自動化監(jiān)測技術(shù)在白鶴灘水電站橫縫灌漿中的應(yīng)用

史波 柯傳芳 張宇 劉少偉

摘要：自動化監(jiān)測技術(shù)具有高頻次、高精度、實時反饋以及經(jīng)濟(jì)高效等特點，成為智能大壩建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而在大壩施工期的自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)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(jiān)測的要求，對施工期自動化監(jiān)測技術(shù)的方案設(shè)計與實施進(jìn)行了闡述。監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明：施工期自動化監(jiān)測技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)人工監(jiān)測手段，滿足接縫灌漿對安全監(jiān)測的需求，可為接縫灌漿施工質(zhì)量提供重要的參考依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：大壩接縫灌漿;橫縫開合度;自動化監(jiān)測技術(shù);施工期;白鶴灘水電站

中圖法分類號：TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.005

1 研究背景

水利工程的施工質(zhì)量問題一直是人們關(guān)注的熱點，它不僅直接影響到大壩的安全運行和效益發(fā)揮，更與壩下游人民的生命財產(chǎn)、社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境等密切相關(guān)[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(huán)節(jié)。為了保證接縫灌漿施工質(zhì)量，同時避免已灌區(qū)域的二次張開影響大壩工程結(jié)構(gòu)的整體性和強(qiáng)度，需要在灌漿過程中對相應(yīng)施工部位進(jìn)行變形監(jiān)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(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范來判斷施工質(zhì)量，有時并不符合科學(xué)規(guī)律。而且，在施工過程中采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測的手段無法準(zhǔn)確把握橫縫在灌漿過程中的張開度情況，無法準(zhǔn)確科學(xué)地指導(dǎo)灌漿施工，導(dǎo)致在灌漿過程中出現(xiàn)已灌區(qū)二次張開的現(xiàn)象[4]。

橫縫開合度是指導(dǎo)接縫灌漿施工、評價施工質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，在灌漿施工過程中想要達(dá)到監(jiān)測指導(dǎo)科學(xué)施工的目的，需要更高的監(jiān)測頻次，而傳統(tǒng)的人工監(jiān)測頻次最高只能達(dá)到1 d一次，無法滿足這一需求，須引進(jìn)高頻次、高精度的監(jiān)測技術(shù)。此外，智能大壩和數(shù)字大壩建設(shè)對大壩安全監(jiān)測提出了更高的要求。自動化監(jiān)測技術(shù)具有高頻次、高精度等優(yōu)點，成為目前大壩安全監(jiān)測技術(shù)研究的熱點[5]。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)水電站在運行期實行自動化監(jiān)測的高達(dá)87.5%，而在施工期實施自動化監(jiān)測的幾乎沒有。造成這一現(xiàn)象的主要原因：施工期現(xiàn)場環(huán)境差，自動化設(shè)備在施工現(xiàn)場容易被破壞，且無穩(wěn)定電源、通訊困難等[6]。

如今，計算機(jī)和無線通訊技術(shù)的推廣和普及，為自動化監(jiān)測技術(shù)的實現(xiàn)提供了重要的技術(shù)保障[7]。將高頻次、高精度的自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到大壩接縫灌漿施工過程中，進(jìn)行實時監(jiān)測和反饋顯得尤為重要[8]。本文將自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在接縫灌漿施工過程中，結(jié)果表明：施工期自動化監(jiān)測技術(shù)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(jiān)測數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測具有明顯的優(yōu)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(fā)電系統(tǒng)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(shè)水墊塘和二道壩。泄洪設(shè)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(qū)布置上，第一灌區(qū)高度為11 m，其余灌區(qū)高度為9m，接縫灌漿自下而上進(jìn)行分層施工，從大壩中部向兩岸推進(jìn)。接縫灌漿主要目的是對大壩接縫進(jìn)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(xiàn)象出現(xiàn)，保證并延長大壩的使用壽命[8]。灌漿過程中，嚴(yán)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(zhǔn)。接縫灌漿工作流程為：首先進(jìn)行漿液檢測，檢測合格后方可進(jìn)行灌注;開始灌注的同時上部灌區(qū)通循環(huán)水、相鄰縫通平壓水，同步進(jìn)行橫縫測縫計監(jiān)測;回漿管回漿漿液相對密度檢測合格后關(guān)閉回漿管;排氣管出漿，檢測漿液相對密度合格關(guān)閉排氣管;緩慢提高灌漿壓力，同時監(jiān)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(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)漿壓力和平壓水壓力，保證開合度在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);當(dāng)吸漿壓力不大于0.4 L/min時，屏漿20 min，停機(jī)灌漿結(jié)束。

在實際灌漿過程中，根據(jù)需求按照1次10 min至1次1 min的頻次進(jìn)行，傳統(tǒng)人工監(jiān)測手段無法滿足這一頻次要求，須采用自動化監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)實時采集、傳輸、處理、存儲和發(fā)布。在緩慢增加灌漿壓力時，需要實時監(jiān)測橫縫開度變化情況，通過實時反饋監(jiān)測結(jié)果，動態(tài)調(diào)整進(jìn)漿壓力和平壓水壓力。為探究自動化監(jiān)測技術(shù)在接縫灌漿中的應(yīng)用，選取一層灌區(qū)進(jìn)行試驗，部分橫縫測縫計布置見圖1。

3 施工期自動化監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計與實施

3.1 施工期監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

白鶴灘水電站大壩施工期監(jiān)測自動化系統(tǒng)包括監(jiān)測儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)采集裝置、計算機(jī)及外部設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、電源及防護(hù)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集軟件和安全監(jiān)測管理軟件等。采用現(xiàn)場測站（廊道外臨時測站和廊道內(nèi)永久測站）和中心管理站（布設(shè)在業(yè)主營地機(jī)房，設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)器、工作站計算機(jī)等）兩層次構(gòu)架。目前，已完成廊道外臨時測站自動化布設(shè)（見圖2）。

3.2 施工期監(jiān)測自動化系統(tǒng)實施

（1）臨時測站布設(shè)。目前，通過預(yù)埋管牽引至廊道的監(jiān)測儀器，成功實現(xiàn)廊道外臨時測站監(jiān)測自動化。由于廊道養(yǎng)護(hù)期間廊道內(nèi)封閉且潮濕，通過接長電纜或者采用無線設(shè)備將信號傳輸至廊道外的4G信號覆蓋區(qū)域，設(shè)置臨時測站安裝MCU，實現(xiàn)自動化（見圖3）。

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

（3）MCU安裝調(diào)試。①測控裝置采用全密封防水不銹鋼機(jī)箱，所有電纜進(jìn)出口全部采用防水密封緊固接口以防止水汽侵入。機(jī)箱底部采用塑料密封接頭，所有部件固定在機(jī)箱安裝鋼板上，智能數(shù)據(jù)采集模塊安裝在機(jī)箱內(nèi)。②根據(jù)傳感器電纜的設(shè)計編號，依據(jù)類型將監(jiān)測站內(nèi)的傳感器電纜理順。分別從機(jī)箱左右兩側(cè)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(yīng)布設(shè)整潔、美觀。觀測房（站）、廊道中的各種電纜采用電纜槽敷設(shè)或沿已有的電纜架敷設(shè)牽引。④通過電源電纜從監(jiān)測管理站的UPS引入交流電，通過AC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電對測控裝置進(jìn)行統(tǒng)一供電。⑤機(jī)箱外殼接地、直流電工作接地和電纜屏蔽層接地應(yīng)在同一機(jī)箱中，采用一個公共接地端子。機(jī)箱安裝完畢后，引出接地端子與大壩公用接地網(wǎng)連接，現(xiàn)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(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在已完成的白鶴灘水電站接縫灌漿工作中，自動化監(jiān)測技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。自動化監(jiān)測技術(shù)覆蓋了灌漿全過程，取得了豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證了施工質(zhì)量和灌漿效果。以第一層灌區(qū)的接縫灌漿施工為例，該層灌區(qū)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(jìn)。其中，該層灌區(qū)涉及到橫縫測縫計6支，自動化監(jiān)測采用10 min一次的監(jiān)測頻次，遇數(shù)據(jù)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(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)有相應(yīng)的響應(yīng);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(jiān)測技術(shù)成功監(jiān)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(guān)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(jiān)測頻率達(dá)到10 min一次，獲得了豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)。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(dá)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(guān)，自動化監(jiān)測技術(shù)準(zhǔn)確捕捉了橫縫開合度的整個變化過程。兩組數(shù)據(jù)相互印證，且與現(xiàn)場施工特點符合較好，說明了自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)精確可靠。

4.2 施工期自動化監(jiān)測總結(jié)

將自動化監(jiān)測技術(shù)成功應(yīng)用于白鶴灘水電站施工期接縫灌漿中。綜合第一層灌區(qū)的監(jiān)測成果分析，可得出以下結(jié)論：①施工期安全監(jiān)測自動化技術(shù)頻次高、精度高，準(zhǔn)確捕捉了灌漿過程中橫縫開合度的整個變化過程，達(dá)到了動態(tài)調(diào)整進(jìn)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(dǎo)作用。②施工期安全監(jiān)測自動化技術(shù)有利于多測點短期同步觀測、在線適時觀測、遠(yuǎn)程控制觀測和傳輸?shù)?，對實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測、實時反饋、現(xiàn)代化管理具有重要意義。③實現(xiàn)工程安全穩(wěn)定動態(tài)分析。人工觀測包含了部分人為誤差，需對異常數(shù)據(jù)現(xiàn)場復(fù)測和仔細(xì)校核，增加了工程安全穩(wěn)定分析的難度，且耗時較多。自動化系統(tǒng)可避免人為誤差，對監(jiān)測數(shù)據(jù)快速整理分析并進(jìn)行初步評判，實現(xiàn)工程安全穩(wěn)定動態(tài)分析。同時，自動化系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比人工觀測數(shù)據(jù)豐富，且同步性好，為結(jié)構(gòu)計算分析提供了豐富的原始數(shù)據(jù)，提高了結(jié)構(gòu)計算的精度，可為工程安全評價和相關(guān)安全決策及時提供重要的參考依據(jù)和技術(shù)支持。

5 結(jié) 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(huán)，為確保灌漿施工的質(zhì)量，在灌漿施工過程中安全監(jiān)測工作必不可少。本文以白鶴灘水電站為例，將自動化監(jiān)測技術(shù)成功應(yīng)用于接縫灌漿中。實踐證明，自動化監(jiān)測技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段;利用該技術(shù)高頻次、高精度、實時反饋以及經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點，可為接縫灌漿提供全過程監(jiān)測數(shù)據(jù)，為施工質(zhì)量和灌漿效果提供有效保障，具有很強(qiáng)的實用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂永寧，王玉潔，沈海堯. 水電站大壩安全監(jiān)測自動化的現(xiàn)狀和展望[J]. 大壩與安全，2007（5）：24-29.

[2] 谷云靜. ?水庫大壩安全自動化監(jiān)測問題研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.

[3] 程浩，張忠舉. 振弦式測縫計在碾壓混凝土壩段接縫位移監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，37（5）：72-75，87.

[4] 張熊君. 溪洛渡雙曲拱壩接縫灌漿施工[J]. 水電與新能源，2014（11）：24-27.

[5] 彭虹. 我國大壩安全監(jiān)測自動化的演進(jìn)與拓展[J]. 大壩與安全，2003（6）：13-18.

[6] 茍曉麗. 施工期大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的實施技術(shù)探討[J]. 水電自動化與大壩監(jiān)測，2014，38（1）：39-42.

[7] 趙花城. 水電站大壩安全監(jiān)測自動化現(xiàn)狀與發(fā)展目標(biāo)[J]. 大壩與安全，2001（2）：34-37，44.

[8] 李署澤，周發(fā)海. 構(gòu)皮灘水電站大壩接縫灌漿施工技術(shù)[J]. 水利水電施工，2013（2）：75-78.

（編輯：李 慧）