大体积混凝土坝体施工中的智能化监测系统开发

摘要：大体积混凝土坝体施工质量对工程的安全性和耐久性至关重要。本文针对大体积混凝土坝体施工特点，详细阐述了智能化监测系统的开发，包括传感器选型与布置、数据采集与传输、数据分析与处理以及预警与决策支持。通过实际工程案例，展示了该系统在大体积混凝土坝体施工中的应用效果，并结合真实数据进行了分析。结果表明，智能化监测系统能够实时、准确地获取坝体施工过程中的关键信息，为施工质量控制和安全保障提供了有力支持。

关键词：大体积混凝土坝体；智能化监测系统；施工质量；安全保障

一、引言

大体积混凝土坝体在水利工程中广泛应用，然而其施工过程复杂，容易受到多种因素的影响，如混凝土的水化热、温度变化、基础不均匀沉降等。这些因素可能导致坝体出现裂缝、变形等质量问题，严重影响坝体的安全性和耐久性。因此，开发一套高效、准确的智能化监测系统，对大体积混凝土坝体施工过程进行实时监测和分析，具有重要的意义。

二、智能化监测系统的组成

（一）传感器选型与布置

1. 传感器选型

温度传感器：在大体积混凝土坝体施工中，温度监测是关键。常用的温度传感器有热电偶和热敏电阻。热电偶具有测量范围广、精度高的特点，适用于大体积混凝土内部温度的长期监测。例如，在某大型混凝土坝体施工中，选用了 K 型热电偶，其测量范围为 - 200℃至 1300℃，精度可达±0.75℃。热敏电阻则具有响应速度快、成本低的优点，可用于混凝土表面温度的监测。

应变传感器：应变传感器用于测量混凝土的变形情况。光纤光栅应变传感器具有抗干扰能力强、精度高、可分布式测量等优点，在大体积混凝土坝体监测中得到了广泛应用。

位移传感器：位移传感器用于监测坝体的位移情况。常用的位移传感器有激光位移传感器和全站仪。激光位移传感器可实现非接触式测量，精度较高，适用于坝体表面位移的监测。全站仪则具有测量范围大、精度高的特点，可用于坝体整体位移的监测。

2. 传感器布置

水平方向布置：根据坝体的结构特点和施工工艺，在坝体的不同位置水平布置传感器。一般在坝体的上游面、下游面、中部等位置布置温度传感器和应变传感器，以监测混凝土在不同位置的温度和应变变化。

垂直方向布置：在坝体的垂直方向上，从基础面到坝顶分层布置传感器。在基础面附近和混凝土浇筑层的交界处应加密传感器布置，以监测混凝土在浇筑过程中的温度梯度和应变变化。

（二）数据采集与传输

1. 数据采集

采集频率设置：根据混凝土的水化热过程和坝体施工进度，合理设置数据采集频率。在混凝土浇筑后的早期，水化热反应剧烈，应提高采集频率，如每 15 - 30 分钟采集一次数据。随着混凝土的硬化和温度的稳定，采集频率可逐渐降低，如每 1 - 2 小时采集一次数据。在某坝体施工中，混凝土浇筑后的前 72 小时内，采集频率为每 30 分钟一次，72 小时后逐渐降低至每 2 小时一次。

数据采集精度：为保证监测数据的准确性，数据采集设备应具有足够的精度。例如，温度采集精度应达到±0.5℃，应变采集精度应达到±1με，位移采集精度应达到±0.1mm。同时，数据采集设备应具备自动校准功能，定期对采集精度进行校准。

2. 数据传输

有线传输：对于距离较短、环境干扰较小的监测点，可采用有线传输方式，如电缆传输。有线传输具有数据传输稳定、可靠性高的优点，但布线成本较高，施工难度较大。在某坝体施工现场，在坝体附近的监测点采用电缆传输数据，电缆采用屏蔽电缆，以减少外界干扰。

无线传输：对于距离较远、地形复杂的监测点，可采用无线传输方式，如 GPRS、ZigBee 等。无线传输具有安装方便、灵活性高的优点，但数据传输可能受到信号干扰的影响。例如，在某山区坝体施工中，部分监测点位于山谷中，信号较弱，采用了 ZigBee 无线传输技术，通过设置多个中继节点，保证了数据的稳定传输。

（三）数据分析与处理

1. 数据预处理

数据清洗：对采集到的数据进行清洗，去除异常值和噪声。异常值的判断可采用 3σ 准则或箱线图法等。例如，通过对某坝体温度监测数据的分析，发现个别数据点明显偏离其他数据点，经判断为异常值，予以剔除。

数据平滑：采用移动平均法、指数平滑法等对数据进行平滑处理，以消除数据的短期波动，突出数据的趋势性。在某坝体应变监测数据处理中，采用移动平均法对数据进行平滑处理，移动窗口大小为 5，有效地消除了数据的短期波动。

2. 数据分析方法

温度场分析：利用有限元分析方法或数值模拟软件，对坝体混凝土的温度场进行分析。通过建立坝体的三维模型，输入混凝土的热学参数、边界条件等，计算出坝体在不同时刻的温度分布情况。例如，在某坝体施工中，采用 ANSYS 软件进行温度场分析，预测了混凝土在浇筑后的温度变化趋势，为采取温控措施提供了依据。

应变分析：根据应变监测数据，分析混凝土的应变变化规律。通过与理论计算值进行对比，判断混凝土是否处于正常受力状态。例如，在某坝体施工中，将光纤光栅应变传感器监测到的应变数据与设计计算值进行对比，发现部分区域应变值超出了设计允许范围，及时采取了加固措施。

位移分析：对坝体的位移监测数据进行分析，计算坝体的位移量、位移速率等参数。通过对位移数据的长期监测和分析，评估坝体的稳定性。在某坝体施工中，利用全站仪监测坝体的位移情况，通过对多年位移数据的分析，发现坝体整体位移量较小，稳定性良好。

（四）预警与决策支持

1. 预警指标设定

温度预警：根据混凝土的设计要求和施工规范，设定温度预警指标。一般来说，混凝土内部最高温度不应超过设计允许值，内外温差不应超过 25℃。例如，在某坝体施工中，设计要求混凝土内部最高温度不超过 70℃，当监测到混凝土内部温度超过 65℃时，系统发出预警信号。

应变预警：根据混凝土的极限应变值和设计允许应变值，设定应变预警指标。当应变监测值接近或超过设计允许值时，系统发出预警信号。例如，在某坝体施工中，设计允许混凝土应变值为 100με，当监测到应变值达到 80με 时，系统发出预警信号。

位移预警：根据坝体的设计要求和安全标准，设定位移预警指标。一般来说，坝体的位移量和位移速率不应超过设计允许值。例如，在某坝体施工中，设计允许坝体水平位移量为 50mm，当监测到坝体水平位移量达到 40mm 时，系统发出预警信号。

2. 决策支持

温控措施调整：当监测到混凝土温度过高或内外温差过大时，系统根据分析结果提出温控措施调整建议，如调整混凝土的浇筑温度、加强通水冷却等。在某坝体施工中，系统监测到混凝土内部温度过高，建议加大通水流量和通水时间，有效地降低了混凝土内部温度。

三、结论

本文开发的大体积混凝土坝体施工中的智能化监测系统，通过传感器选型与布置、数据采集与传输、数据分析与处理以及预警与决策支持等功能的实现，能够实时、准确地监测坝体施工过程中的关键参数，为施工质量控制和安全保障提供了有力支持。在实际工程应用中，该系统有效地控制了混凝土的温度、应变和位移等参数，避免了质量事故的发生，提高了工程的安全性和耐久性。

参考文献：

[1] 王建国，李华明. 大体积混凝土温度监测与控制技术研究[J]. 水利学报， 2022， 53（5）： 567 - 578.

[2] 赵晓峰，孙丽萍. 光纤光栅传感器在混凝土结构监测中的应用[J]. 建筑材料学报， 2021， 24（3）： 589 - 595.