自動化監測技術在白鶴灘水電站橫縫灌漿中的應用

史波 柯傳芳 張宇 劉少偉

摘要：自動化監測技術具有高頻次、高精度、實時反饋以及經濟高效等特點，成為智能大壩建設不可或缺的關鍵環節，而在大壩施工期的自動化監測技術應用非常少見。以白鶴灘水電站為實例，介紹了大壩灌漿工程概況、接縫灌漿流程以及接縫灌漿施工過程中對安全監測的要求，對施工期自動化監測技術的方案設計與實施進行了闡述。監測數據統計分析表明：施工期自動化監測技術優于傳統人工監測手段，滿足接縫灌漿對安全監測的需求，可為接縫灌漿施工質量提供重要的參考依據和技術支持。

關鍵詞：大壩接縫灌漿;橫縫開合度;自動化監測技術;施工期;白鶴灘水電站

中圖法分類號：TV543文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.005

1 研究背景

水利工程的施工質量問題一直是人們關注的熱點，它不僅直接影響到大壩的安全運行和效益發揮，更與壩下游人民的生命財產、社會經濟建設和生態環境等密切相關[1-2]。大壩接縫灌漿是保證并延長大壩使用壽命的重要施工環節。為了保證接縫灌漿施工質量，同時避免已灌區域的二次張開影響大壩工程結構的整體性和強度，需要在灌漿過程中對相應施工部位進行變形監測[3]。以前實施的部分水電站在接縫灌漿施工中主要依靠工程經驗和相關規范來判斷施工質量，有時并不符合科學規律。而且，在施工過程中采用傳統人工監測的手段無法準確把握橫縫在灌漿過程中的張開度情況，無法準確科學地指導灌漿施工，導致在灌漿過程中出現已灌區二次張開的現象[4]。

橫縫開合度是指導接縫灌漿施工、評價施工質量的關鍵指標，在灌漿施工過程中想要達到監測指導科學施工的目的，需要更高的監測頻次，而傳統的人工監測頻次最高只能達到1 d一次，無法滿足這一需求，須引進高頻次、高精度的監測技術。此外，智能大壩和數字大壩建設對大壩安全監測提出了更高的要求。自動化監測技術具有高頻次、高精度等優點，成為目前大壩安全監測技術研究的熱點[5]。據統計，國內水電站在運行期實行自動化監測的高達87.5%，而在施工期實施自動化監測的幾乎沒有。造成這一現象的主要原因：施工期現場環境差，自動化設備在施工現場容易被破壞，且無穩定電源、通訊困難等[6]。

如今，計算機和無線通訊技術的推廣和普及，為自動化監測技術的實現提供了重要的技術保障[7]。將高頻次、高精度的自動化監測技術應用到大壩接縫灌漿施工過程中，進行實時監測和反饋顯得尤為重要[8]。本文將自動化監測技術應用在接縫灌漿施工過程中，結果表明：施工期自動化監測技術的高頻次、高精度、實時反饋等特點，可為接縫灌漿提供真實可靠的監測數據，相較于傳統的人工監測具有明顯的優勢。

2 工程概況

白鶴灘水電站工程為Ⅰ等大（一）型工程，樞紐工程由攔河壩、泄洪消能建筑物和引水發電系統等組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程為834.0 m，最大壩高289.0 m，壩下設水墊塘和二道壩。泄洪設施包括壩體的6個表孔、7個深孔和左岸的3條泄洪隧洞。

在灌區布置上，第一灌區高度為11 m，其余灌區高度為9m，接縫灌漿自下而上進行分層施工，從大壩中部向兩岸推進。接縫灌漿主要目的是對大壩接縫進行二次填充，保證大壩的整體性，避免水分和空氣對大壩壩體的侵蝕以及滲漏現象出現，保證并延長大壩的使用壽命[8]。灌漿過程中，嚴格控制灌漿壓力和灌漿過程中的縫面開合度，控制灌漿最大壓力以排氣槽壓力不大于0.35 MPa為準。接縫灌漿工作流程為：首先進行漿液檢測，檢測合格后方可進行灌注;開始灌注的同時上部灌區通循環水、相鄰縫通平壓水，同步進行橫縫測縫計監測;回漿管回漿漿液相對密度檢測合格后關閉回漿管;排氣管出漿，檢測漿液相對密度合格關閉排氣管;緩慢提高灌漿壓力，同時監測橫縫增開度和灌漿壓力，通過橫縫張開度增加的情況動態調節進漿壓力和平壓水壓力，保證開合度在控制標準范圍內;當吸漿壓力不大于0.4 L/min時，屏漿20 min，停機灌漿結束。

在實際灌漿過程中，根據需求按照1次10 min至1次1 min的頻次進行，傳統人工監測手段無法滿足這一頻次要求，須采用自動化監測技術進行數據實時采集、傳輸、處理、存儲和發布。在緩慢增加灌漿壓力時，需要實時監測橫縫開度變化情況，通過實時反饋監測結果，動態調整進漿壓力和平壓水壓力。為探究自動化監測技術在接縫灌漿中的應用，選取一層灌區進行試驗，部分橫縫測縫計布置見圖1。

3 施工期自動化監測系統方案設計與實施

3.1 施工期監測自動化系統總體結構

白鶴灘水電站大壩施工期監測自動化系統包括監測儀器設備、數據采集裝置、計算機及外部設備、網絡通信設備、電源及防護設備、數據采集軟件和安全監測管理軟件等。采用現場測站（廊道外臨時測站和廊道內永久測站）和中心管理站（布設在業主營地機房，設置數據服務器、工作站計算機等）兩層次構架。目前，已完成廊道外臨時測站自動化布設（見圖2）。

3.2 施工期監測自動化系統實施

（1）臨時測站布設。目前，通過預埋管牽引至廊道的監測儀器，成功實現廊道外臨時測站監測自動化。由于廊道養護期間廊道內封閉且潮濕，通過接長電纜或者采用無線設備將信號傳輸至廊道外的4G信號覆蓋區域，設置臨時測站安裝MCU，實現自動化（見圖3）。

（2）通信電纜牽引及保護。通信電纜主要采用雙絞線，沿廊道橋架敷設。為防止干擾，敷設過程中分層敷設，對通信電纜穿管保護，遠離強弱電（見圖4）。

（3）MCU安裝調試。①測控裝置采用全密封防水不銹鋼機箱，所有電纜進出口全部采用防水密封緊固接口以防止水汽侵入。機箱底部采用塑料密封接頭，所有部件固定在機箱安裝鋼板上，智能數據采集模塊安裝在機箱內。②根據傳感器電纜的設計編號，依據類型將監測站內的傳感器電纜理順。分別從機箱左右兩側接入到測量控制單元上。③儀器電纜、通信電纜、光纜和電源電纜應布設整潔、美觀。觀測房（站）、廊道中的各種電纜采用電纜槽敷設或沿已有的電纜架敷設牽引。④通過電源電纜從監測管理站的UPS引入交流電，通過AC/DC轉換器轉換成直流電對測控裝置進行統一供電。⑤機箱外殼接地、直流電工作接地和電纜屏蔽層接地應在同一機箱中，采用一個公共接地端子。機箱安裝完畢后，引出接地端子與大壩公用接地網連接，現場采集裝置接地電阻不宜大于10Ω（見圖5）。

4 接縫灌漿自動化監測數據分析

4.1 監測數據分析

在已完成的白鶴灘水電站接縫灌漿工作中，自動化監測技術發揮了重要的作用。自動化監測技術覆蓋了灌漿全過程，取得了豐富的監測數據，保證了施工質量和灌漿效果。以第一層灌區的接縫灌漿施工為例，該層灌區高度為11 m，涉及到4個壩段，于2018年3月24日開始施工;接縫灌漿從2號和3號壩段開始，向左右兩岸推進。其中，該層灌區涉及到橫縫測縫計6支，自動化監測采用10 min一次的監測頻次，遇數據變化較大的測點或起壓階段加密觀測頻次。具體橫縫測縫計監測成果見表1。

從表1可以看出，在灌漿過程中由于灌漿壓力的影響，橫縫測縫計監測數據有相應的響應;灌漿過程中橫縫測縫計最大增加張開度在0.16～0.48 mm之間;灌漿前后橫縫開合度變化量在0.06～0.28 mm之間。灌漿對橫縫測縫計開合度有著明顯的影響，自動化監測技術成功監測到橫縫開合度變化最大值。

為了探究灌漿過程中橫縫開合度變化情況，以2號橫縫為例，繪制橫縫測點開合度變化過程線。通過繪制開合度變化量與時間關系過程線，更加直觀地了解灌漿過程中橫縫開合度變化趨勢和特點。J2-1-1橫縫測縫計布置在2號橫縫距離上游邊線36 m處，J2-1-2橫縫測縫計布置在2號橫縫距離上游邊線3 m處。接縫灌漿過程中壩體橫縫開合度變化過程線見圖6。

從圖6可以看出，在接縫灌漿過程中，監測頻率達到10 min一次，獲得了豐富的監測數據。兩支橫縫測縫計開合度變化趨勢相同，開合度變化量先增大后緩慢減小。灌漿過程中，隨著灌漿壓力的增大，橫縫增加張開度同步增大，J2-1-1開合度最大變化量為0.48 mm，在同一時間段J2-1-2開合度變化量也達到最大值0.32 mm。開合度變化量呈先增大后減小趨勢，與灌漿過程中存在緩慢增壓后釋放壓力的施工過程有關，自動化監測技術準確捕捉了橫縫開合度的整個變化過程。兩組數據相互印證，且與現場施工特點符合較好，說明了自動化監測數據精確可靠。

4.2 施工期自動化監測總結

將自動化監測技術成功應用于白鶴灘水電站施工期接縫灌漿中。綜合第一層灌區的監測成果分析，可得出以下結論：①施工期安全監測自動化技術頻次高、精度高，準確捕捉了灌漿過程中橫縫開合度的整個變化過程，達到了動態調整進漿壓力和平壓水壓力的目的，對接縫灌漿過程起到了很好的指導作用。②施工期安全監測自動化技術有利于多測點短期同步觀測、在線適時觀測、遠程控制觀測和傳輸等，對實現動態監測、實時反饋、現代化管理具有重要意義。③實現工程安全穩定動態分析。人工觀測包含了部分人為誤差，需對異常數據現場復測和仔細校核，增加了工程安全穩定分析的難度，且耗時較多。自動化系統可避免人為誤差，對監測數據快速整理分析并進行初步評判，實現工程安全穩定動態分析。同時，自動化系統采集的數據遠比人工觀測數據豐富，且同步性好，為結構計算分析提供了豐富的原始數據，提高了結構計算的精度，可為工程安全評價和相關安全決策及時提供重要的參考依據和技術支持。

5 結 語

水利水電工程中大壩接縫灌漿施工是保證大壩正常運行的重要一環，為確保灌漿施工的質量，在灌漿施工過程中安全監測工作必不可少。本文以白鶴灘水電站為例，將自動化監測技術成功應用于接縫灌漿中。實踐證明，自動化監測技術遠遠優于傳統的人工監測手段;利用該技術高頻次、高精度、實時反饋以及經濟高效的優點，可為接縫灌漿提供全過程監測數據，為施工質量和灌漿效果提供有效保障，具有很強的實用價值。

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（編輯：李 慧）