高海拔地区水电工程智能建造挑战与对策

樊启祥，林 鹏，魏鹏程，李 果

（1. 中国华能集团有限公司，北京 100031；2. 清华大学 水利水电工程系，北京 100084）

1 研究背景

国家能源互联网行动计划大纲指出，要通过能源互联网推动能源生产、消费、体制变革和能源结构的调整，有力地推动我国能源革命［1］。2020年国家13部委联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，指出“以数字化、智能化升级为动力，创新突破相关核心技术，加大智能建造在工程建设各环节应用”［2］。深入思考水电企业在互联网时代的新理论、新技术、新对策，并开启以能源革命与信息化变革为核心的智能建造，这是大势所趋，是保障国家和社会高质量持续发展的关键［3-4］。

水电作为清洁可再生能源，是实现2030年碳达峰、2060年碳中和目标，促进国家能源转型的重要组成部分。截至2020年底，中国水电装机容量总量3.8亿kW左右，待开发水力资源一半以上集中在高海拔地区的雅鲁藏布江、澜沧江、怒江和金沙江流域，国家“十四五”规划和2035年远景目标［5］明确要实施雅鲁藏布江下游水电资源开发。高海拔地区水电建设具有“四高”（高寒、高地应力、高地震烈度、高水头），“四大”（大埋深、大落差、大保护、大温差），“三长”（长冬歇、长隧洞、长周期）等特点，高海拔水电工程智能建造技术的应用范围、专业领域、融合深度、覆盖周期等要求更高，且端、网、云、自然、交通、通讯等基础条件较弱，特别是开发过程中将遇到典型河段生态调控、地下空间健康环境控制、土石方时空平衡利用、长大水工隧洞衬砌建造、深厚覆盖层地基振冲置换、高位雪崩泥石流灾害防治及绿色生产辅助系统等特有新问题和新挑战，对安全、优质、绿色、高效开发水电资源提出了更高的要求，需要更好开发运用数字化、智能化技术和管理手段，来实现这些建设目标。因此，开展高海拔地区水电工程智能建造挑战与对策研究，具有重要意义。

目前，国内外针对水电工程智能建造研究主要包含理论、技术和管理平台三方面，主要进展如下：（1）理论，早期学者提出智能建造重点在于建造过程中数值技术、智能技术的充分利用［6］。信息化、智能化技术逐渐被应用到水电工程建设中［7］，如糯扎渡［6］、溪洛渡［8-10］、向家坝、白鹤滩［11］、乌东德［4］等高坝。通过工程实践和研究的深入，众多学者提出了不同的智能建造定义［12-13］，樊启祥等［14］进一步明确了智能建造内容、过程和类别等内涵，强调闭环控制理论是智能建造的核心。（2）技术，近10年来，智能建造技术在建筑、土木及水利水电等基础设施建造行业的应用越来越广泛［8，15-16］。相对比较成熟和应用较广泛的数字化和智能化技术，包括智能碾压［17］、智能温控［18］、智能灌浆［11］、智能安全［12，19-20］、3D打印［21］及BIM应用［22］等。在交通、水工隧洞及电站厂房等地下工程方面，盾构隧道信息化施工智能技术［23］、隧道施工多元信息智能监控系统［24］、隧洞排水设备状态智能监控系统［25］相继得到应用。表1为水利水电工程已有典型智能建造技术，它们推动了水利水电工程建造技术高质量发展。（3）管理平台，基于溪洛渡、乌东德、白鹤滩等大型水电工程实践研发的Idam综合管理平台［8］，是当前水电工程智能建造最具代表性管理平台之一。在安全生产及生态环境管控等方面，如安全隐患排查治理系统［20］，现场监理人员管理和评价系统［26］，电力系统实时动态安全智能评估［27］，水质、生态、环境监测传感管理平台［28］等也得到应用。

表1 已有水利水电工程智能建造技术

面对高海拔地区自然环境、建筑结构、工程建设等建设特点，现有资源如人类活动、施工机械、机电设备的能力与效率等面临新的挑战，生态环境调查评估保护监测分析的手段与方法、雪崩冰崩及其泥石流等自然灾害、强烈构造运动对复杂环境下水工建筑物的全生命期安全影响等问题一定程度上超出了现有的工程认知，对传统的、定型的、熟悉的工程方法提出了新的挑战，相关工程建造理论、工程技术标准、工程管理要求已超出现有实践与规范，水电开发全生命期绿色化、无人化、电气化、智能化的管理目标，对建设要素感知、实时数据处理、智能预测预警、智能建造关键装备、全要素全过程全成本智能管理等提出了新命题、新问题、新要求，其解决方案还需结合水电开发的迫切现实要求深入研究。本文首先分析高海拔地区水电工程建设特点、挑战和应用原则，构建了高海拔地区智能建造闭环控制方法和智能管理体系；进而基于智能闭环控制理论，阐述典型河段生态调控、地下空间健康环境控制、土石方时空调配平衡利用、长大水工隧洞衬砌智能化施工、深厚覆盖层地基振冲碎石桩智能控制、地质灾害防治及绿色生产辅助系统等新挑战，提出智能建造相应的对策。

2 高海拔水电工程建设的特点、挑战和原则

2.1 高海拔地区水电工程建造特点与挑战从高海拔地区水电工程河流规划、工程布置、建设实施、运行维护等时空演变特性看，可归纳其自然环境、建筑结构、工程建设等特点（表2）。同时，高海拔水电开发还面临无人区本底资料缺少、地域特性相关的电力消纳市场协调处理复杂、市场化电价承受能力有限、建设征地和移民搬迁安置艰巨、科技积累和技术水平不高、开发建设体制机制深化改革等挑战。这些特点和挑战叠加，使高海拔水电工程建设和电站运行面临更大的风险。

表2 高海拔地区水电工程建设主要特点

2.2 高海拔水电工程智能建造遵循的原则高海拔地区的自然、结构、建设等特点，要求工程建造活动遵循生态保护、本质安全、质量控制、资源利用和价值创造等基本原则：

（1）生态优先。由于特殊的地理位置和地形条件，高海拔地区拥有极其丰富且独特的自然和生物资源，有的项目邻近自然保护区或生态红线，环境保护压力大。工程干支流、梯级及调节性水库和径流电站、天然河流径流补给构成一个以水工程为核心的新的高原水生态、水环境及水资源系统，其调度协调控制难度大。处理高海拔地区丰富水力资源开发和生物多样性保护的关系，构建资源开发生态判断准则、关键控制指标和梯级生态调度控制指标等必须坚持生态优先，促进绿色、智能技术与管理创新在工程生态和地质环境保护中的应用。

（2）本质安全。高海拔地区水电工程安全管控涉及到规划、设计、施工、运维的全生命周期，不仅要解决变化的工程生态和地质环境中不确定性带来的工程永久安全问题，也要解决复杂水文、地形、地质环境，如冰湖、雪崩、泥石流等频发地质灾害对工程施工和电站运行中人员、机器设备、物料等全资源要素、全工艺过程及全业务流程带来的挑战，更要面对高海拔缺氧、复杂地下施工环境对人员健康和安全带来的巨大挑战。杜绝人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素及管理缺陷，需要在已有技术基础上，创新研发适应高海拔地区的智能传感设备、智能机器人等安全管控技术，培育智能建造安全文化，达到工程全周期本质安全的要求。

（3）精品工程。精品工程是对工程建设质量的更高要求和追求，一般要制定高于现有国家标准的技术指标和工艺措施，并通过系统的保证体系来实现。如，三峡工程精品机组及金沙江下游大型梯级电站精品工程［10］，通过制定先进的技术指标、工艺要求和质量标准，建立完善严格精细化的技术与质量管理体系来实现。高海拔工程建设的环境严峻性、技术挑战性、运行可靠性和品质耐久性更要追求精品工程，要围绕资源投入、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，积极应用智能建造控制理论，采取数字化、智能化技术进行全过程的偏差管理和变更管理，创新电气化、无人化施工系统，实现安全零隐患、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”工程建设管理目标。如在高海拔地区不同工艺环节和应用场景中，研发升级智能振冲、3D打印、智能碾压、智能温控等智能建造技术，充分考虑网络通信技术与智能化技术应用对接，做好通信规划和布置，为建设精品工程奠定基础。

（4）资源利用。水电工程在高效利用水力资源产生经济、社会、生态等综合效益的同时，也要针对工程规模大、施工工期长、物质材料设备消耗多及建设资金大的特点，持续进行资源及资金投入的动态优化。通过优化设计、提高作业效率，做好节水、节电、节材，降低能耗，对于工程建设过程中产生的各类材料如工程开挖料也要做好资源化综合利用，减少资源消耗，降低碳排放，节省建设资金。工程开挖渣料并不是废料和弃料，具有资源价值，宜遵循循环经济、再生利用原则，进行资源化开发和利用。一方面通过工程布置、结构设计及施工组织的结合减少开挖量，另一方面要把开挖料作为工程建设自身的建筑材料如混凝土骨料和构件制品来利用，也可以用于地质灾害和生态环境治理、河岸防护、人造滩头湿地、生态景观营造、建筑构件产品化生产、地方基础设施与生产生活发展用地等。同时，要增强对施工范围地面表土、陆生植被等资源稀缺性、珍贵性的认识，提前做好规划与施工组织，通过建设过程时空调控发挥其作用。在生产辅助系统如施工用水、用电等方面，要通过以需定供的全过程智能调控技术达到绿色发展、资源节约、循环使用的目标。

（5）价值创造。水电工程的建设过程是形成具有价值创造能力的优质资产的过程，其价值创造能力不仅体现在工程规划设计各项功能的充分实现，更体现在其具有的本质安全、精品质量和运行调控特性，可以在流域多目标联合调度［33］及区域性经济社会协同发展如水光互补开发利用中发挥更大的支撑和基础作用。高海拔地区建设的水电站不仅能提供清洁电力产品，更是一个具有工程-社会-环境协同价值的优质资产。智能建造就是通过智能技术和智能化管理来确保水电资产的价值创造能力。随着十多年的工业4.0及数字化进程，各行各业积累沉淀了大量丰富的工程数据，形成了一定的数据资产和知识积累，下一阶段主要是如何利用数据，发挥数据资产的价值创造作用［34］。在实现绿色、安全、优质、高效的建设目标的过程中，智能建造的价值创造能力也将体现在充分发挥积累的全过程全要素工程数据及工程经验转化成可传承的知识，促进工程技术创新和建设管理提升。在资源投入共享、工程状态预警、调控措施优化、知识积累传递、多方协同工作上发挥工程数据积累及工程知识传递的作用，利用大数据技术和人工智能技术，优化工程行为与结构状态判断指标和判断规则，优化工程建造方法和实施技术路径，优化技术要求与工艺参数及其资源配置，为社会提供具有价值创造能力、可持续发展的水电资产。

3 高海拔智能建造闭环控制理论与管理

3.1 高海拔智能闭环控制理论水电工程建造是一次性活动，有明确的建造目的和要求，但也是一个创新性活动。建造过程中，不同工程和地域会遇到不同的水文过程、地质和自然灾害等不确定性挑战，工程建设过程中的阶段性转化和专业转换特性，提高了一次性实现原有目标的难度。工程建造需要时刻在变化中进行分析，并采取及时有效的对策。智能闭环控制理论［13］即“全面感知、真实分析、实时控制、持续优化”，可有效应对变化，提高建造效率，保证目标实现。

基于闭环控制理论与高海拔地区水电工程发展特点和挑战，本文构建高海拔地区智能闭环控制模型（图1）。随着建设环境与建造物及其建造过程状态的时空变化，表征环境与工程状态函数，涵盖生态调控、施工环境调控、资源利用、智能衬砌、智能振冲以及灾害防治等关键建造活动与环境，梳理主要建造活动的闭环控制关键参数（表3），建立建造活动的数字孪生模型；通过智能算法及回报反馈机制，依据关键控制参数与控制目标的偏差变化，对状态表征函数进行更新［13］，实现人机协同；融合资源投入、工艺过程、业务流程、结构性态、工程进度和实物成本等六大管理要素，考虑自然与工程环境动态变化，基于数据学习等智能算法计算工程建造“回报”，进而优化重构真实分析对比的标准、判据和规则，升级开发智能装备、产品和闭环管理逻辑，实现无人化管理，进而对建造全过程的实时智能闭环控制流程、关键参数、感知、分析与控制的指标以及回报或者智能算法的更新，即持续优化过程。持续优化的参数、流程、算法等依赖于深度学习和优化目标，是智能系统不断提升的关键，表3列举了部分未来可能优化的参数。

图1 高海拔水电全要素智能闭环控制逻辑框图

表3 高海拔水电工程主要建造活动智能闭环控制的关键参数

3.2 智能建造三维四要素协同系统分析方法基于智能建造闭环控制理论，面对高海拔地区更为复杂和特殊的水电建设环境，亟需在已有智能建造技术（表1）基础上实现：（1）全要素的数字孪生；（2）多方人机协同；（3）无人智能偏差控制、纠偏；（4）可持续的优化与调整；（5）资源共享与协同工作，知识的有效传递与传承，使水电工程在全生命周期里具有持续价值创造的能力。针对高海拔地区水电工程开发建设遇到的典型河段的生态调控、地下空间健康环境、土石方利用时空平衡、长大水工隧洞衬砌优化与智能化施工、深厚覆盖层地基振冲碎石桩置换工艺智能控制、地质灾害防治及绿色生产辅助系统等特有新问题。智能建造闭环控制系统管理分析方法主要体现在以下两方面：

（1）水电工程智能建造活动必须聚焦工程业务问题，如技术、安全健康、生态环保等问题，要充分发挥数字化、智能化手段的作用，来解决问题，提升建设绩效。本文从项目管理全周期，专业知识与研究方法、工作程序与逻辑等3个维度，以及工程项目建设管理包含的时间-空间-质量-数量等4个要素，建立水电工程智能建造活动三维四要素协同系统分析框架，见图2。从智能建造闭环控制理论［13］出发，此框架中强调了智能建造的创新性、知识运用的综合性、管理决策的科学性。其中3个维度具体指：（a）项目管理全周期，即工程建设项目规划-建设-运行的全生命期，包括动议立项、调研勘测、河流规划、预可研（可研）设计、招标设计、施工设计、建设实施、运行维护、持续提升等；（b）专业知识与研究方法，即理论分析、试验测试、监测反馈、仿真复核、大数据挖掘优化、边缘计算、人工智能、云平台、区块链等；（c）工作程序与逻辑，即问题提出、目标制定、准则建立、方案设计、建模寻优、综合评价、科学决策及项目实施等。4个要素是采用智能建造解决典型河段的生态调控、地下空间环境健康、土石方时空平衡、水工隧洞智能衬砌、深厚覆盖层地基智能振冲、地质灾害防治及绿色生产辅助系统等问题以及建造活动的主要变量（见表3），通过运行智能化技术来调控这些变量的各类属性，实现闭环控制。

图2 水电工程智能建造活动三维四要素协同系统分析框架

（2）建立具有建模、定量、寻优、闭环、调控等特点的智能建造数据管理系统。高海拔地区水电工程智能建造技术与管理的典型问题及对策方向见表4。解决这些问题，运用智能算法、闭环对策、智能设备等技术，需要大量的工程数据，也将产生大量的工程数据，由此形成大量的数据资产。通过开展数据挖掘分析，形成对策和控制技术，并持续生成新的有价值数据。实现有效、有价值的高海拔智能建造数据管理，需要满足：（1）数据是有价值的，可借助财务术语表征；（2）数据管理需求是智能建造和运维业务需求驱动的，在数据结构体系和流程设计之初，就开始数据管理工作的规划；（3）数据管理依赖于不同专长或能力的组织成员进行合作，随着组织需求的不同与数据本身的改变动态调整；（4）数据管理是全生命周期管理，应充分认识到数据在不同时空的数据特征，识别不同生命周期的安全、伦理风险。

表4 高海拔智能建造技术与管理典型问题及对策

4 高海拔水电工程建设典型问题智能建造对策

4.1 典型河段的生态调控方法水库水位与流域水资源高效利用以及生态系统息息相关［30］。图3所示为高海拔地区某梯级电站调控示意模型，A 电站具有年调节能力，位于河流1 与河流2 汇合口上游；B为径流式电站，正常蓄水位以下水位变幅小，为反调节水库，位于汇合口下游一定距离处，河流1与河流2交汇处形成湿地公园。A水库调节及其下游自然河段，以及B水库蓄水回水会对交汇处河道产生影响。水库淹没、下泄水文过程、泥沙等条件的改变可能对湿地空间分布、水沙过程以及生物地球化学循环产生影响。需要处理好电站建设与该河段生态保护及景观维护之间的关系。

图3 某梯级水电站联合调度示意

因此考虑上游出库流量，下游生态流量，下游发电取水流量，结合河流自然生态状态将河流生态流量、汇口生态水位、引水发电流量等作为联合运行调度规则的约束条件［30］，协调水库干流与支流来水，核心在于控制上游A、下游B电站的水库水位、下泄流量等设计运行参数的选取。为保证电站B有一个稳定的引水发电流量，在电站B的下泄流量满足河流3的生态下泄流量要求，以及电站A的下泄流量满足河流1的生态流量要求等约束条件下，通过调节电站A的下泄流量，使汇口及其以下到电站B的河段呈现仿自然生态及天然来流的特性，这里通过设定电站B的最小来流量minQiB作为特征控制指标，汇口及其以下河流的生态景观用基于河流河势安全基础上的仿自然河流生态景观特性的指标ei来衡量，如代表性断面流量、特征部位河谷水面宽度、典型河段水面流速流态，可以通过历史遥测不同年份不同流量下的汇口及上下游河流遥感影像资料、河流水上及水下地形资料及两岸与生态及景观相联系的调查评价资料来综合确定。

基于高海拔地区水库运行特点及SLM模型［29］，可建立水库联合调度概化模型：

约束条件：

目标函数：QpgB=f(Qriver1，QiA，QoeA，QiB，QoeB，ei)

式中：QoA和QoB分别为电站A和电站B的下泄流量，QoeA和QoeB分别为河流2的电站A的下游的生态流量要求和河流3的电站B的下游的最小生态流量要求；QoB为电站B出库流量，QpgB为电站B发电引用流量，QiB为B电站处来流量；Qriver1和Qr为湿地上游河流1自然河流径流以及湿地区域降水补给，计算中所有流量统一单位量纲，通常使用单位m3/s。ei生态景观特征指标，i在图3中表示电站B上游的河流1、河流2、河流3交汇区段和某一河流的的特定生态区段。QpgB目标函数根据需求取最优解。

基于水库联合调度概化模型，结合智能传感控制与调度管理，可建立生态调控智能闭环调度控制体系，对生态平衡最小流量QminB和QmaxB进行长期动态的监测、分析、评价［35］，并通过对上游水库下泄流量、河道生态流量及电站引用流量的动态优化，实现对两河汇口生态景观的调控。

4.2 地下空间环境健康控制随着电气化、机械化、自动化、智能化施工技术的研发应用，水电工程建设过程中的施工人数将大量减少，尤其是地下空间的施工作业人员和艰苦狭窄环境下的手工劳动将大量减少。高海拔、大埋深、高地温环境下建设人员及施工设备所处地理空间的环境健康质量，对人身健康安全和施工效率都有直接的影响。因此，高海拔地区地下空间环境和人员健康状态的预警预控是保证建设安全、建设质量和建设进度的关键，地下空间健康环境智能调控对策宜包括：

（1）研发适应高海拔地区超长深埋隧洞环境的人员智能健康可穿戴设备和实时定位交互通讯系统，形成对作业人员与施工环境的不间断监测与反馈。充分发挥智能健康可穿戴设备的计步、心率、呼吸、温度、疲劳、睡眠、血压血氧等监测功能，实时收集高海拔地区佩戴人员安全健康信息并分析人员健康情况，及时反馈处理人员生理状态、异常预警，建立不同工种、不同季节、不同时间段、不同性别、不同年龄段的健康评价标准体系。

（2）研发环境智能感知设备并建立分析调控系统，全面感知地下空间健康环境，全面提升高海拔地区地下空间作业效率和安全水平，如表3所示，智能感知包括氧气O2、二氧化碳CO2等含量，湿度H、温度T、粉尘Du、易燃易爆气体G、风速vw等；真实分析气体浓度Con，气体密度De，气体分布Di、气体成分Com 等特征指标，实时控制通风ven、供氧os、喷水降尘Ws、作业环境温湿度及气体成分Com和浓度Con等。对地下工程开挖中岩石爆破产生的粉尘、气体，要在爆破区掌子面的有限空间范围内，构建一个集降尘、通风、爆破冲击减缓的有害气体吸收、排放的系统；对长大深埋隧洞和复杂地下洞室系统中化石燃料汽车等移动设备排出的有害气体的沿程污染，要采取电动施工设备如重载电动汽车与电动挖装机械替代化石燃料施工设备、无轨皮带运输代替有轨运输，并对沿程形成的烟柱烟塞，研究其形成机制、运移规律，针对性的从源头和过程中进行捕获，避免长时间大范围的沿程污染和累积污染。

（3）在控制作业环境和人员健康基础上，研发具有人员安全知识监察、作业活动规范监察和智能自主环境监察功能的地下空间智能环境巡检机器人，减少高海拔地区水电建设的人员用工强度，克服地下作业环境的各种不确定性、不安全因素的影响，通过机器设备辅助施工安全管控，实现安全、智能、高效、自主巡察目标。

最终通过人员健康控制技术和设备、地下空间作业环境控制综合技术及智能巡检机器人技术（图4），实现对施工人员和工作环境（温度、湿度、氧气、灰尘密度等）的实时控制、匹配感知反馈，做到安全的人在安全的环境中健康安全的工作。

图4 高海拔地区地下空间环境健康控制

4.3 土石方调配时空智能平衡方法大型水电工程建设都离不开工程开挖渣料的有效利用，尤其是有当地材料坝的工程，以及混凝土工程量大品质要求高的工程。工程规划设计中，首先要把枢纽布置范围内的必须要开挖的渣料充分利用好，其次是开采一定的天然料来满足水工建筑物的建设要求，这项工作受到工程建设阶段和专业技术要求的制约。工程土石方智能平衡技术，通过结构特性分析对可利用料进行分类，将工程开挖料分类用于混凝土砂石骨料、地灾治理、生态修复以及场地填筑等，全面感知获取开挖料基本性质、浇筑、填筑、生态修复计划等，真实分析需求计划、生产计划等，通过工程开挖料和工程用料的有机结合，建立挖-填-用物料平衡利用模型，计算分析工程时空、质与量、经济最优的资源利用平衡方案，构建渣料种类、位置、运输路径、砂石系统、工作面之间、地灾治理、生态回填区域的土石方平衡最优函数，形成开挖料种类、产量监控，设备运行、车辆运输监控，仓储动态监控的全方位监测、分析、控制的开挖料闭环循环利用体系，实现对资源的最大化和绿色利用。具体应用场景和对策有以下几类：

（1）水电工程典型应用场景就是土石坝的填筑施工。通过源头开采-过程运输-建筑物分区按质按量利用的动态规划技术和基于目标定位、行动轨迹、源汇匹配的智能调控技术，在落实工程渣料开挖爆破成型技术及全流程各环节电气化挖装运施工设备选配技术的基础上，通过时间、空间以及料源品质（块径、强度）、数量上的智能调控，实现成本及效率的有效控制，进而优化设计方案和施工方案，并在实施阶段直接控制工程施工的全过程。从做到每一方工程渣料的充分利用来合理规划不同建筑物部位、天然开采量场、暂存料场的时空匹配关系。

（2）混凝土人工骨料及混凝土生产浇筑系统是又一个重要场景。面向水工混凝土衬砌单元工程的施工特性，研发地下分布式或相对集中布置的固定式或移动式的集混凝土骨料破碎、筛分、拌和，混凝土运输与混凝土衬砌施工与养护一体化的智能衬砌全过程施工工艺和成套装备。地下砂石骨料破碎和生产系统要根据工程的规模、进度、质量要求，以及节能降耗等进行综合比选确定布置位置和生产规模。在水工衬砌中，通过地下洞室洞内砂石拌合移动台车上的砂石骨料制备装置、输送装置和拌和装置，改变传统工法中开挖渣料外运进行骨料生产和混凝土拌和，再运输到洞内的作业方式，采用直接在洞内近作业面布置骨料加工和混凝土拌合系统［31］，减少长距离开挖料外运和成品料内送等环节，减少能源资源消耗。对施工规划后不需要利用的开挖渣料再直接外送到目的地进行资源化利用。

（3）土石方时空平衡的联系主要在运输设备，从碳中和与节能减排目的出发，需要建立工程现场低碳环保电气化智能化的物流运输系统，根据开挖、填筑项目的工程量（分类）、施工进度、点间运距与运输单价等配置智能开挖、智能运输车辆与施工设备，在相应设备上搭载智能传感设备。建立现场内外运输联动调度模型，形成开挖料与地面、地下工程结合的循环利用体系。

4.4 长大水工隧洞混凝土智能化衬砌技术水工混凝土衬砌施工在混凝土材料、温度控制、钢模台车、施工工艺等方面都做了很多技术创新和管理提升，为高水头、大流量、高流速的泄洪系统提供了质量保证［36-38］。但混凝土浇筑过程主要靠人工振捣，混凝土衬砌厚度大，分段式的混凝土拌和-运输-浇筑工艺没有形成以仓面混凝土质量驱动的一条龙智能调控系统。高海拔地区长大水工隧洞建设面临埋深大、地应力高等复杂地质条件，同时面临着高寒、缺氧等不利施工环境。在高海拔地区进行衬砌混凝土施工时，如果仅依靠人工，则施工效率低、安全风险高、质量得不到保障、工程投资大。结合韧性混凝土材料技术及建筑物3D打印技术的发展，水工混凝土衬砌结构设计的创新要能更好的发挥岩体及其支护体、灌浆体、排水体与衬砌体等结构的协同联合作用，减少衬砌厚度，减少开挖洞径，减少人工作业，研发与地质条件、结构特性、施工工法、运行工况相匹配的混凝土衬砌智能化施工技术和成套智能装备，克服人力施工的不利因素，取得技术经济安全环保的综合效益。为此，需要从围岩衬砌复合结构设计、高强低热自密实韧性水工混凝土研制、混凝土生产运输浇筑品质检测一体化工艺系统、全流程成套装备及其调控系统等方面开展研究与创新。这个创新系统设计的目的就是在不同围岩特性下复合支护体系中混凝土衬砌设计厚度（结合钢筋网的布置）能够得到有效的控制。

面对埋深大、应力高导致的围岩变形控制难度大、混凝土衬砌施工时机把控难的问题，分析内外水压力条件及运行工况下混凝土衬砌结构的应力特性和变形特性，结合衬砌混凝土规模化工程化施工可以实现的混凝土强度、变形、温度、耐久等性能，并根据施工过程进行衬砌结构施工期混凝土抗裂和结构安全复核，确保施工过程中形成的衬砌结构及其与围岩等支护体的整体性，防止高应力岩爆对结构的损伤；可采用应力及变形监测的方法，确定衬砌施工时机。衬砌施工时机要充分考虑围岩自身性质，围岩自承能力强，衬砌时机适当延后；围岩破碎，衬砌时机则提前。对于软弱破碎围岩隧洞，由于隧洞开挖后周边围岩的二次应力值通常已超过围岩的屈服强度而形成塑性区，初期支护变形及变形速率均较大，很难在短时间内趋于稳定。本研究提出围岩开挖-支护-衬砌变形施工时机控制曲线（图5）。

图5 围岩-支护变形曲线及施工时机示意

感知和分析曲线全面感知围岩状态，真实分析围岩变形；控制曲线实现对围岩支护及衬砌时机的控制。p0为原岩应力线，pi为支护承受的围岩压力，pb为支护作用在围岩的反力，pc为在围岩与支护相互作用发生耦合变形时支护体提供的支护阻力；u0为开挖后的瞬时弹性位移，Δu为开始支护前围岩的位移（包括弹性变形和塑性变形），ub为支护体位移，ui为有支护情况下理论上围岩的最大位移，ud为无支护下围岩开始坍塌破坏时的位移，umax为无支护下围岩的最大变形。K1点为支护施工点；K2点为围岩与支护相互作用的工作点，此处围岩和支护的变形和受力达到平衡，理论上围岩进一步变形产生的力，小于支护体提供的支护阻力，此时围岩的变形得到控制；K3点为围岩坍塌破坏点，从K3到K4是围岩逐步破坏的时期；到K4点时，围岩已经完全垮塌，不再变形也无变形载荷。上述节点将围岩变形曲线分成三个区，Ⅰ区进行开挖及排水；Ⅱ区岩体释放变形，支护体开始发挥作用，该阶段需要根据岩体变形情况，确定岩体锚喷支护及注浆加强的时机；Ⅲ区初次支护已经完成，围岩变形达到稳定，在该阶段确定时机进行永久衬砌结构作业。

研发具有混凝土入仓、浇筑、自密实以及过程监测、性能检测及试件成型的混凝土衬砌钢模台车系统，实现混凝土生产、拌和、运输、浇筑振捣全工艺过程的质量控制，保证浇筑质量，实现无人化、机械化、智能化，具体包括：（1）传统钢模台车及其配套系统智能化升级改造。大水头高流速含沙水流抗冲耐磨水工混凝土以及引水发电隧洞混凝土的表面成型质量对大型建筑结构3D打印移动式设备的定位精度、移动精度、混凝土打印喷头工艺、混凝土成型不平整度等提出了挑战，大断面整体钢模台车为基础的衬砌智能浇筑设备是目前较为现实的选择，但要同时突破顶拱混凝土随边顶一体智能浇筑成型技术。（2）韧性混凝土浇筑自密实材料研发与技术应用，研制具有适应运行及检修工况变形安全的高韧性、高强、低热混凝土，研制具有自密实功能并与支护结构协同工作具有整体性的水工混凝土，保障衬砌混凝土变形安全及整体稳定。

4.5 深厚覆盖层地基振冲碎石桩智能控制西南地区尤其是高海拔地区水力资源富集的河段覆盖层深厚，场地地震烈度高，普遍下伏有厚度较大、分布连续的砂土层，存在抗滑稳定、渗透稳定、不均匀沉降变形、防冲刷和砂土地震液化等工程地质问题，振冲碎石桩置换是提高地基承载力、防止液化的有效手段。传统振冲桩施工存在信息、智能化水平较低，振冲器功率较小、功效较低，质量检测抽检比例偏低，缺乏施工质量在线监控与检测技术等不足。为实现高海拔地区深厚覆盖层地基振冲碎石桩智能控制，需要建立基于专业管理流程和成桩工艺过程的数字化的管理系统，并通过对地层设计参数、振冲设备施工参数、实际地层参数、换填料品质特性的在线检测检验，结合振冲加密换填改造后复合地层力学及变形特性的检测评价，来优化振冲工艺及成桩工艺，闭环调控振冲碎石桩施工参数，持续保证基础处理效果。

（1）通过振冲桩控制参数分类表征和感知分析，实现地层参数的真实、准确、实时、共享与交互的数字化，为振冲桩智能化施工与质量检测检验提供数据基础；全面感知地质Ge、地形Te要素，真实分析置换率As、应力集中系数n、回填Ba等，实现对桩径D、布桩形式Pf、桩间距Ps的实时控制。

（2）建立振冲参数与工艺智能联动控制模型，通过一体化智能控制器及成桩可视化数字孪生仿真模拟及振冲工艺参数数据挖掘等，实现振冲与加料成桩全工艺过程多工序紧密协同的自动化、智能化控制及施工优化。目前的振冲头主要采用悬挂式，下降过程主要通过人工控制，要研制全机械化设备的智能控制系统。通过大数据技术和人工智能技术，智能调控与地层特性相关的振冲参数。研究换填碎石品质在线检测及换填量在线计量系统。

（3）研究基于过程监控的大数据分析技术来制定质量检测方案（部位、数量、手段）及方法，研究制定结合过程监控大数据分析与质量在线检测成果的振冲碎石桩复合地基过程检查验收标准。通过机器学习和仿真反演无法直接测量的成桩质量指标，完善不够精细管理和实时分析调控的工艺过程，提升振冲桩施工质量的智能控制水平，提高过程管理水平和施工效率，同时为优化设计、成桩施工、验收评定及结构安全等提供依据。

4.6 地质灾害预警防治智能化技术高海拔地区雪崩、泥石流等自然地质灾害具有构成更加复杂，灾害链机理不明晰，以及多生突发性、巨大破坏性、潜在危害性等特点，超出了现有水电工程地质灾害的认识和防治水平，对交通设施、森林、工程建设、电站运行及人类活动等造成了严重的破坏［32］。但雪崩的发生也有规律可循，在长期有效的观测和分析的基础上，也可以采取有效的措施。建设实时交互闭环智能控制的高海拔地区地质灾害预警系统和集技术与管理融合协同、常态防治措施与应急响应无缝衔接、政-产-学-研-用协同工作的控制体系，是预警防治雪崩、冰崩碎屑流、冰川泥石流、雪崩泥石流等地质灾害的关键。结合中国在西南地区大型水电工程地质灾害防治的已有经验，在高海拔地区尤其要加强地震及极端气候环境下雪崩、冰崩泥石流的治理与预警。其监测、预警和管控系统如下：

（1）通过天-空-地-水全要素的调查和分析，全面摸清不同地灾点，雪崩、冰崩和泥石流的成灾、致灾规律，结合工程布置、结构特性、建设时序、辅助设施和内外交通及服务保障系统，建立主要危险源及工程对象的时空关系，评价地灾风险等级，确立管理控制目标，开展工程设计、拟定治理措施、建设监测系统、开展反馈分析，制定风险管理和应急响应的制度和措施，形成全要素、全过程的高海拔地区地质灾害监测预警智能系统，保证全生命期人员、设备和工程的安全。

（2）通过雪崩、泥石流发生前期的区域降水量监测、环境温度湿度监测、积雪（水）深度监测、辐射；雪崩泥石流发生过程中和发生后的红外监测，形成雪崩泥石流发生前、中、后的全过程监测体系，可为研究雪崩、泥石流的形成、引发特征、灾害评估、预警等创造条件。掌握雪崩、泥石流演变规律，大大提高预警的时效性和准确性，通过有效的工程措施和技术手段，避免二次灾害带来的不利影响。通过三向振动传感器、红外监测、视频监测等新技术的结合，可大大提高监测精度。

（3）通过真实分析降水量、振动频率、风速、风向、气压等，实现对雪崩泥石流空间分布、时间分布的控制；研发施工范围内的生态地质环境监测与分析平台，研究复杂环境因素下冰崩泥石流的变化规律与机理，建立地灾环境风险实时诊断与预警技术，形成高海拔地区灾害防治预警预控平台。

4.7 绿色生产辅助系统传统水电工程施工供水、供电、废水处理与排放等生产辅助系统的过程管理及成本控制较为粗放。高海拔地区生态环境要求建设绿色集约的生产辅助系统，就是基于环境承载力，实现各类辅助生产系统按需供水、按需供电、按需供气的过程闭环智能控制，实现作业人员、物质材料、施工设备及建设强度之间的协同匹配。其主要对策如下：

（1）基于环境承载力分析和智能闭环控制理论，建立多场景、多建造活动的用水、用电、用气等需求标准和过程控制指标，实时测定不同工作场景、不同功率作业机器、不同工作标准的施工资源消耗定额，研发智能供水、智能供电、生产废水全过程智能控制、电气化设备在线控制等绿色智能生产辅助系统，实现生产过程的比较分析和动态评价优化。

（2）运用大数据技术，精确分析并预测当前和未来施工现场的需水、需电和需气量，实现对取水、用水、排水，发电、输电、配电、用电，制氢、储氢、供氢，制氧、储氧、供氧的实时控制；通过工程资源消耗数据的质量和数量的时空分析，满足不同施工强度的供应需求，实现施工资源的在线绩效管理。

（3）综合利用工程相关区域的风能、太阳能、水能、储能与氢能系统，构建满足不同机械、不同工作面、不同工作场景施工需要的电气化、数字化绿色电力储能系统，实现高海拔地区工程建设施工用电、用氧、用氢的多能互补绿色生产。

（4）分析工程建造活动全时空过程各类作业的碳排放分布演化规律，识别典型排放源，构建不同场景、不同设备、不同技术要求的碳排放量和碳中和算法，指导不同工作区域研发绿色建造技术和节能减排技术；建立建设过程碳排放预警控制参数、指标、密度云图，实现高海拔地区水电工程施工碳排放的智能管控。

5 结语

通过智能建造高质量开发高海拔地区水电资源是实现中国清洁能源可持续发展的重要手段，是保护雪域高原生态环境、推进国家生态文明建设的重要方法。本文对高海拔地区水电工程智能建造挑战与对策开展研究，主要结论如下：

大型水电工程智能建造是一个持续创新、价值创造的过程。当前中国水电工程建造已经初步形成了以数字仿真、智能碾压、智能通水及智能灌浆等为代表的水电工程智能建造技术。通过调研，分析了高海拔地区水电工程的自然环境、建筑结构以及工程建设的特点和挑战，提出要遵循生态优先、本质安全、精品工程、资源利用、价值创造等基本原则。

结合高海拔水电过程建设面对的工程技术、生态环境保护和建设管理等新问题，提出了高海拔智能建造闭环控制理论及智能技术拓展应用与创新研发的主要领域和关键问题，定义了高海拔水电工程主要建造活动智能闭环控制的关键参数。结合水电工程建设规律和高海拔水电工程特点与挑战，构建了聚焦工程业务问题的三维度（项目管理全周期-专业知识与研究方法-工作程序与逻辑）四要素（时间-空间-质量-数量）协同系统分析框架，同时建立具有建模、定量、寻优、闭环、调控等特点的智能建造数据管理系统，为分析高海拔水电工程建造活动的闭环智能控制提供了有效的工作工具。

针对典型河段生态调控、地下空间环境健康、土石方利用平衡、长大水工隧洞衬砌优化、深厚覆盖层地基振冲碎石桩置换、雪崩泥石流地质灾害防治及绿色集约生产辅助系统等特有新问题，提出了智能建造闭环控制实现路径和相应对策，为实现生态优先、本质安全、精品工程、资源利用、价值创造的工程绩效提供了技术方向，可供高海拔地区大型水电工程智能建造技术与管理的创新和实践参考。