(4)的过程,基于实际监测的温度、应力和变形值,与采用动态调整参数后仿真计算值与实际监测值对比保持一致,使大坝的温度、应力和变形仿真值与实测值吻合,同时安全系数一直处于可控范围。当二者不一致或安全系数不能满足预期要求时,安全决策支持系统会对方案进行不断反馈,对参数进行系统优化,直至大坝最终的整体安全状态及参数指标达到安全及预期最优的目标域值。
　　五、仿真大坝应用情况
　　仿真大坝系统是乌东德、白鹤滩大坝智能建造体系的一部分,涉及智能建造体系的许多核心技术内容,是一个多目标、多环节的复杂耦合控制系统,涉及多个专业、多种工艺流程的系统协同,系统功能非常复杂,建设难度非常大,需要在工程建设过程中不断积累、完善和发展。
　　目前该系统在乌东德、白鹤滩大坝进行了初步尝试,相关进展主要体现在以下几个方面:
　　(1)建立了全面的自动感知系统。大坝现场仿真分析所涉及的基本参数、气象水文等基本边界参数,大坝温度、应力和变形等特征参数均大部分实现了自动获取和更新,大坝重点部位的温度、应力、开度和变形方面的监测数据、实时的进度和未来的进度方案也都可自动获取,数字(监测)大坝的建设基本上已经实现。由于安全监测仪器设备的数量方面尚没有办法实现完全覆盖(见图9),因此,坝体部分区域的安全状态还需要通过仿真反馈的手段来反映。总体而言,乌东德、白鹤滩工程均已实现了孪生大坝之一的＂数字大坝＂的建设。
　　图9 数字大坝(横缝测缝计布置及开度查询功能)
　　(2)实时仿真系统(结构仿真)已基本实现(见图10),基于自动感知系统中提供的各类参数,大坝能够实现对实时施工进度条件下的工作性态进行实时跟踪仿真,能实时展现大坝温度场、应力场、损伤场、屈服场和安全系数场,对大坝实时工作性态进行评价,并对下一阶段的工作性态和安全风险进行评估,同时也能对各类不同边界条件下的大坝的安全状态进行对比分析,能够较好地指导各类工程决策,目前借助这个系统已完成50余个专题、上千余个工况的仿真分析。后续需加强多场耦合分析算法的改进和计算效率的提高,尤其是超大规模仿真分析时的高性能计算问题,以进一步提高仿真系统的计算时效。
　　图10 大坝实时仿真展示系统
　　(3)决策支持环节方面,目前工程实际应用时,已可以结合专家知识库、类似工程经验以及智能协同管控平台,对各类边界计算工况获得的仿真成果及建议参数进行查询与评判,比如出机口湿度、入仓温度、浇筑温度、浇筑进度、相邻高差、悬臂高度、灌浆进度、水管冷却、仓面环境温度、富水进度等方面的指标参数(见图11)。当前决策支持系统存在的主要问题是专家知识库仍不够完善,需要获取更多的类似工程的实际经验及相关数据进行支撑,进一步的工作是强化各种专家知识库和评判准则的完善。
　　(4)调控系统方面,目前单个子系统已基本实现自动化调控,如拌合楼系统、缆机运输系统、施工进度仿真系统、结构仿真系统、智能喷雾系统、智能递水系统,但各个子系统之间大多各自独立,以单个子系统存在,各子系统相互之间并未真正形成一个闭环,相关的多目标优化决策模型由于基础数据缺乏也还未能真正建立,所以还没有真正形成多环节、多专业的整体集成和协同管控,这也是未来仿真大坝建设需要进一步解决完善的问题。
　　（a）系统平台悬臂高度实时数据展示查询
　　（b）系统平台实时相邻高差数据展示查询图
　　（c）系统平台仿真计算工况结果
　　图11 系统平台典型数据查询
　　六、结论
　　仿真大坝建设是未来大坝工程安全保障的重要环节,也是未来大坝工程智能建造的重点组成部分。本文结合乌东德一白鹤滩工程的应用实践,对仿真大坝建设过程中所涉及的关键技术问题、有待进一步解决的难题及应用情况进行了介细,主要有以下几个方面的结论:
　　(1)仿真大坝系统是工程性态实现实时仿真与安全评估的重要平台,对于进一步加费大坝安全状态、保障工程建设质量将起到非常重要的作用,目前建设仿真大坝的条件已经基本具备。
　　(2)目前仿真大坝建设在智能化方面有待进一步深入,尤其是各种知识库的搭建目前还需要更多的工程经验积累,大数据、人工智能算法等技术与大坝结构仿真的深度融合还需要进一步加强。
　　(3)基于多目标决策的多专业、全工艺流程的多目标协同调控模型对于仿真大坝建设非常重要,应进一步加强工程施工、进度仿真和结构仿真多专业耦合、多工艺协同耦合,这是仿真大坝建设真正实现安全指标与经济指标耦合协同管控的基础,未来应进一步深化开展相关工作。