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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/N
创刊于 1915 年 (月刊)
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  • 清华大学学报(自然科学版)
      2021年, 第61卷, 第7期 上一期    下一期
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    编者按
    匠心弘扬三峡精神,创新引领水电未来——智能建造暨白鹤滩水电站首批机组发电专刊序言  收藏
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 659-659.  
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (634KB)
    现代大型工程是推动科学、技术和管理创新的重要驱动力和载体。金沙江白鹤滩水电站、乌东德水电站是“西电东送”的骨干电源工程,是长江流域开发与治理及水资源综合利用的重要梯级工程。白鹤滩工程规模仅次于三峡工程,是世界在建最大水电工程;工程规模巨大,地质条件复杂,地处大风干热河谷,综合难度位居世界第一,技术指标六项世界第一。
    三峡集团传承“为我中华、志建三峡”精神,坚持高质量、高标准发展战略,紧紧围绕建设传世精品工程总体目标,坚持新发展理念,勇攀科技新高峰,以创新为引领,坚持自主创新、集成创新,组织参建各方和众多科研机构产学研用联合攻关。2009年在三峡工程建设管理经验的基础上,溪洛渡水电站工程建设坚持问题导向与目标导向相结合,将现代信息技术与工程建设管理深度融合,首次提出“全面感知—真实分析—实时控制”的智能建造闭环控制理论,组织开展智能大坝关键技术攻关与应用实践;2013年,在乌东德、白鹤滩进一步实践的基础上,又提出了全过程、全要素、全流程的智能建造理论与方法,构建了以“资源投入、工艺过程、业务流程、结构性态、工程进度、实物成本”等六个要素为基础的覆盖工程建设全生命周期的智能建造体系,对建造物及其建造活动的安全、质量、环保、进度、成本等内容进行感知、分析、控制和优化,为无缝大坝安全、优质、绿色、高效建造,工程长期稳定安全运行提供成套创新解决方案,进而实现大型基础设施工程建设“安全零隐患、质量零缺陷、环保零违规、进度零延误、成本零浪费、行为零问责”的“六零”管理目标。
    白鹤滩、乌东德工程大坝智能建造以现场问题为导向,按混凝土施工全过程实时监控、混凝土温控全过程实时控制、低热水泥混凝土性能复核、全生命周期工作性态仿真、智能建造信息管理平台等五大方面进行构架,借助最新的传感技术、通信技术、数据技术、建造技术及项目管理知识,构建了面向关键施工工艺和业务流程的智能建造技术,开发了管理平台,研发了成套的智能通水、智能灌浆、智能振捣等装备,提升了工程建设管理水平,推动行业技术发展。同时,充分发挥市场竞争的合同机制与科技创新团队的专业优势相结合,建立了长效、常态化的产学研用深度融合协同创新的体制机制,为工程建设、蓄水过程及初期运行提供技术支持。
    2017年3、4月,乌东德大坝、白鹤滩大坝首仓混凝土分别开仓浇筑,智能建造技术为工程建设保驾护航,至2020、2021年5月,乌东德大坝、白鹤滩大坝分别全线浇筑到顶,大体积混凝土未发现温度裂缝,创造坝工建设奇迹,意味着我国300 m级混凝土双曲特高拱坝设计理论和施工技术又一次提升和飞跃,引领世界坝工技术发展。
    高峡出平湖,当惊世界殊,金沙驰千里,白鹤啸九天。远眺青岸绿库,石壁矗立,如苍龙卧波、气势磅礴,智能建造为打造精品工程保驾护航,以科技创新铸就传世精品工程。2021年7月,适逢中国共产党建党100周年,乌东德水电站全部机组将投产发电、白鹤滩水电站首批机组将投产发电。值此重要节点,特精选13篇写在工程一线的论文组成专辑,展示了白鹤滩及乌东德300m级特高拱坝智能建造取得的最新研究进展和成果。希望智能建造技术与管理在促进基础设施工程高质量建设中,尤其是在高海拔地区水电工程建设中发挥更重要作用,引领智能建造学科的发展,强化我国在世界水电关键技术的领先地位。
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    综述
    智能建造闭环控制理论  收藏
    樊启祥, 林鹏, 魏鹏程, 宁泽宇, 李果
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 660-670.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.023
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3211KB)
    智能建造是当前水电、土木等基础设施工程领域最为热门的研究方向之一,对工程技术与项目管理的未来引领带动至关重要。首先,提出智能建造的定义,是指集成融合传感技术、通信技术、数据技术、建造技术及项目管理等知识,对建造物及其建造活动的安全、质量、环保、进度、成本等内容进行感知、分析和控制的理论、方法、工艺和技术的统称,并论述了其主要特征。其次,结合近年来面向重大基础设施的智能建造实践,提出智能建造感知、分析、控制和持续优化闭环控制理论,使建造活动在定量描述和对已有的活动行为学习的基础上,形成新的建造活动,具有一定智能行为,保证建造过程可建可控;并论述了智能建造技术和管理融合方式及价值创造案例。研究结果对智能建造科学技术与管理的发展能够起到一定的指导作用。
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    论文
    混凝土保湿养护智能闭环控制研究  收藏
    樊启祥, 段亚辉, 王业震, 王孝海, 杨思盟, 康旭升
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 671-680.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.038
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4457KB)
    混凝土浇筑后如不及时进行保湿养护,水泥颗粒不能充分水化转化为稳定的结晶,易产生较大的收缩变形,出现干缩裂纹,影响结构耐久性。基于规范要求及实验室内试块养护的成功经验,确定将混凝土表层湿度≥95%作为自然环境下养护的保湿标准,并建立了混凝土保湿养护数学模型。基于智能建造闭环控制理论,该文提出混凝土保湿养护智能控制方法,并研发了智能控制设备,全面感知混凝土养护面的环境温湿度和风速,定量计算混凝土表面湿度,实时反馈预警自动控制喷淋系统,实现混凝土保湿养护的智能控制。采用智能控制既节约人工费,又避免人为因素影响,确保了混凝土保湿养护质量,可以灵活应用于各种大型复杂结构工程。
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    混凝土实时温度数据移动平均分析方法及应用  收藏
    宁泽宇, 林鹏, 彭浩洋, 汪志林, 陈文夫, 谭尧升, 周天刚
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 681-687.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.40
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4814KB)
    开展混凝土实时温度监测数据质量分析对于混凝土智能温控具有重要意义。该文提出了一种混凝土实时温度数据移动平均分析方法,将传统移动平均进行了多维度扩展。通过从时间、空间和质量维度对监测数据进行动态求均值,形成用于表征某一时刻、空间点、监测对象的特征温度数据,实现了与混凝土智能温控系统的融合,显著减小了原始监测数据中的系统误差和偶然误差,降低了由于仪器故障、突发状况等造成的数据失真,以及数据误差对计算仿真、分析利用造成的影响。通过白鹤滩、乌东德等大坝混凝土实时温度监测数据的分析应用,结果表明:该方法可提高监控系统的工作性能、数据质量和管理人员的决策能力,为混凝土温控施工与质量评价提供参考。
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    基于目标检测模型的混凝土坯层覆盖间歇时间超时预警  收藏
    梅杰, 李庆斌, 陈文夫, 邬昆, 谭尧升, 刘春风, 王东民, 胡昱
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 688-693.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.016
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (14601KB)
    及时、全面、准确地了解施工现场各种活动的状态和进度,对质量控制、进度跟踪和生产效率分析至关重要,也是全面实现工程精细化管理、智能建造的必要条件。目前,混凝土浇筑仓面施工场景下的进度记录、质量控制仍大多由人工完成,存在及时性不足、误报、漏报等问题。该文将深度学习计算机视觉领域的语义分割和目标检测技术应用到工程建设领域,通过识别模板遮盖比例和吊罐卸料事件获得仓面施工的实时进度,实现秒级精度的坯层覆盖间歇时间超时预警。
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    白鹤滩特高拱坝智能建造技术与应用实践  收藏
    谭尧升, 樊启祥, 汪志林, 陈文夫, 郭增光, 林恩德, 林鹏, 周天刚, 周孟夏, 刘春风, 龚攀, 裴磊
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 694-704.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.005
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (18906KB)
    在大数据和人工智能背景下,工程建设项目与现代信息技术逐步融合,以溪洛渡水电站为代表开创了高拱坝智能化建设的先河,随着信息技术、传感与数据处理技术的升级和迭代,需同步升级与纵深发展。依托白鹤滩300 m级特高拱坝建设实践,该文提出智能建造筑坝理念,以全面感知、真实分析、实时控制的闭环控制为理论基础,构建面向关键施工工艺和业务流程的智能建造技术体系及相关基础部署条件,研发并形成浇筑一条龙监控、平仓振捣监控、智能通水、智能喷雾、智能灌浆等核心智能筑坝成套新技术,详细阐述其闭环智能控制流程及功能。实践结果表明:项目构建形成了“一个中心、两个支撑、三个支柱”的产、学、研、用深度融合项目管理新模式,为工程优质、高效、安全建设提供管理和技术支撑,带来了较大的经济与管理效益,可为类似工程智能建造提供参考。
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    白鹤滩大坝三维渗流场仿真与渗控效果评价  收藏
    陈志恒, 荣冠, 谭尧升, 张子阳, 王克祥, 罗贯军
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 705-713,723.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.002
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (22574KB)
    根据白鹤滩大坝工程及水文地质条件、渗控设计方案,建立了大型三维渗流仿真有限元模型,采用稳定渗流理论和排水孔精细化模拟方法,开展正常运行工况大坝渗流场仿真计算,研究大坝自由面、总水头、渗透坡降和渗漏量等渗流场分布特征,分析结构面的渗透稳定性。结果表明:坝基防渗帷幕能够有效阻隔库水从上游向下游的渗漏,有效截断可能存在的渗漏通道。排水孔幕能够有效降低周边自由面,排出坝基以及两岸坝肩处的渗漏水。层间错动带、断层与防渗帷幕和排水孔幕相交处出现较大渗透坡降,其余部位渗透坡降较小。渗控设计方案能够有效控制渗流场,防渗排水设施设计合理。
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    仿真大坝建设关键技术与实践应用  收藏
    刘有志, 张国新, 谭尧升, 刘春风, 龚攀, 裴磊
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 714-723.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.004
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (8474KB)
    乌东德、白鹤滩拱坝是我国同时在建的两座特高拱坝,坝址地处大风、干热的金沙江河谷,全坝采用低热水泥,大坝浇筑过程中的温控防裂,蓄水过程中坝基变形协调控制,以及长期运行过程的安全评估等问题是工程的关注重点。该文以乌东德、白鹤滩的智能建造体系为基础,重点针对建造仿真大坝涉及的关键技术问题进行探讨,对仿真大坝建设过程中存在的重点和难点问题进行分析,提出了仿真大坝实现的基本思路,最后结合两座工程仿真大坝的实际应用情况,总结了未来需要进一步解决的问题。
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    大体积混凝土仓面智能喷雾控制模型  收藏
    杨宁, 刘毅, 乔雨, 谭尧升, 朱振泱
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 724-729.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.008
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3962KB)
    水电工程外界环境复杂,许多大坝的坝址具有大风、干热和强日照等复杂多变的气象条件,气候条件和地理位置的特殊性决定了必须突破常规的大坝混凝土仓面环境监控模式,才能满足大坝高质量建设的需要。为了更好地调节仓面气候,加强对温控施工的管控,减少危害性裂缝的产生,该文提供一套仓面气候自动控制系统。该系统在试验的基础上建立仓面外环境温度、设备和仓面小环境关系模型,以及仓面内外环境温度和混凝土温度的回升关系模型。基于该模型以及改进的智能化控制的喷雾设备,实现浇筑过程中根据浇筑要求、外界环境温度,调节喷雾机的喷雾强度、开关,从而实现仓面气候的自动调节,控制混凝土浇筑温度和仓面湿度在合理范围内。
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    大体积混凝土红外测温影响因素研究与工程应用  收藏
    乔雨, 杨宁, 谭鹏, 彭浩洋, 吴卫, 周大建, 王潇楠
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 730-737.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.017
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (9155KB)
    开展大坝混凝土浇筑过程非接触红外热成像温度监测(红外测温)研究对于混凝土温度监测和施工过程中温控措施调控具有重要意义。该文基于红外热成像原理,建立了大坝混凝土表面红外辐射量、有效温度采集算法;通过开展不同环境温度、距离对红外测温精度的影响试验,修正了红外测温基本模型;并研发了复杂环境下特高拱坝混凝土出机口、入仓和浇筑等施工全过程红外测温系统。通过乌东德现场应用验证,实现了混凝土生产、运输、浇筑全过程的实时、在线、精准温度监测;为大坝工作性态分析提供了连续、真实的温度场等边界参数。研究成果可为其他同类工程温度在线监测提供参考与借鉴。
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    基于海量光纤测温数据的混凝土坝三维温度场分析系统  收藏
    周华维, 赵春菊, 陈文夫, 周宜红, 谭尧升, 刘全, 潘志国, 游皓, 梁志鹏, 王放, 龚攀
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 738-746.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.043
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (18701KB)
    结合大型混凝土坝工程应用需求,提出了光纤埋设施工流程、海量测温数据实时获取方法及坝体三维温度场重构理论,研发了混凝土坝三维温度场分析系统,实现了光纤埋设施工记录和施工质量的可控可查,海量光纤测温数据的实时传输、解析及自动处理,实测温度变化过程分析,坝体二维、三维温度场实时在线重构及可视化等功能,并结合在建白鹤滩大坝工程,分析了该系统的应用模式及效果。实践结果表明:该系统可为海量测温数据的高效利用提供分析平台,为全面掌握坝体真实温度分布特征及变化规律提供新的思路,可直接应用于其他混凝土坝工程的温度监测与分析,也可拓展应用于其他工程海量监测数据的管理与分析。
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    基于混合粒子群算法的特高拱坝不同材料热学参数反演分析  收藏
    王峰, 周宜红, 赵春菊, 周华维, 陈文夫, 谭尧升, 梁志鹏, 潘志国, 王放
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 747-755.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.044
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5872KB)
    针对混凝土施工期热学参数与室内试验值存在差异这一问题,该文基于粒子群算法和光纤温度监测数据,对特高拱坝低温季节混凝土热学参数进行识别。为克服传统粒子群算法易局部最优的不足,引入凹函数惯性权重系数,并与遗传算法的交叉变异操作相结合,建立了群体智能优化混合粒子群模型,从而平衡全局和局部搜寻能力。选用实际冷却通水方案以及环境气温,考虑多档通水以及冷却水沿途水温变化影响,将混合粒子群算法应用于不同强度混凝土、同一强度不同级配混凝土进行热学参数反演分析。通过工程实例说明了智能辨识的合理性以及混合粒子群算法的良好收敛性。该反演成果对阐明混凝土热学参数与温度变化之间规律具有重要意义。
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    高拱坝智能进度仿真理论与关键技术  收藏
    王飞, 刘金飞, 尹习双, 谭尧升, 周天刚, 杨支跃, 冯博, 杨小龙
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 756-767.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.003
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (17447KB)
    高拱坝施工过程复杂,受环境与资源影响大,进度控制困难,而施工进度仿真技术为拱坝进度控制提供了有效的管理手段。随着基于物联网的智能建造技术在溪洛渡、乌东德与白鹤滩等水电站建设过程中的深度应用,高拱坝进度仿真技术从简单人工交互逐渐向智能化方向发展。针对过去资源匹配与效率参数不能及时准确反映实际施工水平、资源配置、质量控制、性态安全,多维耦合、多方协同等各环节处于异时空状态等问题,该文提出了基于物联网与智能技术的拱坝智能进度仿真理论和智能进度仿真分析方法,总结了智能进度仿真关键技术,最后展望了重点研究方向。
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    特高拱坝混凝土运输智能化关键技术与应用  收藏
    徐建江, 陈文夫, 谭尧升, 高世奎, 周天刚, 周孟夏, 刘春风, 梁程, 李向前
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (7): 768-776.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.007
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (9365KB)
    针对特高拱坝混凝土运输过程中的信息孤岛化、联动管控难、缆机群安全控制难等问题,该文以白鹤滩水电站工程为例,结合其双平台施工布置特点与多仓同浇的混凝土运输管理难点,提出以缆机为核心的大坝混凝土运输效率联动与缆机群高效安全的分析模型。构建了全面感知、即时分析、反馈预警、动态跟踪的混凝土运输智能管控体系,研发了特高拱坝混凝土运输智能管控平台。该平台在白鹤滩水电站工程中成功应用,实现了混凝土运输效率与安全的数字化管控,有效改善了传统施工中联动分析差、反馈时效性低、过程难以控制等管理难点。研究结果对同类工程大坝混凝土高效安全运输管控具有借鉴意义。
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