史波 柯傳芳 張宇 劉少偉

摘要：自動化監(jiān)測技術具有高頻次、高精度、實時反饋以及經(jīng)濟高效等特點，成為智能大壩建設不可或缺的關鍵環(huán)節(jié)，而在大壩施工期的自動化監(jiān)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(jiān)測的要求，對施工期自動化監(jiān)測技術的方案設計與實施進行了闡述。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量提供重要的參考依據(jù)和技術支持。

關鍵詞：大壩接縫灌漿;橫縫開合度;自動化監(jiān)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(fā)揮，更與壩下游人民的生命財產(chǎn)、社會經(jīng)濟建設和生態(tài)環(huán)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(huán)節(jié)。為了保證接縫灌漿施工質量，同時避免已灌區(qū)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(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)驗和相關規(guī)范來判斷施工質量，有時并不符合科學規(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(xiàn)已灌區(qū)二次張開的現(xiàn)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(jiān)測指導科學施工的目的，需要更高的監(jiān)測頻次，而傳統(tǒng)的人工監(jiān)測頻次最高只能達到1 d一次，無法滿足這一需求，須引進高頻次、高精度的監(jiān)測技術。此外，智能大壩和數(shù)字大壩建設對大壩安全監(jiān)測提出了更高的要求。自動化監(jiān)測技術具有高頻次、高精度等優(yōu)點，成為目前大壩安全監(jiān)測技術研究的熱點[5]。據(jù)統(tǒng)計，國內水電站在運行期實行自動化監(jiān)測的高達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，計算機和無線通訊技術的推廣和普及，為自動化監(jiān)測技術的實現(xiàn)提供了重要的技術保障[7]。將高頻次、高精度的自動化監(jiān)測技術應用到大壩接縫灌漿施工過程中，進行實時監(jiān)測和反饋顯得尤為重要[8]。本文將自動化監(jiān)測技術應用在接縫灌漿施工過程中，結果表明：施工期自動化監(jiān)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(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(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(xiàn)象出現(xiàn)，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(qū)通循環(huán)水、相鄰縫通平壓水，同步進行橫縫測縫計監(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(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)調節(jié)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(jù)需求按照1次10 min至1次1 min的頻次進行，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)測技術進行數(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)測結果，動態(tài)調整進漿壓力和平壓水壓力。為探究自動化監(jiān)測技術在接縫灌漿中的應用，選取一層灌區(qū)進行試驗，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)方案設計與實施

3.1 施工期監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體結構

白鶴灘水電站大壩施工期監(jiān)測自動化系統(tǒng)包括監(jiān)測儀器設備、數(shù)據(jù)采集裝置、計算機及外部設備、網(wǎng)絡通信設備、電源及防護設備、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永久測站）和中心管理站（布設在業(yè)主營地機房，設置數(shù)據(jù)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(jiān)測自動化系統(tǒng)實施

（1）臨時測站布設。目前，通過預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(qū)域，設置臨時測站安裝MCU，實現(xiàn)自動化（見圖3）。

（2）通信電纜牽引及保護。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(shù)據(jù)采集模塊安裝在機箱內。②根據(jù)傳感器電纜的設計編號，依據(jù)類型將監(jiān)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(jiān)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(tǒng)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(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)測技術發(fā)揮了重要的作用。自動化監(jiān)測技術覆蓋了灌漿全過程，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。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(jiān)測技術成功監(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(jiān)測技術準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

將自動化監(jiān)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(qū)的監(jiān)測成果分析，可得出以下結論：①施工期安全監(jiān)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(tài)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(jiān)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?shù)龋瑢崿F(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)場復測和仔細校核，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)遠比人工觀測數(shù)據(jù)豐富，且同步性好，為結構計算分析提供了豐富的原始數(shù)據(jù)，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(jù)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(huán)，為確保灌漿施工的質量，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)測技術成功應用于接縫灌漿中。實踐證明，自動化監(jiān)測技術遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段;利用該技術高頻次、高精度、實時反饋以及經(jīng)濟高效的優(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）