非接触式灌浆智能监测技术在抽水蓄能电站工程应用研究
时间：2023-03-02 22:55:04 来源：千叶帆 本文已影响人
唐国峰，崔志刚，刘锦程，鲁恩龙，赵绪新，叶红星
（1.黑龙江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龙江省牡丹江市 157000；
2.北京大云物移智能科技有限公司，北京市 100144）
抽水蓄能电站上、下水库大坝、地下洞室群工程建设过程中，通过水泥灌浆进行基础加固和防渗处理是提高坝基地质体密实性和减小渗漏量的一项十分重要且有效的工程措施[1]。其灌浆质量稳定事关工程全生命期运行安全，然而由于工程地质条件的复杂性和浆液扩散的不确定性，如何有效监控灌浆施工质量是工程建设质量控制的研究热点与难点。当前，灌浆施工作业过程主要依靠人工取样和传统灌浆记录仪设备实现对灌浆施工作业监控，虽实现对现场灌浆施工相关数据采集记录，但存在监测数据精准度较差、数据共享难、安装移动不便、外部环境干预影响较大等诸多管理难题。为此需要研究一套新的灌浆施工质量监测技术实现对现场灌浆施工过程质量监控，解决传统灌浆施工过程中质量控制管理难题。
1.1 灌浆施工数据采集质量难以保障
现有灌浆施工过程大多采用质量密度桶等接触式检测技术对灌浆质量进行在线监测如图1所示，但由于水泥浆液具有一定的附着性，质量密度桶测量膜片极易被附着及磨损，极大地影响了灌浆质量密度测量结果。同时，传统数字灌浆技术数据多为在线采集记录，灌浆数据传输及记录的成果易受干扰，灌浆数据的时效性难以保证。
图1 现场灌浆记录仪系统Figure 1 Theon-site grouting recorder system
1.2 隐蔽工程施工监管难度较大
灌浆作业属于隐蔽工程，一直都是水电工程施工质量管理的核心与焦点。水泥灌浆常作为水利水电工程改善不良地基和大坝防渗处理的重要手段。但由于是隐蔽施工，施工对象的特征不确定，灌浆技术在很大程度上受操作人员的主动性及施工的复杂工艺影响，施工过程难以直观的表现，易出现违规的操作，影响灌浆工程的质量[2]。当前，工程灌浆施工管理通常依赖于作业队伍专业素养与责任，作业质量及工程监管难度较大，效率低，响应慢，难以对工程建设过程各环节进行实时、客观、全面管控，无法满足精细化施工控制要求。
1.3 灌浆施工智能化手段缺乏，无法远程监控
目前，灌浆施工作业过程中虽采用了灌浆记录仪等监测技术手段进行管理，但多数情况下，业主及监理工程师还无法实时掌握和控制所有作业点的质量与进度。为提升施工管理，保证工程质量及提高工作效率，就迫切要求提高灌浆施工的自动化与智能化，实现灌浆作业的远程监控[3]。
1.4 灌浆施工作业移动频繁，文明施工较差
文明施工是工程建设的主要内容，灌浆施工现场环境较为复杂，尤其是在洞室廊道内，施工空间狭窄，限制条件较多。传统灌浆记录仪设备常分散安装在作业地点，现场设备乱停乱放、管线布置凌乱、人员穿越行走不便等问题较为突出，不仅影响空间占用较大影响现场文明施工，同时，灌浆施工作业移动频繁，设备拆换移动搬运十分不便，往往给施工带来不便。
针对抽水蓄能电站上述灌浆施工特性与管理难点，本文研发出非接触式灌浆智能监测技术，该技术主要由应用层、平台层、网络层和感知层组成，其主要系统架构图如图2所示。系统实现了对灌浆施工整体情况综合展示，为工程建管人员提供灌浆施工在线监管功能，包括灌浆施工进度完成、施工作业分布、灌浆质量数据及预警等信息，将现场灌浆施工过程质量数据统一在系统展示，全面展示灌浆施工情况，有效解决灌浆施工监管难题，为灌浆施工质量控制提供监管手段。
图2 灌浆施工智能监测系统架构图Figure 2 The architecture diagram of intelligent monitoring system for grouting construction
本文研发的灌浆施工智能监测系统包括：集成一体化设计、无网络数据共享和非接触式检测。
2.1 集成一体化设计
抽水蓄能电站现场环境条件复杂，且灌浆施工现场作业面较大、设备频繁移动，传统灌浆记录仪设备在现场灌浆施工监测过程中其设备分散布置安装在作业面内，设备较为凌乱，文明施工较差。采用非接触式智能灌浆监测技术不仅解决灌浆质量数据采集精准、数据质量可靠性难题，其装置一体化设计更充分考虑现场灌浆施工环境复杂性，作业移动、安装、维护便捷性等需求，基于工业化模块设计思想，构建“可移动、模块化、一体化、可维护”新型灌浆监测一体化装置，其安装使用打破传统零散式安装方法，将灌浆施工质量监测涉及的流量、压力、密度检测设备集成在一个可移动式装置内，装置两端法兰接头可与现场注浆软管衔接，更加方便现场安装实施。非接触式灌浆监测技术相比传统接触式检测具有测量精度高、易维护、安装便捷、外部环境干预性较小等特点，更适合现场复杂的工况环境，拥有较好的延展性，更加适合未来发展需要。
2.2 无网络数据共享
传统数字化灌浆监测信息系统是利用现代化通信技术（自组网、WIFI、4G等网络通信）实现异地间的监测与诊断行为[7]，但灌浆施工现场常常面临无正常网络通信条件或组网通信代价较大情况，其数据共享、集中监管难题依然存在。如图3所示，非接触式灌浆施工智能监测系统不仅实现对有网络环境下数据实时采集、传输，现场非接触式灌浆记录采集装置具有独立数据处理单元和数据防护、认证机制，对现场灌浆过程原始数据记录。在无网络环境下，可通过现场灌浆管理移动终端对现场非接触式灌浆记录采集装置进行认证，对灌浆过程记录进行离线采集，在具备网络环境地方移动终端将采集的离线数据自动传输至线上平台，实现了无网络环境下数据采集共享，实现灌浆施工统一监管，解决现场无网络环境下数据采集、共享难题，打破“信息孤岛”堡垒。
图3 非接触式灌浆数据采集共享机制Figure 3 Non contact grouting data acquisition and sharing mechanism
2.3 非接触式灌浆智能检测技术
2.3.1 非接触式智能灌浆检测技术结构设计
非接触式智能灌浆智能检测结构设计以“移动便携、精准采集、智能管控”为理念，在设计上充分考虑现场设备安装、移动搬运、设备维护等因素，采用模块化组装、集成一体的应用方法，现场应用实施便携，结构设计如图4所示。
图4 非接触式灌浆检测技术结构设计Figure 4 The structure design of non-contact grouting inspection technology
该智能检测设备一般以外夹方法安装在所需测量介质媒介上：
（1）可根据现场灌浆管路大小情况，提前预置一个可拆卸的管路（一般与现场注浆管路尺寸一致）；
（2）预支管路两端设计为转换螺母接头，可直接用于和现场灌浆软管的连接；
（3）将非接触式检测设备外夹至预置管路上，并安装相关接收采集器；
（4）管路两端与现场灌浆软管螺头直接相连。
2.3.2 非接触式灌浆智能检测技术基本原理
图5中最核心的技术为非接触式检测设备，该设备采用伽马射线进行检测，伽马射线法被普遍认为是最精确的无损检测方法，在仪器的感受元件不与被测物体表面接触的情况下，即可获取被测物体的各种外表或内在的数据特征，实现对象非接触检测。
图5 非接触式伽马射线检测技术原理Figure 5 Principle of non-contact gamma ray detection technology
伽马射线法的检测原理建立在伽马射线与物质发生相互作用过程中，利用康普顿-吴有训散射效应，根据γ射线穿透物质能力与物质密度成反比原理而得出测量物质密度，进而检测灌浆浆液[4-6]。
该检测技术是通过在管道一侧安装γ射线源，另一侧装γ射线接收装置，γ射线穿过被测管内液体或物质后部分被吸收，剩余部分射线被接收端器所接收，从而根据接收到的伽马射线的衰减程度，计算出电离辐射通量的变化情况，测量计算得到被测介质的密度。
（1）放射源发出γ射线；
（2）射线穿透仓壁和被测介质；
（3）随着介质液面变化接收器处的γ射线强度会相应变化；
（4）接收器将辐射转换为电信号输出。
2.3.3 非接触式伽马射线检测泥浆密度数据方法模型
放射源在衰变过程中稳定的放出一定强度的γ射线，射线穿过管道或容器中的被测介质，并被测介质吸收后衰减，介质密度越大衰减越大。
管道被测介质密度计算公式：
式中：Cn0——未穿过待测样品时的计数率；
Cnt——穿过待测样品后的计数率；
D——射线穿过待测样品的管径；
μ——介质质量吸收系数；
ρ——被测介质密度；
STD——标准物质密度。
本项目采用伽马射线技术装置其放射源活度小于106Bq，低于标准要求的豁免活度水平，符合《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》规定，具有国家环保部门的全国豁免使用证明，可直接使用且对人体没有直接伤害。伽马射线检测技术应用不仅实现了对现场灌浆质量数据快速、准确、稳定的检测，同时其检测结果不受外部环境干预影响，相比传统接触式检测技术其数据质量更高效、更精准，满足现场灌浆施工质量检测需求。
黑龙江荒沟抽水蓄能电站上水库库岸、主坝、副坝等均设计有帷幕灌浆，同时洞室内也设计有固结灌浆和回填灌浆，整个工程灌浆量较大。其施工质量直接关系到电站安全和后期能否正常运行，质量管控难度较大。2019～2020年，现场分别在大坝段帷幕灌浆、进出水口段固结灌浆和回填灌浆施工部位采用了非接触式灌浆监测技术对现场灌浆质量进行监测，如图6所示。
图6 现场帷幕、固结、回填灌浆应用Figure 6 The on-site application of curtain，consolidation，backfill grouting
图7为现场应用，通过非接触式灌浆监测技术实现灌浆施工实时监测，对影响施工质量的各种关键控制参数进行跟踪分析与预警，及时预警施工人员及管理人员采取工程措施确保施工质量，使得工程建设管理人员能全过程、实时、有效控制工程施工质量。现场非接触式灌浆记录仪系统和在线灌浆施工智能监测系统如图7所示。根据现场应用情况证实了非接触式灌浆监测技术在满足现场灌浆记录仪灌浆数据监测管理要求基础上，相比传统灌浆施工过程质量监测数据更精准、更高效，现场应用取得了良好效果，非接触式监测技术应用对现场灌浆施工质量过程控制起到重要作用。
图7 现场灌浆施工在线监测Figure 7 On line monitoring of grouting construction
现场采用非接触式灌浆检测的水泥浆液密度数据与采用传统接触式密度检测数据对比如表1所示。从表中可以明显看出，与传统接触式检测相比，采用本文提出的非接触式伽马射线检测结果与试验比重测量标准值误差较小，常用水灰比下的差值均值仅为0.00375，而传统接触式检测结果差值较大，其均值为0.024，误差较大。也充分说明了本文提出的非接触式灌浆检测技术对现场灌浆质量数据采集更为精准，更加精准测量反应现场施工注浆质量情况。
表1 密度检测数据对比表Table 1 The density test data comparison table
大型水电工程建设和运行面临更加复杂的自然环境和社会环境，需要运用数字化、信息化、智能控制技术，落实精细化管理措施，从而保证施工质量和工程全寿命周期的安全可靠运行[8]。灌浆施工自动化、智能化是灌浆技术发展和管理管理提升的重要方向，通过在荒沟电站开展非接触式灌浆智能监测技术应用研究，证实了非接触式伽马射线技术在灌浆质量检测可行性，验证了非接触式测量数据精度，建立了非接触式灌浆智能检测成套技术方法。同时，通过开展非接触式灌浆智能监测技术研究试验与工程应用，不断创新与探索灌浆工程质量控制方法，更好地适应生产实践的现实要求，建立了新型一体化灌浆监测设备，推动灌浆监测成套设备技术革新，为提升灌浆工程施工质量控制与保障打下了良好的基础。
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