中國研制的智能通水系統(tǒng)，相當于給大壩裝上了性能良好的“智能冰箱”，可實時、自動并精確地完成對大壩各部分混凝土的溫度控制，有效防止大壩溫度裂縫的產(chǎn)生。用上了智能通水系統(tǒng)的大壩，“降火去燥”后內(nèi)心os可能是這樣的：我這條命都是冰箱給的。

       （一）大壩混凝土“火氣太旺”，裂縫成一大難題

　　現(xiàn)在的大壩主要使用混凝土，混凝土是由砂石、水泥和水攪拌而成，具有材料來源廣、可塑性強、耐久性好、強度高等優(yōu)點，而且它還防水抗?jié)B，是修大壩的絕佳材料。
但萬事無絕對，混凝土也有個很大的缺點：在攪拌、澆筑完成后，有28天左右的硬化過程，這個過程中混凝土（尤其是大體積混凝土）很脆弱，需要精心養(yǎng)護，以維持一定的濕度和溫度條件。
一旦養(yǎng)護出問題，就容易出現(xiàn)裂縫，而一旦出現(xiàn)裂縫，外觀難看事小，萬一影響結(jié)構(gòu)承載力和防水功能那事情就大了。所以，大壩混凝土澆筑完成后，工程師們最關心的問題之一就是如何防止裂縫產(chǎn)生。
那么，混凝土究竟為什么會產(chǎn)生裂縫呢？
原因很多，但其中非常重要的原因就是——溫度。
我們都聽過熱脹冷縮，舉例來說，我們用瓷碗先裝100℃的沸水后倒掉，再馬上倒入接近0℃的冰水，則瓷碗很容易裂開。
這是因為裝入開水后，瓷碗表面和內(nèi)部的溫度都會慢慢升高，把熱水倒出，立刻倒入冷水，瓷碗表面溫度降低快，而內(nèi)部溫度降低慢，在熱脹冷縮的作用下，表面收縮程度大，而內(nèi)部收縮程度小，從而產(chǎn)生了一股拉力，使得脆性的瓷碗馬上開裂。這股拉力的學名叫“溫度應力”，它與溫度梯度成正比，即溫差越大，溫度應力越大。
混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的過程也是如此。混凝土也是脆性材料，硬化過程中水泥的水化反應會釋放大量的熱量，由于混凝土表面散熱比內(nèi)部快，內(nèi)部溫度比表面更高，內(nèi)外溫差作用下產(chǎn)生了溫度應力，從而導致了混凝土開裂。
這一問題，在中國的水電開發(fā)中顯得尤為突出。
中國的水電資源集中在西南的高海拔地區(qū)，無論是年際溫差還是日內(nèi)溫差，都非常大，并且往往伴有風雪等惡劣天氣，使得混凝土溫控成為非常棘手的問題。

　?。ǘ┙鉀Q混凝土裂縫的方法——給大壩 “裝冰箱”

　　不過，這難不倒中國水電人，他們在艱難的實踐中想出了一種妙招，給大壩裝上穩(wěn)定的“冰箱”，便解決了“裂縫”這個大難題。
雖然“此冰箱非彼冰箱”，但原理卻和冰箱大同小異——我們的冰箱是通過制冷劑吸收冰箱內(nèi)物體的熱量，達到降溫效果；而給大壩“裝冰箱”則是在澆筑混凝土時預埋好冷卻水管，硬化過程中給水管中注入冷水，吸收水泥水化反應產(chǎn)生的熱量，從而給大壩降溫。
通過調(diào)節(jié)注入冷水的溫度、流量和時間，可以控制大壩內(nèi)部冷卻的速率，進而控制大壩內(nèi)部的溫度差，防止較大的溫度應力導致混凝土開裂。

（三）給大壩“裝冰箱”可是一門技術活

　　給大壩“裝冰箱”可不一件容易的事情，要面臨很多具體的技術問題。
比如：怎么才能探測大壩各部分的溫度？怎么確定大壩各部分混凝土的熱學參數(shù)（只有知道了熱學參數(shù)，才能根據(jù)混凝土可以承受的溫度應力計算出溫度控制的目標）？根據(jù)大壩目前的溫度狀態(tài)，如何確定給大壩不同部分通水的水溫、流量和時間，以達到預期的溫控目標？
此外，給大壩“裝冰箱”還有許多復雜的考慮因素和限制條件，比如影響大壩溫度變化的因素眾多（如天氣、地質(zhì)條件等）、不能驟冷驟熱、溫度變化率要小、大體積混凝土的溫度變化滯后性強等。

既然給大壩“裝冰箱”有這么多問題，那在工程實踐中怎么解決呢？
傳統(tǒng)解決方法都是根據(jù)以往經(jīng)驗，估計出工程中通水冷卻的標準，包括水溫、流量、通水時長等，并人工觀測預埋的測溫儀器，根據(jù)觀測的溫度人為調(diào)節(jié)通水流量——溫度降得慢就加大流量，溫度降得快就降低流量——保證混凝土的最高溫度不超標，以及溫度變化率控制在一定范圍內(nèi)。
但是，傳統(tǒng)方法往往是對大壩“一刀切”，各部分采用同一標準，而實際上，大壩的不同澆筑倉（即不同的大壩部位）有不同的熱學參數(shù)，溫度控制目標也不盡相同，且人工觀測溫度需要消耗大量人力，并會造成觀測和調(diào)節(jié)的滯后性，無法做到對溫度的精細化控制。
所以，給大壩“裝冰箱”聽上去簡單，但在實踐中卻是一門技術活，一不留神可能就會產(chǎn)生裂縫。

　?。ㄋ模?ldquo;實操指導”：如何給大壩“裝冰箱”？

　　隨著科技的發(fā)展，中國的科研人員自主研發(fā)出了一套智能通水系統(tǒng)，可實現(xiàn)對大壩“冰箱”的實時監(jiān)測和自動控制。
這套系統(tǒng)包括：通水管內(nèi)的數(shù)字測溫裝置、澆筑時預埋入混凝土中的數(shù)字溫度傳感器、智能控制箱、控制服務器、一體流溫控制裝置，如下圖所示。
　

　?。ㄍㄋ悄軠囟瓤刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.內(nèi)插數(shù)字測溫裝置；2.澆筑時預埋入混凝土塊中的數(shù)字溫度傳感器；3.智能控制箱；4.控制服務器； 5.雙向智能控制閥；6.雙向渦輪流量計；7.一體流溫控制裝置）
通水管內(nèi)的數(shù)字測溫裝置用于探測進出水管的溫度，預埋混凝土塊中數(shù)字溫度傳感器用于探測大壩混凝土內(nèi)部的溫度，測溫裝置和傳感器將實時的溫度數(shù)據(jù)傳送給智能控制系統(tǒng)（包括智能控制箱和控制服務器）?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)大壩混凝土和冷卻水的溫度，實時計算出適合的通水流量，并對一體流溫控制裝置發(fā)出指令，通過內(nèi)部的雙向智能控制閥門進行開度控制，從而調(diào)節(jié)通水流量。
在工程實踐中，大壩常常采用分倉澆筑，應用智能通水系統(tǒng)，不同的澆筑倉可以經(jīng)過智能學習選定個性化的、符合實際的熱學參數(shù)。熱學參數(shù)不同，混凝土溫度減低的速率和最高溫度的要求也就不同，智能通水系統(tǒng)可以針對不同的要求設定不同的溫度控制準則，從而實現(xiàn)對不同澆筑倉個性化的流量調(diào)節(jié)策略。
也就是說，從前給大壩“裝冰箱”，需要人工觀測冰箱內(nèi)的溫度，而后人工對冰箱檔位進行調(diào)節(jié)，并且冰箱內(nèi)各部分的檔位都一樣。而智能通水系統(tǒng)卻相當于一個“智能冰箱”，它不僅可以自動探知冰箱內(nèi)不同部位的溫度，還能夠根據(jù)溫度實時調(diào)節(jié)冰箱檔位。
更高級的是，考慮到冰箱內(nèi)不同部位的溫度要求不一樣，有需要冷藏的，也有需要冷凍的，為此它還可以根據(jù)不同的要求給冰箱的不同部位設定個性化的制冷檔位。

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　　（五）溪洛渡拱壩——“世界最聰明的大壩”

　　溪洛渡水電站是“西電東送”的骨干工程，位于四川和云南交界的金沙江上，該電站最大壩高285.5米，屬于特高拱壩。在大壩的建設過程中，上述智能通水系統(tǒng)得到了應用。

　　（智能通水系統(tǒng)在溪洛渡拱壩現(xiàn)場布置圖1.冷卻水管進水管和出水管的溫度計；5.雙向智能控制閥；6.雙向渦輪流量計）
采用該系統(tǒng)后，工程師們可以實時采集溫度數(shù)據(jù)，采集頻率為兩秒一次。根據(jù)大壩各澆筑倉不同的熱學和力學參數(shù)，對不同澆筑倉設定不同的溫度設計曲線（即“溫度控制準則”）。
根據(jù)混凝土的溫度變化，系統(tǒng)每2小時自動對通水流量進行調(diào)整，有效地減少了人工成本并避免了人工干擾。以某智能控制倉為例，冷卻水流量和內(nèi)部溫度變化曲線就像下圖：

　?。ɡ鋮s水流量以及內(nèi)部溫度變化曲線圖）
與人工通水相比，智能通水的溫控曲線有以下特征：
（1）對混凝土最高溫度的控制效果基本一致，可以有效控制設計最高溫度；
（2）智能通水比人工通水的溫度曲線更加平滑，能有效控制混凝土的溫度更加均勻、協(xié)調(diào)地變化，溫度偶爾波動在0-1℃范圍內(nèi)；
（3）智能通水比人工通水的流量控制曲線波動更大，因為智能通水控制平臺是根據(jù)混凝土的溫度變化情況實時調(diào)節(jié)流量，流量變化幅度大，但總的通水流量相比于人工通水能節(jié)約20-30%。

　　實踐證明，相比于傳統(tǒng)的人工通水方法，中國的智能通水系統(tǒng)給大壩裝上了性能良好的“智能冰箱”，不僅數(shù)據(jù)采集可靠，而且可以實時、自動并精確地調(diào)整對大壩各部分混凝土的溫度控制，大大降低了人工成本和通水成本，有效地防止了溫度裂縫的產(chǎn)生。

大壩 溫度 混凝土

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