夏可風(fēng)，王克祥

(1.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清 301700；2.中國(guó)三峽建工(集團(tuán))有限公司，北京 101100)

我國(guó)兩座巨型水電站——烏東德水電站、白鶴灘水電站相繼蓄水發(fā)電，為國(guó)家提供了源源不斷的綠色能源。這兩項(xiàng)工程的壩基處理、防滲工程都有巨量的水泥灌漿施工任務(wù)，根據(jù)近些年一些工程的施工經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，如何管理好兩項(xiàng)工程的灌漿工程施工，既確保工程質(zhì)量又能控制工程預(yù)算，具有很大的挑戰(zhàn)性[1]。在這種形勢(shì)下，業(yè)主單位中國(guó)三峽建工(集團(tuán))有限公司聯(lián)合中大華瑞科技有限公司研究開發(fā)了智能灌漿控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于灌漿施工中，取得了良好的效果，開創(chuàng)了我國(guó)乃至世界上灌漿技術(shù)發(fā)展的新階段。

本文對(duì)兩項(xiàng)工程智能化灌漿的情況和收獲、相關(guān)的若干問(wèn)題和今后在其他工程中推廣應(yīng)用的前景進(jìn)行分析討論。

1 智能化灌漿及其相關(guān)的定義

灌漿的定義為，用壓力將可凝結(jié)的漿液通過(guò)鉆孔或管道注入建筑物或地基的縫隙中，以提高其強(qiáng)度、整體性和抗?jié)B性能的工程措施[2]。自動(dòng)化灌漿可定義為，在無(wú)人直接操作的情況下，灌漿設(shè)備按照設(shè)定的技術(shù)要求，自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)、信息處理、工序轉(zhuǎn)換，直至完成鉆孔壓水試驗(yàn)和孔段灌漿施工任務(wù)的過(guò)程。智能化灌漿可定義為，用人工智能指導(dǎo)和控制的灌漿施工[3]，是在自動(dòng)化灌漿的基礎(chǔ)上增加了人工智能對(duì)地質(zhì)條件的探測(cè)，對(duì)灌漿過(guò)程變化、特殊情況發(fā)生的感知、研判，并自主調(diào)整灌漿策略和施工參數(shù)持續(xù)灌注，直至達(dá)到結(jié)束條件的灌漿過(guò)程。

通俗地說(shuō)，一個(gè)孔段的自動(dòng)化灌漿應(yīng)當(dāng)做到：在一鍵啟動(dòng)指令后，灌漿系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)自動(dòng)、連續(xù)、順暢地完成灌漿壓力的調(diào)節(jié)、注入率控制、漿液水灰比變換，直至滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)束條件，停止灌漿。這是自動(dòng)化灌漿的規(guī)定動(dòng)作。當(dāng)前有些工程中，把完成上述任務(wù)稱為智能灌漿，這是不準(zhǔn)確的。還有的甚至不能做到“一鍵啟動(dòng)，自動(dòng)結(jié)束”，灌漿過(guò)程中遇到施工參數(shù)轉(zhuǎn)換、小小意外情況發(fā)生，正常過(guò)程就要停下來(lái)，輔以人工補(bǔ)充指令，有時(shí)一段灌漿完成需要人工干預(yù)多次。這樣的灌漿過(guò)程既不能稱為智能灌漿，也不能稱為自動(dòng)化灌漿，姑且可稱為半自動(dòng)化灌漿。

至于智能化灌漿，完全的或高級(jí)的智能灌漿，應(yīng)該能自動(dòng)識(shí)別地層，針對(duì)灌漿孔段所在不同地層選擇不同灌漿施工參數(shù)，不良地層多灌、灌飽，良好基巖少灌或不灌。初級(jí)的智能灌漿除滿足自動(dòng)化灌漿的要求外，至少應(yīng)增加可以識(shí)別灌漿過(guò)程中的若干種特殊情況，如注入量特大、串漿冒漿、巖層劈裂結(jié)構(gòu)抬動(dòng)、回漿變濃等，并可以自主處理，直至轉(zhuǎn)入正常灌漿過(guò)程，正常結(jié)束。

綜上，當(dāng)前流行的智能灌漿概念實(shí)際上是泛指以上幾種灌漿，即半自動(dòng)化灌漿、自動(dòng)化灌漿、智能灌漿，至于完全的智能灌漿還未達(dá)到。值得肯定的是，無(wú)論走到了上面哪一步，都是灌漿技術(shù)的升級(jí)。以下本文單獨(dú)提到的智能灌漿或智能化灌漿，指上述泛化的概念。

2 實(shí)施灌漿智能化是必由之路

2.1 有經(jīng)驗(yàn)的灌漿工程師和工匠稀缺

一個(gè)灌漿過(guò)程開始后，有兩位操作工人起著關(guān)鍵作用，即司灌工和記錄員。司灌工控制著漿液閥門，他要把灌漿壓力從0逐漸升至設(shè)計(jì)壓力；注入率從最大調(diào)節(jié)至均勻、至最小、至地層飽和；漿液濃度從較稀調(diào)節(jié)至適宜。全過(guò)程目的是確保灌漿孔周圍地層孔隙裂隙得到充分灌注，而又不要過(guò)量，即不能使壓力劈裂地層，不使?jié){液滲流到灌注范圍以外造成浪費(fèi)。這個(gè)過(guò)程持續(xù)的長(zhǎng)短，消耗資源的多少，客觀上由地質(zhì)條件、孔位深度、漿液材料等決定，主觀上由司灌工的技術(shù)能力和思想意識(shí)決定。每一段灌漿過(guò)程持續(xù)少則1 h，多則十?dāng)?shù)小時(shí)，工作繁重，進(jìn)行高壓灌漿時(shí)更有一定的危險(xiǎn)性，故司灌工資源極為稀缺。灌漿記錄員則負(fù)責(zé)將灌漿過(guò)程中的灌漿壓力、漿液注入率、漿液密度、地層變形(抬動(dòng))等數(shù)據(jù)，按規(guī)定的時(shí)間間隔記錄下來(lái)，有經(jīng)驗(yàn)的記錄員還應(yīng)當(dāng)分析這些數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提出調(diào)整灌漿參數(shù)的指導(dǎo)意見，反饋給司灌工。如今灌漿自動(dòng)記錄儀普及，記錄員的工作由記錄儀替代，但存在無(wú)人提出指導(dǎo)意見的問(wèn)題[4]。

至于現(xiàn)場(chǎng)灌漿工程師，要求應(yīng)具備系統(tǒng)的水工、地質(zhì)知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)，需指導(dǎo)記錄員、司灌工的工作，精通此類工作內(nèi)容，這類人才缺失也越來(lái)越嚴(yán)重。

2.2 灌漿施工管理困難

灌漿工程是隱蔽工程，灌漿施工過(guò)程是特殊過(guò)程。其工程數(shù)量既難以預(yù)計(jì)，又難以直接測(cè)量；工程質(zhì)量不易控制，在施工過(guò)程中，雖然有一些間接檢測(cè)措施，完工后布置有一定的壓水試驗(yàn)或物探檢查孔，但是總的來(lái)說(shuō)灌漿施工質(zhì)量管理、工程監(jiān)理都非常困難，灌漿工程的效果、質(zhì)量缺陷常常需在工程投入運(yùn)行后方能顯現(xiàn)、暴露。近些年來(lái)，由于工程質(zhì)量管理及造價(jià)管理等問(wèn)題，致使不少項(xiàng)目的灌漿工程質(zhì)量嚴(yán)重失控，工程量不斷追加，工程預(yù)算概算大量突破。有些工程蓄水后滲漏嚴(yán)重，不得不大量補(bǔ)灌。

2.3 灌漿工程新技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新是時(shí)代的要求

當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異，信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、人工智能技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到工農(nóng)各業(yè)中，在建筑工業(yè)領(lǐng)域智慧建筑、智能建造、數(shù)字大壩新技術(shù)層出不窮。因此，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)研發(fā)智能化灌漿系統(tǒng)，以取代或部分取代稀缺的人力資源，同時(shí)改善現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作條件；實(shí)現(xiàn)灌漿施工過(guò)程的自動(dòng)、智能控制，以確保灌漿工程質(zhì)量、灌漿工程預(yù)算在受控范圍內(nèi)，已經(jīng)迫切地提上了日程。

3 智能灌漿在烏東德水電站和白鶴灘水電站的應(yīng)用

3.1 烏東德水電站和白鶴灘水電站灌漿工程概況

烏東德水電站拱壩最大壩高270 m，基巖為灰?guī)r、白云巖、石英巖，主要為Ⅱ類巖體。大壩壩基及兩岸壩肩、二道壩壩基設(shè)置帷幕灌漿，約12.12萬(wàn)m；左右岸地下廠房上游設(shè)置帷幕灌漿33.45萬(wàn)m；以上及其他部位共計(jì)帷幕灌漿48.37萬(wàn)m。壩基固結(jié)灌漿共計(jì)10.68萬(wàn)m。

白鶴灘水電站拱壩最大壩高289 m，主要基巖為玄武巖，局部發(fā)育柱狀節(jié)理玄武巖及角礫熔巖。巖體質(zhì)量總體較好。大壩壩基、兩岸灌漿平洞、二道壩壩基、左右岸地下廠房均設(shè)置帷幕灌漿和搭接帷幕灌漿，共計(jì)帷幕灌漿工程量135萬(wàn)m，固結(jié)灌漿工程量85.37萬(wàn)m。

3.2 烏東德、白鶴灘水電站智能灌漿系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

在業(yè)主單位的主持下，自2017年開始研發(fā)智能灌漿系統(tǒng)并逐漸在烏東德、白鶴灘兩水電站灌漿工程施工中試驗(yàn)性應(yīng)用，直至較普遍地應(yīng)用，在應(yīng)用中不斷對(duì)控制程序、設(shè)備硬件進(jìn)行改進(jìn)，其成果從1.0版最后至4.0版。

烏東德水電站先后共使用智能灌漿裝置42套，完成大壩帷幕灌漿8.86萬(wàn)m，壩基固結(jié)灌漿5.05萬(wàn)m。白鶴灘水電站使用智能灌漿裝置64套，完成帷幕灌漿約40萬(wàn)m，固結(jié)灌漿4萬(wàn)m。

兩工程使用的智能灌漿裝置可以進(jìn)行簡(jiǎn)易壓水、單點(diǎn)法/五點(diǎn)法壓水、裂隙沖洗、純水泥漿液灌漿；可以分別控制灌漿壓力、注入率、漿液密度、漿液溫度、抬動(dòng)變形5個(gè)參數(shù)。硬件主要技術(shù)參數(shù)為，灌漿壓力范圍0～6 MPa，分辨率0.01 MPa；漿液密度范圍1.0～2.0 g/cm3，分辨率0.01 g/cm3；注入率范圍0～150 L/min，分辨率0.1 L/min；位移分辨率1 μm；溫度分辨率1 ℃。

圖1 智能灌漿系統(tǒng)示意

智能灌漿裝置使用過(guò)程中所有檢測(cè)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、裝置運(yùn)行指令，通過(guò)有線或無(wú)線傳輸發(fā)布，灌漿成果資料按照技術(shù)要求自動(dòng)整理輸出。設(shè)有緊急情況人工輔助控制程序和按鍵。為防止改動(dòng)電路和使用電磁干擾編造虛假數(shù)據(jù)，訊號(hào)傳輸過(guò)程進(jìn)行數(shù)字加密。智能灌漿裝置使用過(guò)程中基本上可以做到一鍵啟動(dòng)，連續(xù)灌漿，正常結(jié)束。少數(shù)需啟用人工輔助鍵。

由于使用智能灌漿裝置，每個(gè)機(jī)組至少可以減少1名灌漿工，在崗的工人體力勞動(dòng)大大減輕，施工場(chǎng)地變得干凈整潔。智能灌漿系統(tǒng)示意見圖1，其中左側(cè)為管理平臺(tái)，右側(cè)為智能灌漿裝置及其連接示意。

3.3 烏東德、白鶴灘水電站智能灌漿主要施工成果

烏東德水電站、白鶴灘水電站灌漿工程已經(jīng)全部完成，其主要施工成果及初期蓄水效果如下。

(1)烏東德水電站各部位灌漿平均單位注入量分別為：大壩帷幕灌漿10.5 kg/m；左岸地下廠房主帷幕灌漿20.23 kg/m，搭接帷幕灌漿2.41 kg/m；右岸地下廠房主帷幕灌漿22.3 kg/m，搭接帷幕灌漿15.26 kg/m；壩基固結(jié)灌漿13.14 kg/m。

(2)白鶴灘水電站各部位灌漿單位注入量分別為：大壩各壩段帷幕灌漿6～74.17 kg/m；兩岸平洞主帷幕各單元8.90～29.63 kg/m，搭接帷幕灌漿各單元5.37～15.19 kg/m；左岸地下廠房主帷幕灌漿23.01 kg/m，搭接帷幕灌漿13.2 kg/m；右岸地下廠房主帷幕灌漿15.3 kg/m，搭接帷幕灌漿5.24 kg/m；二道壩帷幕各單元12.1～54 kg/m，壩基固結(jié)灌漿各單元10.30～76.92 kg/m。

兩個(gè)工程各部位灌漿單位注入量基本都在設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)范圍內(nèi)，與地質(zhì)條件相關(guān)性良好，沒(méi)有發(fā)生不可控制的情況。2021年兩工程已先后蓄水發(fā)電，監(jiān)測(cè)資料顯示，壩基滲漏量很小，烏東德水電站壩基總滲漏量12.41 L/s，各壩段滲壓力在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)；白鶴灘水電站壩基總滲漏量18.15 L/s，滲壓力監(jiān)測(cè)正常。蓄水后都沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏而被迫追加大量補(bǔ)灌工程量的現(xiàn)象發(fā)生[5]。

在烏東德、白鶴灘之后，還有一些單位開始試驗(yàn)研發(fā)智能灌漿裝置。雅礱江楊房溝水電站大壩灌漿[6]、雄安新區(qū)調(diào)蓄庫(kù)灌漿試驗(yàn)等工程使用智能灌漿裝置，不少功能有新的改進(jìn)和提高。

4 烏東德、白鶴灘水電站應(yīng)用智能化灌漿探討與總結(jié)

烏東德、白鶴灘水電站智能化灌漿還是初次嘗試，今后還可進(jìn)一步完善。根據(jù)其實(shí)踐以及隨后其他工程試驗(yàn)應(yīng)用的情況，可以得出如下經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

(1)烏東德、白鶴灘水電站的灌漿工程在我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)了智能化灌漿的實(shí)際施工應(yīng)用，標(biāo)志著灌漿技術(shù)已由傳統(tǒng)人力方式步入到信息化、智能化時(shí)代[7]。

(2)兩項(xiàng)特大型工程通過(guò)應(yīng)用智能灌漿系統(tǒng)，灌漿施工質(zhì)量、灌漿工程概預(yù)算得到有效控制，灌漿施工環(huán)境明顯改善，施工人員數(shù)量減少、現(xiàn)場(chǎng)施工人員、質(zhì)量管理、監(jiān)理人員勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低。

(3)烏東德、白鶴灘水電站的智能化灌漿名為“智能化”，實(shí)際上智能化仍不夠，只是基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化灌漿的任務(wù)。后來(lái)在雄安新區(qū)調(diào)蓄庫(kù)灌漿試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了地層抬動(dòng)、漿液失水變濃等幾種特殊情況的智能處理。但技術(shù)進(jìn)步的余地仍很大。

(4)智能灌漿系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)融合固化灌漿專家、工匠的智慧，應(yīng)當(dāng)由業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工和計(jì)算機(jī)科技企業(yè)共同研制開發(fā)。烏東德、白鶴灘水電站的智能化灌漿系統(tǒng)的研發(fā)，設(shè)計(jì)和施工人員參與不夠。研發(fā)的技術(shù)路線著重于防止弄虛作假，保證灌漿工程質(zhì)量方面，對(duì)于節(jié)約工時(shí)、降低施工成本重視不夠。

(5)烏東德、白鶴灘水電站智能灌漿系統(tǒng)的應(yīng)用提高了工程質(zhì)量，節(jié)省了人工，降低了材料消耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。但如適當(dāng)改進(jìn)，經(jīng)濟(jì)效益還可以進(jìn)一步提高。

(6)智能灌漿裝置應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)約、實(shí)用、耐用、價(jià)廉，不必追求復(fù)雜化、精確化，應(yīng)盡可能降低運(yùn)行成本和故障率。

(7)智能灌漿系統(tǒng)(包括管理平臺(tái)和智能灌漿裝置)是成套技術(shù)，其運(yùn)行程序針對(duì)某一工程設(shè)計(jì)，適應(yīng)于該工程的地質(zhì)條件和技術(shù)要求，服務(wù)于該工程。智能灌漿系統(tǒng)不能像記錄儀一樣，任意買來(lái)一臺(tái)便可使用，烏東德的智能灌漿系統(tǒng)后來(lái)用到雄安新區(qū)調(diào)蓄庫(kù)灌漿試驗(yàn)中就針對(duì)該工程地質(zhì)條件和工程要求，進(jìn)行了相關(guān)程序的修改。

5 對(duì)推廣應(yīng)用智能化灌漿的前景及幾點(diǎn)建議

5.1 應(yīng)用前景

(1)計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速進(jìn)步與普及，推進(jìn)了灌漿智能化的可行性。熟練的灌漿技術(shù)人員和技工難求，人力成本上升，計(jì)量方法失當(dāng)和逐利行為導(dǎo)致灌漿質(zhì)量和投資失控等因素，提出了升級(jí)灌漿技術(shù)的必要性。灌漿施工智能化是適應(yīng)智能建造、數(shù)字大壩新技術(shù)的必然產(chǎn)物。

(2)截至2021年，我國(guó)的水力資源開發(fā)率在50%左右，還有大量的水力資源存量等待開發(fā)；為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，要修建更多的抽水蓄能電站；水利上“國(guó)家水網(wǎng)重大工程”建設(shè)方興未艾，這些工程都有大量的灌漿工程任務(wù)。與此同時(shí)，我國(guó)水電施工企業(yè)大量參加一帶一路建設(shè)，每一項(xiàng)大型的國(guó)際工程都有規(guī)?？捎^的灌漿工程量需要完成。因此智能灌漿技術(shù)在水利水電行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景。

5.2 建議

為更好地推廣應(yīng)用智能灌漿技術(shù)，提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)智能灌漿是成套技術(shù)，大型工程要在灌漿試驗(yàn)階段對(duì)智能灌漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編程、運(yùn)行進(jìn)行充分試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足工程技術(shù)要求后方可投入規(guī)模應(yīng)用。設(shè)計(jì)、施工人員的合理意見應(yīng)當(dāng)吸納到運(yùn)行程序中。

(2)技術(shù)進(jìn)步無(wú)止境，當(dāng)前的智能化灌漿應(yīng)當(dāng)先完善自動(dòng)化程序，逐步過(guò)渡到初步智能，即可以自主地處理灌漿過(guò)程中發(fā)生的特殊情況階段，再過(guò)渡到更高級(jí)的智能灌漿階段，即能自主識(shí)別地層、自主選擇施工參數(shù)。

(3)當(dāng)前討論的智能灌漿僅為鉆孔灌漿工程中的“壓水”“灌漿”兩個(gè)工序，還有“鉆孔”等其他工序，以及工序前后的機(jī)械器具安裝拆卸移動(dòng)等，都需要較重的體力勞動(dòng)，應(yīng)當(dāng)致力于研究改進(jìn)。

(4)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自工程實(shí)踐，又指導(dǎo)推動(dòng)工程實(shí)踐。智能灌漿起源于傳統(tǒng)灌漿，又區(qū)別于傳統(tǒng)灌漿。應(yīng)當(dāng)研究在適當(dāng)時(shí)機(jī)編制智能灌漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，或在已有標(biāo)準(zhǔn)中增加相關(guān)章節(jié)條文。

(5)工程量計(jì)量計(jì)價(jià)方式和相關(guān)合同條款是指引施工人員努力方向和技術(shù)發(fā)展風(fēng)向標(biāo)，近年不少工程出現(xiàn)失誤。采用智能灌漿時(shí)應(yīng)當(dāng)妥善制定相關(guān)辦法。

(6)大型灌漿工程實(shí)施智能化灌漿可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。建議業(yè)主單位組織大型工程，如灌漿工程量在10萬(wàn)m以上的工程施工時(shí)，積極采用灌漿智能化技術(shù)。