劉 勇，趙 偉

（1.山東弘潤建設(shè)集團有限公司，山東 聊城 252000；2.聊城市位山灌區(qū)管理處，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著水庫電站運行時間的變長，大壩的老化是客觀規(guī)律，尤其是針對河床式水電站，大壩閘門啟閉相對頻繁，大壩閘墩運行維護難度較大，容易產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)疲勞疏松或強度降低，并產(chǎn)生裂縫滲漏現(xiàn)象，若不進行及時處理，會引起鋼筋銹蝕和析鈣，引起大壩結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對整個大壩安全產(chǎn)生嚴重威脅[1]。對河床式水電站大壩閘墩滲漏裂縫處理難度很大，也是諸多學(xué)者研究的熱點問題，也提出了許多處理方法。李才、李正國等在豐滿大壩溢流壩段閘墩加固中提出了水平對穿錨索縫內(nèi)灌漿法[2，3]，結(jié)合有限元法模擬方法，在裂縫處理澆筑過程中結(jié)合應(yīng)力分布分析進行處理，雖然取得了較好的效果，但是該方法未必適合河床式水電站大壩閘墩群的滲漏裂縫處理。王健提出了基于ANSYS軟件的三維整體式和組合式有限元模型[4]，建議選用SCC自密實混凝土灌漿嵌縫、體外粘貼CFRP碳纖維網(wǎng)格布的方法，但更加注重理論分析和計算機仿真。覃杰等在巖灘水電站溢流壩閘墩尾部表面裂縫檢測及處理過程中，提出了結(jié)合超聲波檢測的化灌深度處理方法[5]，雖效果較好但是要在每個閘墩裂縫處布置超聲波探測儀，成本很高不經(jīng)濟。

隨著物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的發(fā)展，很多大壩閘墩實現(xiàn)了基于揚壓力的在線實時滲漏監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)采用云技術(shù)的大數(shù)據(jù)積累，大壩閘墩群之間可以進行大數(shù)據(jù)分析對比和預(yù)測預(yù)警。這為基于揚壓力實時監(jiān)測的大壩閘墩滲漏處理方法的研究提供了基礎(chǔ)。筆者有幸參與了本項研究工作，并將研究成果應(yīng)用到實踐，以最經(jīng)濟的成本完成了案例大壩的閘墩群滲漏裂縫的處理，并取得很好的效果。

1 總體方案設(shè)計

一般河床式水電站大壩閘門孔數(shù)較多，形成閘墩群，一般揚壓力監(jiān)測點分布在閘墩靠閘門兩側(cè)，分為左右兩個實時監(jiān)測點。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，揚壓力物聯(lián)網(wǎng)傳感器種類繁多，針對不同水下環(huán)境可以多種設(shè)備相互配合，如精密型測壓計、滲壓計、電測水位計、測深鐘等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備相互配合，使得采集數(shù)據(jù)異構(gòu)多樣，采集的數(shù)據(jù)可以接入無線發(fā)射終端，傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫中，同時可以在大壩管理中心或集控中心工作站中顯示數(shù)據(jù)[6]。多元異構(gòu)數(shù)據(jù)首先通過ETL數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺進行預(yù)處理，再通過HADOOP大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行過濾、清洗、預(yù)處理等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準性、可靠性和完整性[7]。然后數(shù)據(jù)通過揚壓力分析單元，在各閘墩實時水頭或平均水頭下，分析浮托力和滲壓力，即分析閘墩監(jiān)測點揚壓力大小、分布和變化過程。揚壓力分析單元的核心作用是進行失真和丟包處理，如何進行處理是一個值得研究的關(guān)鍵技術(shù)問題，將在后面章節(jié)中描述。揚壓力分析單元的數(shù)據(jù)將以方程組的形式存儲在云數(shù)據(jù)庫中，方程組的解集可以傳輸?shù)奖容^單元，在比較單元中與國家標準[8，9]進行比較，對不合格的閘墩即揚壓力超過標準的閘墩開展集中處理，在處理過程中實時觀察揚壓力的變化，直到處理合格為止，總體方案如圖1所示。

圖1 總體方案框架圖

2 揚壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法

揚壓力分析單元是一個基于大數(shù)據(jù)平臺的分析模塊，包含計算單元和存儲單元，由SQLAPI數(shù)據(jù)訪問機制進行協(xié)調(diào)處理[10]。針對揚壓力失真問題，該單元集成了一種指數(shù)窗實時修正法[11]。而針對揚壓力丟包問題，則集成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法[12]。

2.1 揚壓力丟包神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法

由于通訊鏈路以及惡劣天氣雷電的影響，在揚壓力實時監(jiān)測過程，總會產(chǎn)生丟包現(xiàn)象，本研究采用一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法的大數(shù)據(jù)處理方法。依據(jù)可拓理論和可拓方法，可以利用一種改進的可拓距離作為測度工具, 如式（1）所示。

式中，D作為測度可拓距離，[wU，wL]為某一個物元區(qū)間，可代表閘墩庫水位到閘基的區(qū)間，x為物元區(qū)間外某一待測物體，可以代表揚壓力觀測點。D用來判別待測物體x和一個區(qū)間[wU，wL]的可拓距離。

如果xi={xx1，xx2，…，xxn}有n個揚壓力特征值，那么當Dp=min{Dm}＞n, 則說明了xi不屬于類別p，需要創(chuàng)建一個新的類別，此時xi被過濾，將重新定義xi填補丟包揚壓力。如果Dp＜n，則揚壓力數(shù)據(jù)樣本xi屬于類別p，對類別p所對應(yīng)的權(quán)值和中心點的進行調(diào)整, 如式（2）～（5）所示。

其中：Mp是目前屬于類別 的實測揚壓力樣本個數(shù)。

如果輸入第i個揚壓力樣本數(shù)據(jù)xi從舊的類別O變換到新的類別k，則調(diào)整類別O相對應(yīng)的權(quán)值和中心, 如式（6）～（9）所示。

由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論可知，在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程只需要調(diào)整類別O和類別k所對應(yīng)的權(quán)值, 相比于其他的各種非監(jiān)督學(xué)習(xí)算法,其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時間將大大縮短,且容易獲取數(shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)。同時, 在聚類過程中將保持穩(wěn)定和可塑等特征。但想要保持良好的聚類效果，如何選擇閾值距離參數(shù)非常重要，需要結(jié)合大壩特性、水庫水位變化程度、揚壓力監(jiān)測點密度等方面進行不斷調(diào)整。

2.2 揚壓力失真指數(shù)窗實時修正法

設(shè)某時刻揚壓力監(jiān)測點實時采集了一組水庫水位Hi和揚壓力Pi，其三次多項式擬合方程的表達式為：

按指數(shù)窗將新舊數(shù)據(jù)疊加，對新的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)揚壓力P和庫水位H可以表達為：

對于舊數(shù)據(jù)取衰減因子α（0＜α＜1,例如可取α＝0.95），并與新數(shù)據(jù)合并得：

于是，對于最新采集的數(shù)據(jù)P和H，通過以上方法擬合并修正，可以使庫水位和揚壓力的方程更加準確，這有利于后續(xù)更加精確分析和求解。

2.3 大壩閘墩滲漏處理工藝改進

經(jīng)過揚壓力觀測點“補短板”、揚壓力實時監(jiān)測失真和丟包問題的解決，為大壩閘墩滲漏處理工藝與方法的改進提供了科學(xué)的決策。傳統(tǒng)的閘墩滲漏處理在處理完成后需要做嚴格的離線檢測分析，需要電站較長時間的暫停發(fā)電而影響發(fā)電效益，而揚壓力實時監(jiān)測分析將在不影響水電站發(fā)電運行的情況下實施。

水下閘墩滲漏處理工藝分為兩個階段，第一階段是對防滲墻施工縫、閘墩垂直結(jié)構(gòu)縫、護坦水平伸縮縫、防滲墻水平伸縮縫的處理[13]。第二階段是依據(jù)揚壓力實時監(jiān)測分析系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)防滲墻本體加固處理[14]。改進工藝流程如圖2所示。

圖2 水下閘墩滲漏處理改進工藝流程

3 案例分析

趙山渡水庫河床式水電站位于飛云江干流溫州瑞安高樓鎮(zhèn)，安裝有2臺10 MW燈泡貫流式水輪機發(fā)電機組，總庫容3 414萬m3，大壩設(shè)有16個閘孔，其中淺灘區(qū)9孔，主槽區(qū)7孔，單孔寬12 m，最大閘高為29.0 m。主體工程于1998年7月16日開工，2000年9月26日下閘蓄水，同年11月28日第一臺機組開始并網(wǎng)發(fā)電，至今已經(jīng)運行了10多年。在每個重力壩段、閘室右閘墩（16號為左閘墩）的0+000.80 m處各布置1個壩基揚壓力監(jiān)測孔， 以監(jiān)測壩基縱向揚壓力的分布情況。另選擇3號、12號閘室右閘墩為重點監(jiān)測斷面，在0+019.00 m和0+034.00 m各增設(shè)了1個揚壓力監(jiān)測孔，以監(jiān)測壩基橫向揚壓力分布情況，整個壩段上共設(shè)置22個揚壓力監(jiān)測孔，編號為：UP-Y1、UP-X1、UP-X2、UPX3、UP-X32、UP-X33、UP-X4、UP-X5、UP-X6、UP-X7、UP-X8、UP-X9、UP-X10、UP-X11、UPX12、UP-X122、UP-X123、UP-X13、UP-X14、UPX15、UP-X16、UP-Z1。揚壓力監(jiān)測孔深入建基面以下1.0 m，孔內(nèi)安裝滲壓計實現(xiàn)自動化在線監(jiān)測[15]。

依據(jù)《2018年趙山渡大壩觀測資料分析報告》和從揚壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，左、右岸重力壩段揚壓力水位總體較高，滲壓系數(shù)范圍在0.36～0.96之間，均大于0.35，不符合國家標準，很多閘墩結(jié)構(gòu)垂直伸縮縫個別部位呈滴水滲漏狀，結(jié)構(gòu)垂直伸縮縫滲漏均發(fā)展成有壓噴射狀漏水，為此開展了大壩閘墩滲漏處理和方法研究工作。

3.1 揚壓力實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與處理

以重點監(jiān)測斷面12號閘室右閘墩UP-X12為例，從2011年12月～2015年11月的大數(shù)據(jù)分析并繪制圖形如圖3所示。從圖3（a）可知，2012年7月、2013年11月、2015年6月～9月等月份存在數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法進行修正，修正后如圖3（b）所示。從分析單元反饋分析結(jié)果可知，2012年8月～11月、2013年12月、2014年9月、2015年7月～8月等月份，存在數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象，經(jīng)過指數(shù)窗實時修正法后如圖3（c）所示。

圖3 揚壓力實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理顯示圖

3.2 水下大壩閘墩滲漏處理

（1）第一階段是防滲墻施工縫處理和伸縮縫處理階段。防滲墻施工縫處理在1號～7號閘上游，施工縫為9.0 m，在防滲墻中間垂直鉆孔，孔深大于1.6 m，孔距2 m，共鉆36個孔，4個孔漏水，1號閘上游2個，2號閘上游1個，6號閘上游1個。伸縮縫處理的主要控制節(jié)點為切槽、埋管、灌漿、嵌填8505彈性密封膠、SR防滲保護蓋片鋪貼和不銹鋼蓋板、不銹鋼壓條安裝。切槽要求槽寬2 cm，槽深10 cm，若槽深過深破壞原有止水系統(tǒng)，保持在9.5 ～11.5 cm為佳，槽兩側(cè)都要切割，保證露出兩側(cè)新鮮砼，便于與新材料粘結(jié)牢固。埋管均勻分布每50 cm一根，采用SXM嚴密密封，以保證管面通道通暢。灌漿時潛水員密切關(guān)注鄰邊灌漿管出漿情況、灌漿管綁扎順序、新管與老管出純漿情況、灌漿連續(xù)性等。嵌填8505彈性密封膠是注意對槽內(nèi)涂刷HK-963環(huán)氧涂料，刷1 m填1 m 8505彈性密封膠。SR防滲保護蓋片鋪貼，以伸縮縫為中心線，蓋片間搭接長度為15 cm，寬25 cm。不銹鋼蓋板有26個螺栓孔，螺栓孔間距為20 cm，每塊長2.4 m；不銹鋼壓條為L型，嵌入砼切槽埋入1 cm，采取涂HK-963涂料封閉。

3.3 水下防滲墻補強加固

經(jīng)過上述水下大壩閘墩滲漏預(yù)處理，由實時揚壓力觀測數(shù)據(jù)分析可知，閘墩漏水無明顯減少，揚壓力孔水位降低幅度較少，未達到預(yù)期效果，因此需要進行水下防滲墻補強加固。為了加強效果和積累經(jīng)驗，首先，在滲漏水嚴重部位進行試驗性施工，對灌漿壓力、孔距、灌漿參數(shù)進行技術(shù)實驗，完成了1～7號閘孔全孔20 m的鉆孔與灌漿，對鉆孔工藝、鉆孔設(shè)備及灌漿方法進行了改進，取得比較好施工參數(shù)和效果，為后續(xù)全面實施奠定了基礎(chǔ)。其次，確定全面實施鉆孔方案和工藝。定制Φ75同外徑規(guī)格繩取鉆桿、鉆具及鉆頭，鉆孔到達預(yù)定深度后，繩取鉆桿及鉆具不提鉆，打撈孔內(nèi)巖芯作為護壁。再次，設(shè)計灌漿方案和工藝，采用水泥漿液水灰比1∶1、0.8∶1、0.6∶1，開灌時采取水和水泥比0.8∶1稀漿，水泥漿與水玻璃比為1∶0.8～1∶0.6來控制，采取在大滲漏通道和孔口段雙液自下而上灌漿。最后，控制好灌漿壓力，嚴格灌漿材料。如水玻璃M值嚴格控制在2.4～3.4，波美度嚴格控制在30～45，低高程灌漿壓力嚴格控制在0.1～0.3 MPa，高程最高灌漿壓力控制在1.0 MPa。

3.4 基于揚壓力監(jiān)測的方案與工藝調(diào)整

在采取水下防滲墻補強加固后，仍然有個別打孔如2號、5號、7號閘墩的揚壓力不能達到要求。為此對這些閘墩的鉆孔加深至25 m，在靠近滲漏通道比較近的鉆孔，采取了灌砂漿的工藝方法，由于孔深超過20 m，灌漿壓力較大，采取了監(jiān)理旁站，先進行灌水泥漿，吃漿量能達到60 L/min，經(jīng)觀察進漿比較通暢后再改為灌水泥砂漿。當灌入量小于3 L/min時可終止該灌漿段灌漿。直到所有閘墩實時揚壓力監(jiān)測值達到要求。

本次加固設(shè)計布置104個孔，實際共布置灌漿孔110個，其中增加布置6個在縱向隔墩倒T型砼平臺上，根據(jù)閘墩實際長度布置的孔間距為2 m，總使用水泥材料4 167.7 t、特殊水泥20 t及總鉆孔孔深1 658.73 m，實際灌漿量為2.52 t/m。

3.5 實施效果

趙山渡水力發(fā)電廠大壩閘墩經(jīng)過本次防滲墻補強加固取得了很好的效果，閘墩揚壓力大幅下降，1號～7號閘墩下游伸縮縫漏水全部消除，閘基底揚壓力折減系數(shù)遠低于設(shè)計要求，且監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定及滿足現(xiàn)行規(guī)范標準要求，如表1所示。

表1 處理前后揚壓力系數(shù)變化情況

4 結(jié)束語

本文在揚壓力實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行精度提升處理，在滿足滲流處理精度要求的情況下，改進處理方法和水下工藝要求，以實際案例作為應(yīng)用，達到了很好的效果，主要得出如下結(jié)論：

（1）雖然在現(xiàn)實中揚壓力實時監(jiān)測的點數(shù)不夠以及存在監(jiān)測數(shù)據(jù)失真和丟包現(xiàn)象，但是通過補充實時監(jiān)測點、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法和指數(shù)窗實時修正法，可以提升實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)精度，為改進閘墩滲漏處理工藝打下基礎(chǔ)。

（2）通過在線觀測精度的提高，采用高難度的水下滲漏處理工藝和方法是高效可行的。

（3）處理過程中發(fā)現(xiàn)僅僅依據(jù)閘墩在線觀測狀態(tài)數(shù)據(jù)，有一定的局限性，主要表現(xiàn)在定孔需要潛水員配合、鉆孔和灌漿過程無法可視化等問題，下一步應(yīng)該研究引入高清晰度的水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)和水下機器人監(jiān)控設(shè)備[16]，實施效率和精度將會進一步提升。