灌浆施工监控系统在大藤峡水利枢纽工程中的应用

(广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁 530000)

1 工程概况

大藤峡水利枢纽工程是国务院批准的《珠江流域综合利用规划》、《珠江流域防洪规划》确定的珠江流域防洪控制性枢纽工程，是两广合作、桂澳合作的重大工程，是红水河十大梯级规划中的最后一级，也是国家172项重大水利节水供水项目中的标志性工程。

工程坝址位于珠江流域西江水系中游广西桂平市大藤峡峡谷出口处，工程开发任务以防洪、航运、发电、水资源配置为主，结合灌溉、水生态治理等综合利用。大藤峡工程枢纽建筑物主要包括泄水、发电、通航、挡水、灌溉取水、过鱼建筑物等。

大藤峡工程灌浆施工主要以帷幕灌浆和固结灌浆为主，其主要灌浆部位包括：一期下游围堰、一期基坑岩溶区防渗处理、左岸泄水坝段、左岸厂房、主厂房及安装间、流道钢衬接触、船闸主体部位、船闸上游引航道部位、船闸下游引航道部位、船闸事故门库坝段部位、黔江副坝、南木江副坝等。

2 监控系统建设背景及意义

2.1 建设背景

大藤峡工程灌浆施工已全面展开，在灌浆质量管控过程中，检查发现存在管控不到位、资料造假等问题。为规范灌浆施工，有效控制灌浆施工质量，大藤峡公司根据施工单位合同承诺，要求施工单位统一采购可进行实时监控和数据传输的灌浆记录仪，为实现通过项目管理系统对灌浆工程实施智能监控，更好地开展灌浆记录仪及监控系统的运行、管理，确保灌浆质量可控，大藤峡公司开展灌浆监控系统的建设与运行。

2.2 灌浆施工管理的难点

ⓐ灌浆工程量的统计以及灌浆过程的控制都比较困难。其主要原因是灌浆施工效果难以用肉眼观察，必须通过设备记录的资料间接反映；灌浆施工过程中地层存在不确定性，灌浆作业面分散，也给有限的监理人员进行24小时旁站的工作方式提出极大的挑战。

ⓑ为规范和加强项目管理，针对工程项目中存在的隐蔽性因素进行过程控制，施工资料管理工作就显得非常重要。灌浆资料作为记录灌浆工程施工活动整个过程的一项重要资料，即是基础施工的重要组成部分，也是整个工程竣工交付使用的必备文件。然而有些资料管理分散，缺少备份和电子手段，存在一定的管理风险。

2.3 监控系统建设的意义

ⓐ灌浆施工监控系统将传感器信号数据进行采集、整合、分析，并实时上传到数据库系统中，实现了分散施工部位的集中化监管，从监管方式上保证了数据真实有效和安全可靠，提升了大藤峡工程建设网络信息化管理水平。

ⓑ通过网络数据库的建立，将施工过程数据集中化管理，形成海量数据库，根据行业标准，施工规范，将海量数据库标准化，为灌浆施工过程分析，施工质量评估，施工进程跟踪，施工模型展现提供数据依据。

大藤峡工程灌浆施工监控系统是一套利用物联网技术、数据库系统技术、ASP.NET技术以及Internet技术且基于B/S架构的网络管理信息系统，该系统集成灌浆监控网络和灌浆数据管理，可作为大藤峡工程水电站办公管理系统的一部分。

3 监控系统建设情况

目前，大藤峡工程累计投入使用27套GJY-VII型灌浆自动记录仪，灌浆监控系统已覆盖所有灌浆施工工作面，实现灌浆数据的全过程实时监控和传输。

3.1 总体架构

大藤峡工程灌浆施工监控系统按照施工监控对象的分层分布式监控系统进行设计，分层分布式系统是一种集散控制系统(DCS)，整个系统可分为现场控制级、过程管理级和经营管理级，提供从灌浆记录仪到数据传输和信息化管理一揽子解决方案。其监控系统整体结构如下页图1所示。

灌浆信息管理子系统中，灌浆记录仪的各种传感器作为现场控制级，该级别直接面对灌浆现场，是所有数据信息的基础。该级别的各种传感器形成一个传感器网络，对灌浆过程中的流量、压力、密度及抬动信号进行数据采集和预处理，并将各自传感器采集到的信号以有线或无线的方式传输到灌浆记录仪主机。

灌浆记录仪主机作为过程管理级，该级别通过接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算后，将结果作为控制信号发给现场控制级的设备，是集散控制系统的核心单元。灌浆过程的各种工艺都需要它来设置、记录和调节，比如灌浆参数的设置，数据的记录和高压阀的开合度调节等。

灌浆信息管理系统作为经营管理级，是集散控制系统的最高一层，可以监视灌浆信息管理子系统中的所有数据，并且对数据进行统计分析和处理。从全局出发，有助于参建单位进行灌浆过程的监控和管理。

图1 灌浆施工监控系统整体结构

3.2 数据处理

灌浆实时数据的发送伴随着整个灌浆施工全过程，并且数据在网络中以封装的数据帧的形式发送，因此需要开发服务器段接收处理程序对编码帧进行效验、解码并存储，同时为了保证数据处理的及时有效，需建立多线程机制对数据进行处理，同时又能够接收数据，从而保证数据的循环往复处理。如图2所示。

图2 TCP/IP协议开发流程

3.3 数据库的建立

灌浆管理信息系统是在整个灌浆数据库的基础上建立的。系统数据库服务器采用磁盘阵列技术(Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID)，通过在多个磁盘上同时存储和读取数据来大幅提高存储系统的数据吞吐量(Throughput)，同时该技术具有较为完备的相互校验/恢复的措施，甚至是直接相互的镜像备份，从而大大会提高RAID系统的容错度和稳定冗余性。

本系统采用Microsoft SQL Server企业级数据库引擎，数据库建立的数据表包括：灌浆实时数据、灌浆记录数据、参数设置数据、结束信息数据、用户信息数据、用户登陆数据、报表生成临时数据、灌浆结果数据、灌浆施工设计数据、灌浆成果数据等；各数据字典的建立都是相互依赖、相互关联的。

3.4 ZigBee网络组网施工

ⓐ廊道ZigBee网络组网施工主要完成廊道区域内部的无线数据传输，保证该灌浆区域能够实现灌浆数据的无线传输和采集。其安装方式为采用ZigBee路由模块安装在廊道内部，100～150m安装一套无线路由设备，将在区域内的多台GJY-VII型灌浆记录仪通过ZigBee无线网络连接起来，并整合该区域无线网络中灌浆记录仪的灌浆数据到无线主机中。如图3所示。

图3 廊道无线自组网示意

ⓑ露天GPRS/WIFI通信模块施工，寻找廊道口、厂房周围及露天通信信号良好的地方，用无线专用发送器网关模块连接ZigBee和GPRS/WIFI网络，把接收到的ZigBee信号通过GPRS/WIFI网络传至远程数据监控中心。GPRS/WIFI与远程监控中心的连接不受距离限制。

4 监控系统的主要技术功能

4.1 主要技术

本系统运用ZigBee技术将各施工点记录仪的数据上传到中央服务器，进行数据汇总、信息管理。该系统支持灌浆资料的远程上传、搜索、整理、本地保存及打印等功能。用户在任何有网络的地方通过电脑或者手机便可以查看灌浆实时数据和各种统计报表及曲线。与普通软件公司不同，该信息管理系统是专门针对灌浆自动记录仪数据管理而开发的，能实现信息管理系统与灌浆记录仪的无缝连接，灌浆记录仪的数据自动上传，无需手工录入。并且该系统具有随时随地监控灌浆信息、不同用户不同权限管理、电脑手机均可作监控终端等特点。

本系统采用SQL SERVER数据库及.Net应用服务平台。系统采用C/S的三层应用模式，数据服务与应用服务运行在不同的服务器上，在进行服务器选型时，必须要考虑系统的运行性能及后期较长时间的应用需要。采用基于Intel架构的中高档IBM X系列或HP企业级应用服务器。系统配置2个Intel Xeon双核CPU,2G以上的内存。

数据库服务器处理的数据量较大，对系统的容错功能要求较高，因此采用具有容错功能的RAID磁盘阵列技术，由于业务数据较多，同时考虑到日常数据备份的需要，数据存储的有效总容量要求在1000G以上。对于数据库服务器，同时需要考虑数据访问的性能量，从保证有效数据空间及系统运行效率的双方面综合考虑，采用5块300G SAS热插拔硬盘组成RAID5磁盘阵列。

数据库服务器具有较强的存贮与处理能力，采用高档专用服务器为主服务器，并具有提供备份的功能；平均故障间隔时间大于1万小时。

4.2 主要功能

4.2.1 系统登陆

大藤峡灌浆施工监控系统于2017年9月建设并投入运行，在配合现场各种开发需求的情况下对系统进行了多次需求分析，并进行及时的修改和完善，整体架构也进行了升级，服务器按照要求也转移到了现场局域网络，保障了数据安全和运行效率，目前运行状况良好。

用户可以通过系统管理员所分配的帐号，在任何能够连接互联网或者局域网的设备上登录灌浆施工监控系统进行操作。系统根据用户的身份类型，自动赋予其对应的的功能菜单和相符的操作权限，保证了数据的保密性。

4.2.2 实时监控

进入系统后首先显示的是实时监控页面，平面图上的圆点代表灌浆记录仪。通过平面图上的圆点颜色可以清楚知道灌浆记录仪的使用状态，而圆点分布的位置则代表灌浆大致的施工部位，目的是生动形象地展现灌浆记录仪的使用情况。单击圆点，左下角将显示该灌浆记录仪两个通道的实时灌浆工作情况，该页面是动态刷新，可看到该灌浆记录仪所在部位，设备编号，当前所灌孔段信息及实时流量、压力、密度等参数，数据传输过程中五秒更新一次。实时监控页面如图4所示。

图4 实时监控页面

4.2.3 数据查询

通过页面的“过程数据报表”和“过程数据”菜单，可对数据库中的原始灌浆数据进行模糊搜索和准确查询，点击某条查询数据则会展现与现场一致的灌浆记录报表。

在“过程数据报表”菜单下，通过输入部位、孔号、段号、工作方式及时间其中任意一项或多项信息，根据该信息数据库会进行模糊查询，适用于对灌浆孔段信息了解不全，或仅需查询某个部位或某个时间段灌浆情况的查询方式。过程数据报表页面如下页图5所示。

在“过程数据”菜单下，通过输入部位、孔号、仪器编号、段号及工作方式详细信息，则可以直接查询到某孔段的原始灌浆数据。目的是为了管理者能够直观、便捷的查询相关孔段信息并且找到其所需要的灌浆数据。

4.2.4 设备查询

该菜单下通过输入灌浆记录仪编号、起始时间及终止时间，即可查询到该设备在该时间段所记录的所有灌浆资料。

4.2.5 成果报表

该菜单下，用户通过输入工程部位及单元号，即可查询相应的灌浆成果。该成果包含累计灌浆量，累计注灰量，单位注灰量等信息。

该菜单目的是通过工程量统计，方便管理者根据统计数据及图表对灌浆量进行统计，对灌浆质量进行分析，对灌浆成果进行评估，可以有效地了解灌浆施工情况。

4.2.6 异常汇总

该菜单下显示的是灌浆孔段的灌前压水吕荣值和累计注灰量异常汇总。报警机制采用递进报警模式，即超过设计值的25%使用橙色字体显示，超过设计值的50%使用红色字体显示。如图6所示。

图5 过程数据报表页面

图6 异常汇总页面

5 应用效果

灌浆施工项目是大藤峡大坝施工中的隐蔽性工程，施工进度和质量难以直观衡量，为方便对大坝灌浆进行管理和监控，大藤峡工程灌浆施工监控系统融合数据库技术、无线通信技术对廊道等信号盲区及露天施工部位进行局部组建网络，将灌浆过程采集的重要参数实时收集，通过无线网络传输至现场局域网，形成一套无线灌浆网络管理系统，能实时监控大坝灌浆施工参数，成果统计分析，进行质量管理和过程管理，并为后期施工决策提供基础数据支持。该系统的应用提高了工程管理人员在灌浆管理过程中的实效性和工作效率，可及时发现灌浆过程中出现的异常情况，提高灌浆工程信息化管理水平。

以前的灌浆数据都是通过纸质报表打印出来，再经工作人员呈递监理后上报给业主。整个流程耗时长，且资料的整理与管理相当不便，较难满足现场的施工要求及客户的实际需求。利用计算机软件、网络、无线通信等技术开发的灌浆施工监控管理信息系统是当前灌浆管理信息化的主流趋势，能够实现灌浆施工的远程数据监控、数据存储、数据查看、数据整理等功能，从而真正达到灌浆施工作业的自动化、智能化，加强业主监理对灌浆施工作业的综合管理，有效提高灌浆施工的质量、生产效率及设备利用率，节约生产成本。

6 结 语

水利信息化的首要任务是在水利业务中广泛应用现代信息技术，建设水利信息基础设施，解决水利信息资源不足和有限资源共享困难等突出问题，提高防汛减灾、水资源优化配置、水利工程建设管理、水土保持、水质监控等水利业务中信息技术应用的整体水平，带动水利现代化。大藤峡无线灌浆管理信息系统作为水利信息化的终端产品，能够实现灌浆实时监控、数据查询、数据统计、图形报表生成等功能，通过实时上传灌浆成果数据，保证了数据的有效性和真实性，并对灌浆相关各类数据进行共享和管理，完成了灌浆过程异常处理、质量巡查以及工程计量统计等工作，该系统将促进现场灌浆施工自动化管理水平，实现大藤峡灌浆数据的无缝对接。系统的开发和运行提高了大藤峡灌浆信息化的管理水平，促进了水电站水利信息化的建设。