唐國峰，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、下水庫大壩、地下洞室群工程建設(shè)過程中，通過水泥灌漿進行基礎(chǔ)加固和防滲處理是提高壩基地質(zhì)體密實性和減小滲漏量的一項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)工程全生命期運行安全，然而由于工程地質(zhì)條件的復雜性和漿液擴散的不確定性，如何有效監(jiān)控灌漿施工質(zhì)量是工程建設(shè)質(zhì)量控制的研究熱點與難點。當前，灌漿施工作業(yè)過程主要依靠人工取樣和傳統(tǒng)灌漿記錄儀設(shè)備實現(xiàn)對灌漿施工作業(yè)監(jiān)控，雖實現(xiàn)對現(xiàn)場灌漿施工相關(guān)數(shù)據(jù)采集記錄，但存在監(jiān)測數(shù)據(jù)精準度較差、數(shù)據(jù)共享難、安裝移動不便、外部環(huán)境干預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)測技術(shù)實現(xiàn)對現(xiàn)場灌漿施工過程質(zhì)量監(jiān)控，解決傳統(tǒng)灌漿施工過程中質(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

1.1 灌漿施工數(shù)據(jù)采集質(zhì)量難以保障

現(xiàn)有灌漿施工過程大多采用質(zhì)量密度桶等接觸式檢測技術(shù)對灌漿質(zhì)量進行在線監(jiān)測如圖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)量密度測量結(jié)果。同時，傳統(tǒng)數(shù)字灌漿技術(shù)數(shù)據(jù)多為在線采集記錄，灌漿數(shù)據(jù)傳輸及記錄的成果易受干擾，灌漿數(shù)據(jù)的時效性難以保證。

圖1 現(xiàn)場灌漿記錄儀系統(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。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性及施工的復雜工藝影響，施工過程難以直觀的表現(xiàn)，易出現(xiàn)違規(guī)的操作，影響灌漿工程的質(zhì)量[2]。當前，工程灌漿施工管理通常依賴于作業(yè)隊伍專業(yè)素養(yǎng)與責任，作業(yè)質(zhì)量及工程監(jiān)管難度較大，效率低，響應(yīng)慢，難以對工程建設(shè)過程各環(huán)節(jié)進行實時、客觀、全面管控，無法滿足精細化施工控制要求。

1.3 灌漿施工智能化手段缺乏，無法遠程監(jiān)控

目前，灌漿施工作業(yè)過程中雖采用了灌漿記錄儀等監(jiān)測技術(shù)手段進行管理，但多數(shù)情況下，業(yè)主及監(jiān)理工程師還無法實時掌握和控制所有作業(yè)點的質(zhì)量與進度。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化與智能化，實現(xiàn)灌漿作業(yè)的遠程監(jiān)控[3]。

1.4 灌漿施工作業(yè)移動頻繁，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)場環(huán)境較為復雜，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，現(xiàn)場設(shè)備亂停亂放、管線布置凌亂、人員穿越行走不便等問題較為突出，不僅影響空間占用較大影響現(xiàn)場文明施工，同時，灌漿施工作業(yè)移動頻繁，設(shè)備拆換移動搬運十分不便，往往給施工帶來不便。

2 非接觸式灌漿智能監(jiān)測技術(shù)

針對抽水蓄能電站上述灌漿施工特性與管理難點，本文研發(fā)出非接觸式灌漿智能監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)主要由應(yīng)用層、平臺層、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)實現(xiàn)了對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監(jiān)管功能，包括灌漿施工進度完成、施工作業(yè)分布、灌漿質(zhì)量數(shù)據(jù)及預警等信息，將現(xiàn)場灌漿施工過程質(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)測系統(tǒng)包括：集成一體化設(shè)計、無網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享和非接觸式檢測。

2.1 集成一體化設(shè)計

抽水蓄能電站現(xiàn)場環(huán)境條件復雜，且灌漿施工現(xiàn)場作業(yè)面較大、設(shè)備頻繁移動，傳統(tǒng)灌漿記錄儀設(shè)備在現(xiàn)場灌漿施工監(jiān)測過程中其設(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)測技術(shù)不僅解決灌漿質(zhì)量數(shù)據(jù)采集精準、數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性難題，其裝置一體化設(shè)計更充分考慮現(xiàn)場灌漿施工環(huán)境復雜性，作業(yè)移動、安裝、維護便捷性等需求，基于工業(yè)化模塊設(shè)計思想，構(gòu)建“可移動、模塊化、一體化、可維護”新型灌漿監(jiān)測一體化裝置，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)測涉及的流量、壓力、密度檢測設(shè)備集成在一個可移動式裝置內(nèi)，裝置兩端法蘭接頭可與現(xiàn)場注漿軟管銜接，更加方便現(xiàn)場安裝實施。非接觸式灌漿監(jiān)測技術(shù)相比傳統(tǒng)接觸式檢測具有測量精度高、易維護、安裝便捷、外部環(huán)境干預性較小等特點，更適合現(xiàn)場復雜的工況環(huán)境，擁有較好的延展性，更加適合未來發(fā)展需要。

2.2 無網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享

傳統(tǒng)數(shù)字化灌漿監(jiān)測信息系統(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）實現(xiàn)異地間的監(jiān)測與診斷行為[7]，但灌漿施工現(xiàn)場常常面臨無正常網(wǎng)絡(luò)通信條件或組網(wǎng)通信代價較大情況，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)測系統(tǒng)不僅實現(xiàn)對有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)實時采集、傳輸，現(xiàn)場非接觸式灌漿記錄采集裝置具有獨立數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)防護、認證機制，對現(xiàn)場灌漿過程原始數(shù)據(jù)記錄。在無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，可通過現(xiàn)場灌漿管理移動終端對現(xiàn)場非接觸式灌漿記錄采集裝置進行認證，對灌漿過程記錄進行離線采集，在具備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境地方移動終端將采集的離線數(shù)據(jù)自動傳輸至線上平臺，實現(xiàn)了無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)采集共享，實現(xiàn)灌漿施工統(tǒng)一監(jiān)管，解決現(xiàn)場無網(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)采集共享機制Figure 3 Non contact grouting data acquisition and sharing mechanism

2.3 非接觸式灌漿智能檢測技術(shù)

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

非接觸式智能灌漿智能檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計以“移動便攜、精準采集、智能管控”為理念，在設(shè)計上充分考慮現(xiàn)場設(shè)備安裝、移動搬運、設(shè)備維護等因素，采用模塊化組裝、集成一體的應(yīng)用方法，現(xiàn)場應(yīng)用實施便攜，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

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

該智能檢測設(shè)備一般以外夾方法安裝在所需測量介質(zhì)媒介上：

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

（2）預支管路兩端設(shè)計為轉(zhuǎn)換螺母接頭，可直接用于和現(xiàn)場灌漿軟管的連接；

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

（4）管路兩端與現(xiàn)場灌漿軟管螺頭直接相連。

2.3.2 非接觸式灌漿智能檢測技術(shù)基本原理

圖5中最核心的技術(shù)為非接觸式檢測設(shè)備，該設(shè)備采用伽馬射線進行檢測，伽馬射線法被普遍認為是最精確的無損檢測方法，在儀器的感受元件不與被測物體表面接觸的情況下，即可獲取被測物體的各種外表或內(nèi)在的數(shù)據(jù)特征，實現(xiàn)對象非接觸檢測。

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

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

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

（1）放射源發(fā)出γ射線；

（2）射線穿透倉壁和被測介質(zhì)；

（3）隨著介質(zhì)液面變化接收器處的γ射線強度會相應(yīng)變化；

（4）接收器將輻射轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

2.3.3 非接觸式伽馬射線檢測泥漿密度數(shù)據(jù)方法模型

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

管道被測介質(zhì)密度計算公式：

式中：Cn0——未穿過待測樣品時的計數(shù)率；

Cnt——穿過待測樣品后的計數(shù)率；

D——射線穿過待測樣品的管徑；

μ——介質(zhì)質(zhì)量吸收系數(shù)；

ρ——被測介質(zhì)密度；

STD——標準物質(zhì)密度。

本項目采用伽馬射線技術(shù)裝置其放射源活度小于106Bq，低于標準要求的豁免活度水平，符合《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》規(guī)定，具有國家環(huán)保部門的全國豁免使用證明，可直接使用且對人體沒有直接傷害。伽馬射線檢測技術(shù)應(yīng)用不僅實現(xiàn)了對現(xiàn)場灌漿質(zhì)量數(shù)據(jù)快速、準確、穩(wěn)定的檢測，同時其檢測結(jié)果不受外部環(huán)境干預影響，相比傳統(tǒng)接觸式檢測技術(shù)其數(shù)據(jù)質(zhì)量更高效、更精準，滿足現(xiàn)場灌漿施工質(zhì)量檢測需求。

3 非接觸式灌漿監(jiān)測技術(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庫岸、主壩、副壩等均設(shè)計有帷幕灌漿，同時洞室內(nèi)也設(shè)計有固結(jié)灌漿和回填灌漿，整個工程灌漿量較大。其施工質(zhì)量直接關(guān)系到電站安全和后期能否正常運行，質(zhì)量管控難度較大。2019～2020年，現(xiàn)場分別在大壩段帷幕灌漿、進出水口段固結(jié)灌漿和回填灌漿施工部位采用了非接觸式灌漿監(jiān)測技術(shù)對現(xiàn)場灌漿質(zhì)量進行監(jiān)測，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場帷幕、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)場應(yīng)用，通過非接觸式灌漿監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)灌漿施工實時監(jiān)測，對影響施工質(zhì)量的各種關(guān)鍵控制參數(shù)進行跟蹤分析與預警，及時預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)管理人員能全過程、實時、有效控制工程施工質(zhì)量?，F(xiàn)場非接觸式灌漿記錄儀系統(tǒng)和在線灌漿施工智能監(jiān)測系統(tǒng)如圖7所示。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況證實了非接觸式灌漿監(jiān)測技術(shù)在滿足現(xiàn)場灌漿記錄儀灌漿數(shù)據(jù)監(jiān)測管理要求基礎(chǔ)上，相比傳統(tǒng)灌漿施工過程質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)更精準、更高效，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好效果，非接觸式監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用對現(xiàn)場灌漿施工質(zhì)量過程控制起到重要作用。

圖7 現(xiàn)場灌漿施工在線監(jiān)測Figure 7 On line monitoring of grouting construction

現(xiàn)場采用非接觸式灌漿檢測的水泥漿液密度數(shù)據(jù)與采用傳統(tǒng)接觸式密度檢測數(shù)據(jù)對比如表1所示。從表中可以明顯看出，與傳統(tǒng)接觸式檢測相比，采用本文提出的非接觸式伽馬射線檢測結(jié)果與試驗比重測量標準值誤差較小，常用水灰比下的差值均值僅為0.00375，而傳統(tǒng)接觸式檢測結(jié)果差值較大，其均值為0.024，誤差較大。也充分說明了本文提出的非接觸式灌漿檢測技術(shù)對現(xiàn)場灌漿質(zhì)量數(shù)據(jù)采集更為精準，更加精準測量反應(yīng)現(xiàn)場施工注漿質(zhì)量情況。

表1 密度檢測數(shù)據(jù)對比表Table 1 The density test data comparison table

4 結(jié)語

大型水電工程建設(shè)和運行面臨更加復雜的自然環(huán)境和社會環(huán)境，需要運用數(shù)字化、信息化、智能控制技術(shù)，落實精細化管理措施，從而保證施工質(zhì)量和工程全壽命周期的安全可靠運行[8]。灌漿施工自動化、智能化是灌漿技術(shù)發(fā)展和管理管理提升的重要方向，通過在荒溝電站開展非接觸式灌漿智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究，證實了非接觸式伽馬射線技術(shù)在灌漿質(zhì)量檢測可行性，驗證了非接觸式測量數(shù)據(jù)精度，建立了非接觸式灌漿智能檢測成套技術(shù)方法。同時，通過開展非接觸式灌漿智能監(jiān)測技術(shù)研究試驗與工程應(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)實踐的現(xiàn)實要求，建立了新型一體化灌漿監(jiān)測設(shè)備，推動灌漿監(jiān)測成套設(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)。