自动化监测技术在白鹤滩水电站横缝灌浆中的应用

史波 柯传芳 张宇 刘少伟

摘要：自动化监测技术具有高频次、高精度、实时反馈以及经济高效等特点，成为智能大坝建设不可或缺的关键环节，而在大坝施工期的自動化监测技术应用非常少见。以白鹤滩水电站为实例，介绍了大坝灌浆工程概况、接缝灌浆流程以及接缝灌浆施工过程中对安全监测的要求，对施工期自动化监测技术的方案设计与实施进行了阐述。监测数据统计分析表明：施工期自动化监测技术优于传统人工监测手段，满足接缝灌浆对安全监测的需求，可为接缝灌浆施工质量提供重要的参考依据和技术支持。

关键词：大坝接缝灌浆;横缝开合度;自动化监测技术;施工期;白鹤滩水电站

中图法分类号：TV543文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.005

1 研究背景

水利工程的施工质量问题一直是人们关注的热点，它不仅直接影响到大坝的安全运行和效益发挥，更与坝下游人民的生命财产、社会经济建设和生态环境等密切相关[1-2]。大坝接缝灌浆是保证并延长大坝使用寿命的重要施工环节。为了保证接缝灌浆施工质量，同时避免已灌区域的二次张开影响大坝工程结构的整体性和强度，需要在灌浆过程中对相应施工部位进行变形监测[3]。以前实施的部分水电站在接缝灌浆施工中主要依靠工程经验和相关规范来判断施工质量，有时并不符合科学规律。而且，在施工过程中采用传统人工监测的手段无法准确把握横缝在灌浆过程中的张开度情况，无法准确科学地指导灌浆施工，导致在灌浆过程中出现已灌区二次张开的现象[4]。

横缝开合度是指导接缝灌浆施工、评价施工质量的关键指标，在灌浆施工过程中想要达到监测指导科学施工的目的，需要更高的监测频次，而传统的人工监测频次最高只能达到1 d一次，无法满足这一需求，须引进高频次、高精度的监测技术。此外，智能大坝和数字大坝建设对大坝安全监测提出了更高的要求。自动化监测技术具有高频次、高精度等优点，成为目前大坝安全监测技术研究的热点[5]。据统计，国内水电站在运行期实行自动化监测的高达87.5%，而在施工期实施自动化监测的几乎没有。造成这一现象的主要原因：施工期现场环境差，自动化设备在施工现场容易被破坏，且无稳定电源、通讯困难等[6]。

如今，计算机和无线通讯技术的推广和普及，为自动化监测技术的实现提供了重要的技术保障[7]。将高频次、高精度的自动化监测技术应用到大坝接缝灌浆施工过程中，进行实时监测和反馈显得尤为重要[8]。本文将自动化监测技术应用在接缝灌浆施工过程中，结果表明：施工期自动化监测技术的高频次、高精度、实时反馈等特点，可为接缝灌浆提供真实可靠的监测数据，相较于传统的人工监测具有明显的优势。

2 工程概况

白鹤滩水电站工程为Ⅰ等大（一）型工程，枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程为834.0 m，最大坝高289.0 m，坝下设水垫塘和二道坝。泄洪设施包括坝体的6个表孔、7个深孔和左岸的3条泄洪隧洞。

在灌区布置上，第一灌区高度为11 m，其余灌区高度为9m，接缝灌浆自下而上进行分层施工，从大坝中部向两岸推进。接缝灌浆主要目的是对大坝接缝进行二次填充，保证大坝的整体性，避免水分和空气对大坝坝体的侵蚀以及渗漏现象出现，保证并延长大坝的使用寿命[8]。灌浆过程中，严格控制灌浆压力和灌浆过程中的缝面开合度，控制灌浆最大压力以排气槽压力不大于0.35 MPa为准。接缝灌浆工作流程为：首先进行浆液检测，检测合格后方可进行灌注;开始灌注的同时上部灌区通循环水、相邻缝通平压水，同步进行横缝测缝计监测;回浆管回浆浆液相对密度检测合格后关闭回浆管;排气管出浆，检测浆液相对密度合格关闭排气管;缓慢提高灌浆压力，同时监测横缝增开度和灌浆压力，通过横缝张开度增加的情况动态调节进浆压力和平压水压力，保证开合度在控制标准范围内;当吸浆压力不大于0.4 L/min时，屏浆20 min，停机灌浆结束。

在实际灌浆过程中，根据需求按照1次10 min至1次1 min的频次进行，传统人工监测手段无法满足这一频次要求，须采用自动化监测技术进行数据实时采集、传输、处理、存储和发布。在缓慢增加灌浆压力时，需要实时监测横缝开度变化情况，通过实时反馈监测结果，动态调整进浆压力和平压水压力。为探究自动化监测技术在接缝灌浆中的应用，选取一层灌区进行试验，部分横缝测缝计布置见图1。

3 施工期自动化监测系统方案设计与实施

3.1 施工期监测自动化系统总体结构

白鹤滩水电站大坝施工期监测自动化系统包括监测仪器设备、数据采集装置、计算机及外部设备、网络通信设备、电源及防护设备、数据采集软件和安全监测管理软件等。采用现场测站（廊道外临时测站和廊道内永久测站）和中心管理站（布设在业主营地机房，设置数据服务器、工作站计算机等）两层次构架。目前，已完成廊道外临时测站自动化布设（见图2）。

3.2 施工期监测自动化系统实施

（1）临时测站布设。目前，通过预埋管牵引至廊道的监测仪器，成功实现廊道外临时测站监测自动化。由于廊道养护期间廊道内封闭且潮湿，通过接长电缆或者采用无线设备将信号传输至廊道外的4G信号覆盖区域，设置临时测站安装MCU，实现自动化（见图3）。

（2）通信电缆牵引及保护。通信电缆主要采用双绞线，沿廊道桥架敷设。为防止干扰，敷设过程中分层敷设，对通信电缆穿管保护，远离强弱电（见图4）。

（3）MCU安装调试。①测控装置采用全密封防水不锈钢机箱，所有电缆进出口全部采用防水密封紧固接口以防止水汽侵入。机箱底部采用塑料密封接头，所有部件固定在机箱安装钢板上，智能数据采集模块安装在机箱内。②根据传感器电缆的设计编号，依据类型将监测站内的传感器电缆理顺。分别从机箱左右两侧接入到测量控制单元上。③仪器电缆、通信电缆、光缆和电源电缆应布设整洁、美观。观测房（站）、廊道中的各种电缆采用电缆槽敷设或沿已有的电缆架敷设牵引。④通过电源电缆从监测管理站的UPS引入交流电，通过AC/DC转换器转换成直流电对测控装置进行统一供电。⑤机箱外壳接地、直流电工作接地和电缆屏蔽层接地应在同一机箱中，采用一个公共接地端子。机箱安装完毕后，引出接地端子与大坝公用接地网连接，现场采集装置接地电阻不宜大于10Ω（见图5）。

4 接缝灌浆自动化监测数据分析

4.1 监测数据分析

在已完成的白鹤滩水电站接缝灌浆工作中，自动化监测技术发挥了重要的作用。自动化监测技术覆盖了灌浆全过程，取得了丰富的监测数据，保证了施工质量和灌浆效果。以第一层灌区的接缝灌浆施工为例，该层灌区高度为11 m，涉及到4个坝段，于2018年3月24日开始施工;接缝灌浆从2号和3号坝段开始，向左右两岸推进。其中，该层灌区涉及到横缝测缝计6支，自动化监测采用10 min一次的监测频次，遇数据变化较大的测点或起压阶段加密观测频次。具体横缝测缝计监测成果见表1。

从表1可以看出，在灌浆过程中由于灌浆压力的影响，横缝测缝计监测数据有相应的响应;灌浆过程中横缝测缝计最大增加张开度在0.16～0.48 mm之间;灌浆前后横缝开合度变化量在0.06～0.28 mm之间。灌浆对横缝测缝计开合度有着明显的影响，自动化监测技术成功监测到横缝开合度变化最大值。

为了探究灌浆过程中横缝开合度变化情况，以2号横缝为例，绘制横缝测点开合度变化过程线。通过绘制开合度变化量与时间关系过程线，更加直观地了解灌浆过程中横缝开合度变化趋势和特点。J2-1-1横缝测缝计布置在2号横缝距离上游边线36 m处，J2-1-2横缝测缝计布置在2号横缝距离上游边线3 m处。接缝灌浆过程中坝体横缝开合度变化过程线见图6。

从图6可以看出，在接缝灌浆过程中，监测频率达到10 min一次，获得了丰富的监测数据。两支横缝测缝计开合度变化趋势相同，开合度变化量先增大后缓慢减小。灌浆过程中，随着灌浆压力的增大，横缝增加张开度同步增大，J2-1-1开合度最大变化量为0.48 mm，在同一时间段J2-1-2开合度变化量也达到最大值0.32 mm。开合度变化量呈先增大后减小趋势，与灌浆过程中存在缓慢增压后释放压力的施工过程有关，自动化监测技术准确捕捉了横缝开合度的整个变化过程。两组数据相互印证，且与现场施工特点符合较好，说明了自动化监测数据精确可靠。

4.2 施工期自动化监测总结

将自动化监测技术成功应用于白鹤滩水电站施工期接缝灌浆中。综合第一层灌区的监测成果分析，可得出以下结论：①施工期安全监测自动化技术频次高、精度高，准确捕捉了灌浆过程中横缝开合度的整个变化过程，达到了动态调整进浆压力和平压水压力的目的，对接缝灌浆过程起到了很好的指导作用。②施工期安全监测自动化技术有利于多测点短期同步观测、在线适时观测、远程控制观测和传输等，对实现动态监测、实时反馈、现代化管理具有重要意义。③实现工程安全稳定动态分析。人工观测包含了部分人为误差，需对异常数据现场复测和仔细校核，增加了工程安全稳定分析的难度，且耗时较多。自动化系统可避免人为误差，对监测数据快速整理分析并进行初步评判，实现工程安全稳定动态分析。同时，自动化系统采集的数据远比人工观测数据丰富，且同步性好，为结构计算分析提供了丰富的原始数据，提高了结构计算的精度，可为工程安全评价和相关安全决策及时提供重要的参考依据和技术支持。

5 结 语

水利水电工程中大坝接缝灌浆施工是保证大坝正常运行的重要一环，为确保灌浆施工的质量，在灌浆施工过程中安全监测工作必不可少。本文以白鶴滩水电站为例，将自动化监测技术成功应用于接缝灌浆中。实践证明，自动化监测技术远远优于传统的人工监测手段;利用该技术高频次、高精度、实时反馈以及经济高效的优点，可为接缝灌浆提供全过程监测数据，为施工质量和灌浆效果提供有效保障，具有很强的实用价值。

参考文献：

[1] 吕永宁，王玉洁，沈海尧. 水电站大坝安全监测自动化的现状和展望[J]. 大坝与安全，2007（5）：24-29.

[2] 谷云静.  水库大坝安全自动化监测问题研究[D]. 兰州：兰州理工大学，2011.

[3] 程浩，张忠举. 振弦式测缝计在碾压混凝土坝段接缝位移监测中的应用[J]. 华北水利水电大学学报（自然科学版），2016，37（5）：72-75，87.

[4] 张熊君. 溪洛渡双曲拱坝接缝灌浆施工[J]. 水电与新能源，2014（11）：24-27.

[5] 彭虹. 我国大坝安全监测自动化的演进与拓展[J]. 大坝与安全，2003（6）：13-18.

[6] 苟晓丽. 施工期大坝安全监测自动化系统的实施技术探讨[J]. 水电自动化与大坝监测，2014，38（1）：39-42.

[7] 赵花城. 水电站大坝安全监测自动化现状与发展目标[J]. 大坝与安全，2001（2）：34-37，44.

[8] 李署泽，周发海. 构皮滩水电站大坝接缝灌浆施工技术[J]. 水利水电施工，2013（2）：75-78.

（编辑：李 慧）