非接觸式灌漿智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在抽水蓄能電站工程應(yīng)用研究

唐國(guó)峰，崔志剛，劉錦程，魯恩龍，趙緒新，葉紅星

（1.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江省牡丹江市 157000；2.北京大云物移智能科技有限公司，北京市 100144）

0 引言

抽水蓄能電站上、下水庫(kù)大壩、地下洞室群工程建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)水泥灌漿進(jìn)行基礎(chǔ)加固和防滲處理是提高壩基地質(zhì)體密實(shí)性和減小滲漏量的一項(xiàng)十分重要且有效的工程措施[1]。其灌漿質(zhì)量穩(wěn)定事關(guān)工程全生命期運(yùn)行安全，然而由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和漿液擴(kuò)散的不確定性，如何有效監(jiān)控灌漿施工質(zhì)量是工程建設(shè)質(zhì)量控制的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。當(dāng)前，灌漿施工作業(yè)過(guò)程主要依靠人工取樣和傳統(tǒng)灌漿記錄儀設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)灌漿施工作業(yè)監(jiān)控，雖實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工相關(guān)數(shù)據(jù)采集記錄，但存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度較差、數(shù)據(jù)共享難、安裝移動(dòng)不便、外部環(huán)境干預(yù)影響較大等諸多管理難題。為此需要研究一套新的灌漿施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控，解決傳統(tǒng)灌漿施工過(guò)程中質(zhì)量控制管理難題。

1 抽水蓄能電站灌漿施工特性與管理難點(diǎn)

1.1 灌漿施工數(shù)據(jù)采集質(zhì)量難以保障

現(xiàn)有灌漿施工過(guò)程大多采用質(zhì)量密度桶等接觸式檢測(cè)技術(shù)對(duì)灌漿質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)如圖1所示，但由于水泥漿液具有一定的附著性，質(zhì)量密度桶測(cè)量膜片極易被附著及磨損，極大地影響了灌漿質(zhì)量密度測(cè)量結(jié)果。同時(shí)，傳統(tǒng)數(shù)字灌漿技術(shù)數(shù)據(jù)多為在線(xiàn)采集記錄，灌漿數(shù)據(jù)傳輸及記錄的成果易受干擾，灌漿數(shù)據(jù)的時(shí)效性難以保證。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)灌漿記錄儀系統(tǒng)Figure 1 Theon-site grouting recorder system

1.2 隱蔽工程施工監(jiān)管難度較大

灌漿作業(yè)屬于隱蔽工程，一直都是水電工程施工質(zhì)量管理的核心與焦點(diǎn)。水泥灌漿常作為水利水電工程改善不良地基和大壩防滲處理的重要手段。但由于是隱蔽施工，施工對(duì)象的特征不確定，灌漿技術(shù)在很大程度上受操作人員的主動(dòng)性及施工的復(fù)雜工藝影響，施工過(guò)程難以直觀的表現(xiàn)，易出現(xiàn)違規(guī)的操作，影響灌漿工程的質(zhì)量[2]。當(dāng)前，工程灌漿施工管理通常依賴(lài)于作業(yè)隊(duì)伍專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)與責(zé)任，作業(yè)質(zhì)量及工程監(jiān)管難度較大，效率低，響應(yīng)慢，難以對(duì)工程建設(shè)過(guò)程各環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)、客觀、全面管控，無(wú)法滿(mǎn)足精細(xì)化施工控制要求。

1.3 灌漿施工智能化手段缺乏，無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控

目前，灌漿施工作業(yè)過(guò)程中雖采用了灌漿記錄儀等監(jiān)測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行管理，但多數(shù)情況下，業(yè)主及監(jiān)理工程師還無(wú)法實(shí)時(shí)掌握和控制所有作業(yè)點(diǎn)的質(zhì)量與進(jìn)度。為提升施工管理，保證工程質(zhì)量及提高工作效率，就迫切要求提高灌漿施工的自動(dòng)化與智能化，實(shí)現(xiàn)灌漿作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。

1.4 灌漿施工作業(yè)移動(dòng)頻繁，文明施工較差

文明施工是工程建設(shè)的主要內(nèi)容，灌漿施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是在洞室廊道內(nèi)，施工空間狹窄，限制條件較多。傳統(tǒng)灌漿記錄儀設(shè)備常分散安裝在作業(yè)地點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備亂停亂放、管線(xiàn)布置凌亂、人員穿越行走不便等問(wèn)題較為突出，不僅影響空間占用較大影響現(xiàn)場(chǎng)文明施工，同時(shí)，灌漿施工作業(yè)移動(dòng)頻繁，設(shè)備拆換移動(dòng)搬運(yùn)十分不便，往往給施工帶來(lái)不便。

2 非接觸式灌漿智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

針對(duì)抽水蓄能電站上述灌漿施工特性與管理難點(diǎn)，本文研發(fā)出非接觸式灌漿智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)主要由應(yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層組成，其主要系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌漿施工整體情況綜合展示，為工程建管人員提供灌漿施工在線(xiàn)監(jiān)管功能，包括灌漿施工進(jìn)度完成、施工作業(yè)分布、灌漿質(zhì)量數(shù)據(jù)及預(yù)警等信息，將現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一在系統(tǒng)展示，全面展示灌漿施工情況，有效解決灌漿施工監(jiān)管難題，為灌漿施工質(zhì)量控制提供監(jiān)管手段。

圖2 灌漿施工智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Figure 2 The architecture diagram of intelligent monitoring system for grouting construction

本文研發(fā)的灌漿施工智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：集成一體化設(shè)計(jì)、無(wú)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享和非接觸式檢測(cè)。

2.1 集成一體化設(shè)計(jì)

抽水蓄能電站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜，且灌漿施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面較大、設(shè)備頻繁移動(dòng)，傳統(tǒng)灌漿記錄儀設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工監(jiān)測(cè)過(guò)程中其設(shè)備分散布置安裝在作業(yè)面內(nèi)，設(shè)備較為凌亂，文明施工較差。采用非接觸式智能灌漿監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅解決灌漿質(zhì)量數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性難題，其裝置一體化設(shè)計(jì)更充分考慮現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工環(huán)境復(fù)雜性，作業(yè)移動(dòng)、安裝、維護(hù)便捷性等需求，基于工業(yè)化模塊設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建“可移動(dòng)、模塊化、一體化、可維護(hù)”新型灌漿監(jiān)測(cè)一體化裝置，其安裝使用打破傳統(tǒng)零散式安裝方法，將灌漿施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)涉及的流量、壓力、密度檢測(cè)設(shè)備集成在一個(gè)可移動(dòng)式裝置內(nèi)，裝置兩端法蘭接頭可與現(xiàn)場(chǎng)注漿軟管銜接，更加方便現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施。非接觸式灌漿監(jiān)測(cè)技術(shù)相比傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)具有測(cè)量精度高、易維護(hù)、安裝便捷、外部環(huán)境干預(yù)性較小等特點(diǎn)，更適合現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工況環(huán)境，擁有較好的延展性，更加適合未來(lái)發(fā)展需要。

2.2 無(wú)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享

傳統(tǒng)數(shù)字化灌漿監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)是利用現(xiàn)代化通信技術(shù)（自組網(wǎng)、WIFI、4G等網(wǎng)絡(luò)通信）實(shí)現(xiàn)異地間的監(jiān)測(cè)與診斷行為[7]，但灌漿施工現(xiàn)場(chǎng)常常面臨無(wú)正常網(wǎng)絡(luò)通信條件或組網(wǎng)通信代價(jià)較大情況，其數(shù)據(jù)共享、集中監(jiān)管難題依然存在。如圖3所示，非接觸式灌漿施工智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸，現(xiàn)場(chǎng)非接觸式灌漿記錄采集裝置具有獨(dú)立數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)防護(hù)、認(rèn)證機(jī)制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌漿過(guò)程原始數(shù)據(jù)記錄。在無(wú)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)灌漿管理移動(dòng)終端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)非接觸式灌漿記錄采集裝置進(jìn)行認(rèn)證，對(duì)灌漿過(guò)程記錄進(jìn)行離線(xiàn)采集，在具備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境地方移動(dòng)終端將采集的離線(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸至線(xiàn)上平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集共享，實(shí)現(xiàn)灌漿施工統(tǒng)一監(jiān)管，解決現(xiàn)場(chǎng)無(wú)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集、共享難題，打破“信息孤島”堡壘。

圖3 非接觸式灌漿數(shù)據(jù)采集共享機(jī)制Figure 3 Non contact grouting data acquisition and sharing mechanism

2.3 非接觸式灌漿智能檢測(cè)技術(shù)

2.3.1 非接觸式智能灌漿檢測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非接觸式智能灌漿智能檢測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以“移動(dòng)便攜、精準(zhǔn)采集、智能管控”為理念，在設(shè)計(jì)上充分考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝、移動(dòng)搬運(yùn)、設(shè)備維護(hù)等因素，采用模塊化組裝、集成一體的應(yīng)用方法，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)施便攜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 非接觸式灌漿檢測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Figure 4 The structure design of non-contact grouting inspection technology

該智能檢測(cè)設(shè)備一般以外夾方法安裝在所需測(cè)量介質(zhì)媒介上：

（1）可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌漿管路大小情況，提前預(yù)置一個(gè)可拆卸的管路（一般與現(xiàn)場(chǎng)注漿管路尺寸一致）；

（2）預(yù)支管路兩端設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)換螺母接頭，可直接用于和現(xiàn)場(chǎng)灌漿軟管的連接；

（3）將非接觸式檢測(cè)設(shè)備外夾至預(yù)置管路上，并安裝相關(guān)接收采集器；

（4）管路兩端與現(xiàn)場(chǎng)灌漿軟管螺頭直接相連。

2.3.2 非接觸式灌漿智能檢測(cè)技術(shù)基本原理

圖5中最核心的技術(shù)為非接觸式檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備采用伽馬射線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，伽馬射線(xiàn)法被普遍認(rèn)為是最精確的無(wú)損檢測(cè)方法，在儀器的感受元件不與被測(cè)物體表面接觸的情況下，即可獲取被測(cè)物體的各種外表或內(nèi)在的數(shù)據(jù)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)象非接觸檢測(cè)。

圖5 非接觸式伽馬射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)原理Figure 5 Principle of non-contact gamma ray detection technology

伽馬射線(xiàn)法的檢測(cè)原理建立在伽馬射線(xiàn)與物質(zhì)發(fā)生相互作用過(guò)程中，利用康普頓-吳有訓(xùn)散射效應(yīng)，根據(jù)γ射線(xiàn)穿透物質(zhì)能力與物質(zhì)密度成反比原理而得出測(cè)量物質(zhì)密度，進(jìn)而檢測(cè)灌漿漿液[4-6]。

該檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)在管道一側(cè)安裝γ射線(xiàn)源，另一側(cè)裝γ射線(xiàn)接收裝置，γ射線(xiàn)穿過(guò)被測(cè)管內(nèi)液體或物質(zhì)后部分被吸收，剩余部分射線(xiàn)被接收端器所接收，從而根據(jù)接收到的伽馬射線(xiàn)的衰減程度，計(jì)算出電離輻射通量的變化情況，測(cè)量計(jì)算得到被測(cè)介質(zhì)的密度。

（1）放射源發(fā)出γ射線(xiàn)；

（2）射線(xiàn)穿透?jìng)}壁和被測(cè)介質(zhì)；

（3）隨著介質(zhì)液面變化接收器處的γ射線(xiàn)強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)變化；

（4）接收器將輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。

2.3.3 非接觸式伽馬射線(xiàn)檢測(cè)泥漿密度數(shù)據(jù)方法模型

放射源在衰變過(guò)程中穩(wěn)定的放出一定強(qiáng)度的γ射線(xiàn)，射線(xiàn)穿過(guò)管道或容器中的被測(cè)介質(zhì)，并被測(cè)介質(zhì)吸收后衰減，介質(zhì)密度越大衰減越大。

管道被測(cè)介質(zhì)密度計(jì)算公式：

式中：Cn0——未穿過(guò)待測(cè)樣品時(shí)的計(jì)數(shù)率；

Cnt——穿過(guò)待測(cè)樣品后的計(jì)數(shù)率；

D——射線(xiàn)穿過(guò)待測(cè)樣品的管徑；

μ——介質(zhì)質(zhì)量吸收系數(shù)；

ρ——被測(cè)介質(zhì)密度；

STD——標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)密度。

本項(xiàng)目采用伽馬射線(xiàn)技術(shù)裝置其放射源活度小于106Bq，低于標(biāo)準(zhǔn)要求的豁免活度水平，符合《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，具有國(guó)家環(huán)保部門(mén)的全國(guó)豁免使用證明，可直接使用且對(duì)人體沒(méi)有直接傷害。伽馬射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌漿質(zhì)量數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的檢測(cè)，同時(shí)其檢測(cè)結(jié)果不受外部環(huán)境干預(yù)影響，相比傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)技術(shù)其數(shù)據(jù)質(zhì)量更高效、更精準(zhǔn)，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工質(zhì)量檢測(cè)需求。

3 非接觸式灌漿監(jiān)測(cè)技術(shù)在荒溝抽水蓄能電站應(yīng)用

黑龍江荒溝抽水蓄能電站上水庫(kù)庫(kù)岸、主壩、副壩等均設(shè)計(jì)有帷幕灌漿，同時(shí)洞室內(nèi)也設(shè)計(jì)有固結(jié)灌漿和回填灌漿，整個(gè)工程灌漿量較大。其施工質(zhì)量直接關(guān)系到電站安全和后期能否正常運(yùn)行，質(zhì)量管控難度較大。2019～2020年，現(xiàn)場(chǎng)分別在大壩段帷幕灌漿、進(jìn)出水口段固結(jié)灌漿和回填灌漿施工部位采用了非接觸式灌漿監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌漿質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)帷幕、固結(jié)、回填灌漿應(yīng)用Figure 6 The on-site application of curtain，consolidation，backfill grouting

圖7為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，通過(guò)非接觸式灌漿監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌漿施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)影響施工質(zhì)量的各種關(guān)鍵控制參數(shù)進(jìn)行跟蹤分析與預(yù)警，及時(shí)預(yù)警施工人員及管理人員采取工程措施確保施工質(zhì)量，使得工程建設(shè)管理人員能全過(guò)程、實(shí)時(shí)、有效控制工程施工質(zhì)量。現(xiàn)場(chǎng)非接觸式灌漿記錄儀系統(tǒng)和在線(xiàn)灌漿施工智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖7所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況證實(shí)了非接觸式灌漿監(jiān)測(cè)技術(shù)在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)灌漿記錄儀灌漿數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理要求基礎(chǔ)上，相比傳統(tǒng)灌漿施工過(guò)程質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)、更高效，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了良好效果，非接觸式監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工質(zhì)量過(guò)程控制起到重要作用。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)灌漿施工在線(xiàn)監(jiān)測(cè)Figure 7 On line monitoring of grouting construction

現(xiàn)場(chǎng)采用非接觸式灌漿檢測(cè)的水泥漿液密度數(shù)據(jù)與采用傳統(tǒng)接觸式密度檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。從表中可以明顯看出，與傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)相比，采用本文提出的非接觸式伽馬射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)比重測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值誤差較小，常用水灰比下的差值均值僅為0.00375，而傳統(tǒng)接觸式檢測(cè)結(jié)果差值較大，其均值為0.024，誤差較大。也充分說(shuō)明了本文提出的非接觸式灌漿檢測(cè)技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)灌漿質(zhì)量數(shù)據(jù)采集更為精準(zhǔn)，更加精準(zhǔn)測(cè)量反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工注漿質(zhì)量情況。

表1 密度檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 1 The density test data comparison table

4 結(jié)語(yǔ)

大型水電工程建設(shè)和運(yùn)行面臨更加復(fù)雜的自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境，需要運(yùn)用數(shù)字化、信息化、智能控制技術(shù)，落實(shí)精細(xì)化管理措施，從而保證施工質(zhì)量和工程全壽命周期的安全可靠運(yùn)行[8]。灌漿施工自動(dòng)化、智能化是灌漿技術(shù)發(fā)展和管理管理提升的重要方向，通過(guò)在荒溝電站開(kāi)展非接觸式灌漿智能監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究，證實(shí)了非接觸式伽馬射線(xiàn)技術(shù)在灌漿質(zhì)量檢測(cè)可行性，驗(yàn)證了非接觸式測(cè)量數(shù)據(jù)精度，建立了非接觸式灌漿智能檢測(cè)成套技術(shù)方法。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)展非接觸式灌漿智能監(jiān)測(cè)技術(shù)研究試驗(yàn)與工程應(yīng)用，不斷創(chuàng)新與探索灌漿工程質(zhì)量控制方法，更好地適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)踐的現(xiàn)實(shí)要求，建立了新型一體化灌漿監(jiān)測(cè)設(shè)備，推動(dòng)灌漿監(jiān)測(cè)成套設(shè)備技術(shù)革新，為提升灌漿工程施工質(zhì)量控制與保障打下了良好的基礎(chǔ)。