乌弄龙水电站大坝工程智能灌浆系统应用与研究

乌弄龙水电站大坝工程智能灌浆系统应用与研究

崔景涛 杨赟明 潘登喜

华能澜沧江水电股份有限公司古水建管局 云南省 昆明市 650000

摘要：灌浆是水利水电工程基础加固的重要措施，智能灌浆系统具备可自动配浆、可自动升压灌浆、可判断变浆标准和屏浆标准自动结束灌浆。用自动控制替代了人工配浆和人工控制灌浆压力，简化了灌浆过程中的记录操作过程。其自动灌注过程与人工控制取得的灌注单耗和灌注效果一致，能够满足各类型、各压力的灌浆需要，处理效果可靠。本工程的应用经验可供其他类似工程借鉴。

关键词：智能；灌浆；应用

1 工程概况

乌弄龙水电站是澜沧江上游河段梯级开发的第二级电站，下接为里底水电站，上邻为古水水电站。水库正常蓄水位1906.0m，校核洪水位1908.7m，总库容2.84亿m³，电站装机容量990MW。拦河大坝为混凝土重力坝，最大坝高137.5m。工程为二等大（2）型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为2级，次要为3级，各建筑物结构安全级别均为Ⅱ级。枢纽主要建筑物由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔和底孔及右岸地下厂房系统等组成。

大坝工程灌浆主要分布在混凝土重力坝工程和消能防冲工程两个单位工程中，由回填灌浆、固结灌浆、帷幕灌浆、接触及接缝灌浆四个灌浆类型组成。此次智能灌浆系统主要应用了固结灌浆和帷幕灌浆两个类型的灌浆，使用在了导流洞堵头、左岸EL1855.0m灌浆排水洞和消力池尾部左岸1840.0m高程帷幕灌浆平洞三个部位，主要处理导流洞堵头封堵后的固结灌浆和左岸EL1855.0m、1840.0m导流洞影响段的帷幕灌浆施工。

2 智能灌浆系统简介

2.1 主要组成部分和功能

此次应用的智能灌浆系统为某科技公司产品。其组成部分主要由：配浆罐、传感器柜、智能灌浆单元控制系统和数据中心组成。与此同时，在原有记录仪三参数传感器的基础上增加了数字位移传感器、数字温度传感器和高压调压阀门等传感设施和控制设施，辅助其实现智能化灌浆。

（1）配浆罐

配浆罐的主要功能是实现自动配浆。在罐体中部、底部和密度桶三个位置设置了密度传感器，分别对桶内浆液的密度、回浆密度实行全程检测。配浆时，储浆桶原浆和水通过自动控制阀放到配浆罐内，根据智能灌浆单元控制系统提供的水灰比和密度，自动添加水泥原浆和水并迅速调整至设置密度。同时配浆罐可适时监控桶内浆量和浆温，指导灌浆施工。

（2）传感器柜

传感器柜主要功能是收集压力、流量数据，并实现灌浆压力的自动控制。传感器柜内集成了压力传感器、流量计和高压调压阀门。采集的压力、流量数据反馈至智能灌浆单元控制系统，经过与设定的灌浆压力的对比，根据灌浆流量通过高压调压阀门自动控制升压和屏浆过程。

（3）智能灌浆单元控制系统

智能灌浆单元控制系统是智能灌浆系统的大脑，集参数设置、传感数据收集、数据处理和指令下达为一体。设计参数的录入、各传感器测得数据的收集均传输到控制系统内，经数据处理后，通过各控制阀门可以执行自动配浆、余浆舍弃、自动升压等，实现智能灌浆。

（4）数据中心

数据中心主要功能是数据采集、记录、传输和通信控制。数据显示、班报的记录和打印均通过数据中心实现，同时采集的数据可通过现场网络上传至智能灌浆专家系统后进行集中存储。

2.2 智能化体现

通过上诉描述，智能灌浆系统与常规的三参数记录仪对比其智能化主要体现在：可自动配浆、可自动升压灌浆、可判断变浆标准和屏浆标准自动结束灌浆。

3 智能灌浆系统的应用方案

3.1 应用目的

（1）检验智能灌浆系统使用的稳定性和可靠性；

（2）检验智能灌浆系统处理效果的可靠性；

（3）根据实际人工消耗，分析其具备的社会经济效益；

（4）根据实际的使用状况，为智能灌浆系统的完善提出改进意见。

3.2 实施方案和内容

（1）选取典型的固结灌浆区域进行中、低压水泥灌浆，选取典型的帷幕灌浆区域进行高压水泥灌浆。检验其在高、中、低压水泥灌浆中使用的稳定性和可靠性。

（2）在灌浆部位除智能灌浆系统外，引入原灌浆长沙力金JT-IV型记录仪，同时使用两种记录仪进行灌浆，并分别建立灌浆台账，统计灌浆耗量、平均单耗等参数，对比同一地层下两中灌浆方式的耗量差异。灌浆完成后，根据设计指标对灌浆部位进行灌后检查，根据检查孔合格率、不合格孔段的分部情况结合灌注情况，分析处理效果的可靠性。

（3）实施过程统计设备的维修情况、故障情况，结合使用过程中的实际投入，初步分析其产生的经济效益，并对出现的问题和使用不便情况，给出提升、改进建议。

4 智能灌浆系统的使用概况

4.1 使用部位、时段及完成工程量

此次智能灌浆系统应用在导流洞堵头、左岸EL1855.0m灌浆排水洞和消力池尾部左岸1840.0m高程帷幕灌浆平洞三个部位，主要处理导流洞堵头封堵后的固结灌浆和左岸EL1855.0m、1840.0m导流洞影响段的帷幕灌浆施工。

导流洞堵头固结灌浆自2019年3月21开始，2019年4月29日结束，完成固结灌浆2800m。

左岸EL1855.0m灌浆排水洞导流洞影响段帷幕灌浆自2019年5月18开始，2019年6月12结束，完成帷幕灌浆1830.67m。

左岸EL1840.0m灌浆排水洞导流洞影响段帷幕灌浆自2019年6月29日开始，2019年7月2日结束，完成帷幕灌浆157.44m。

完成的灌浆工程量及不同系统完成的工程量统计如下表所示：

表4.1-1完成工程量统计表

4.2灌浆过程实施概况

4.2.1灌注部位的布孔及灌浆参数

（1）导流洞堵头固结灌浆

导流洞堵头固结灌浆施工分两序，按环间分序，环内加密的原则进行，按照Ⅰ序环Ⅰ序孔→Ⅰ序环Ⅱ孔→Ⅱ序环Ⅰ序孔→Ⅱ序环Ⅱ序孔的顺序施工。两个导流洞布置基本一致，单个洞室布置11环灌浆孔，环间距3.0m，每环孔数20个，孔深为5m其中前两环孔孔深为10m。

主要施工方法：采用XY-2型地质钻机钻孔。孔深5m的孔段采用全孔一次性灌浆法，孔深10m的孔采用孔口卡塞自上而下分段灌浆，分4m/6m两段实施，射浆管距孔底不大于50cm。钻孔完成后先进行裂隙冲洗和压水试验，然后卡塞灌浆。灌浆结束后进行封孔灌浆。

主要施工参数：固结灌浆孔钻孔孔径为Φ56mm，钻孔完成后进行钻孔冲洗，直至孔内岩屑清洗干净为止，孔内残留物不超过20cm，并做好孔口保护。灌浆前选择有代表性的孔进行简易压水试验，压水试验可在各序孔中选取不少于5%的灌浆孔进行试验，并且在裂隙冲洗后进行。压水压力为灌浆压力的80%，并不大于1MPa，压水20min。灌浆压力为Ⅰ序环Ⅰ序孔0.5MPa，Ⅰ序环Ⅱ序孔1.0MPa，Ⅱ序环Ⅰ序孔0.5～0.6MPa，Ⅱ序环Ⅱ序孔1.0～1.2MPa。灌浆浆液水灰比采用3:1、2:1、1：1、0.5:1 四个比级，开灌水灰比为3：1。变浆遵循变浆原则。各灌浆段在最大设计压力下，注入率小于1L/min后，即达到屏浆标准，继续灌注30min即可结束灌浆。封孔采用0.5:1的浓浆置换掉孔内稀浆，再采用最大灌浆压力进行灌浆封孔，屏浆30min。

（2）帷幕灌浆

左岸EL1855.0m灌浆排水洞导流洞影响段帷幕灌浆采用双排布置, 按照先施工B排帷幕灌浆（下游排）再施工A排帷幕灌浆（上游排）的顺序施工，排内分两序施工先施工Ⅰ序孔再施工Ⅱ序孔。双排孔基本布置为排距1.0，孔距2.0m。左岸EL1840.0m灌浆排水洞导流洞影响段帷幕灌浆采用单排孔布置，排内分两序施工，施工Ⅰ序孔再施工Ⅱ序孔，孔距2.0m。

主要施工方法：采用XY-2型地质钻机配金刚石钻头或硬质合金钻头进行造孔。001段采用自上而下、孔口卡塞、孔内循环分段灌浆法。001段灌浆结束后镶铸孔口管，待凝72h以后进行以下段次钻孔，以下段次采用孔口封闭灌浆法进行裂隙冲洗、压水试验和灌浆，循环施工至终孔，进行封孔灌浆。

主要施工参数：钻孔孔径：抬动孔孔径为76mm、先导孔孔径为91mm，灌浆孔孔径为76mm，检查孔孔径为91mm。钻孔完成后进行钻孔冲洗，冲洗时间不少于20min。灌浆前须进行裂隙冲洗、Ⅰ序孔单点法压水试验和其他孔简易压水。单点法压水和简易压水压力为灌浆压力的80%，并不大于1MPa，压水20min。段长及压力划分见4.2-1：

表4.2-1灌浆排水平洞帷幕灌浆分段及灌浆压力参数表

水灰比采用3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1（重量比）五个比级。当灌前压水试验（或简易压水）：当Ⅰ序、Ⅱ序孔灌前压水试验透水率大于100Lu时，可直接采用2:1浆液开灌，若开灌10分钟内，吸浆量小于20L/min，则变稀一级继续灌注。变浆遵循变浆原则。各灌浆段在最大设计压力下，注入率小于1L/min后，即达到屏浆标准，继续灌注30min即可结束灌浆。封孔采用0.5:1的浓浆置换掉孔内稀浆，再采用最大灌浆压力进行灌浆封孔，屏浆60min。

4.2.2灌浆成果统计分析

（1）导流洞固结灌浆

导流洞固结灌浆各孔序灌注成果统计见下表：

表4.2-2 导流洞固结灌浆各次序孔单位注入量统计表

表4.2-3 导流洞固结灌浆各孔序孔单位注入量分析图

分析：从上表可以看出，导流洞固结灌浆Ⅰ序孔单耗为265.16Kg/m，Ⅱ序孔单耗为147.55Kg/m，平均单耗为206.36Kg/m，Ⅱ序孔单耗较Ⅰ序孔耗减少44.35%。灌浆单耗随灌浆次序的逐次增加而成显著的逐次减少现象，符合正常灌浆的规律，表明灌浆效果明显。同时分别统计了智能灌浆记录仪的灌浆段次单耗情况，可见其Ⅰ序孔单耗为255.25Kg/m，Ⅱ序孔单耗为145.31Kg/m，平均单耗为200.28Kg/m，递减率为43.07%，并且与自动记录仪和整体的单耗的情况持平。说明智能灌浆的灌注方法和人工操作的差异并不大。

（2）帷幕灌浆

帷幕灌浆各孔序灌注成果统计见下表：

表4.2-4帷幕灌浆各次序孔单位注入量统计表

表4.2-5 帷幕灌浆各孔序孔单位注入量分析图

分析：从上表可以看出，帷幕灌浆Ⅰ序孔单耗为240.47Kg/m，Ⅱ序孔单耗为158.05Kg/m，平均单耗为196.17Kg/m，Ⅱ序孔单耗较Ⅰ序孔耗减少34.28%。灌浆单耗随灌浆次序的逐次增加而成显著的逐次减少现象，符合正常灌浆的规律，表明灌浆效果明显。分别统计智能灌浆记录仪的灌浆段次单耗情况，可见其Ⅰ序孔单耗为327.51Kg/m，Ⅱ序孔单耗为170.77Kg/m，平均单耗为249.63Kg/m，递减率为47.86%，同样符合灌浆规律。但是从单耗的分布来看，与自动记录仪和整体的单耗均有明显差异，且规律性和匹配性明显不同于导流洞固结灌浆。这与帷幕灌浆的灌浆部位有关联，此次施工的帷幕灌浆穿过导流洞封堵段，中间段次部分为混凝土，影响段次达到200余段。为最大限度的测试智能灌浆系统的性能，在灌浆开始之初项目部明确尽量安排基岩段次采用智能灌浆系统灌注，因此混凝土及影响段少有使用智能灌浆系统灌注，导致平均单耗大于自动记录仪。

固结灌浆各孔各段次灌浆单耗及采用的是智能灌浆系统灌注还是长沙力金记录仪灌注详见附件《灌浆综合剖面图》。

4.2.3 完成部位检查情况

（1）导流洞固结灌浆

导流洞固结灌浆共布置检查孔22个，压水27段，压水情况和透水率分部区间如表所示：

表4.2-6导流洞固结灌浆灌后检查孔透水率区间/频率统计分析

导流洞固结灌浆压水共27段,平均透水率为1.19Lu，0 Lu≤q＜1.0Lu的共11段，占41%，1.0 Lu≤q＜3.0Lu的共16段，占59%，全部满足设计标准≤5.0Lu的要求。该部位检查合格，说明智能灌浆系统灌浆效果满足要求，导流洞固结灌浆采用中低灌浆压力，说明智能灌浆系统能胜任此类灌浆。

（2）帷幕灌浆

帷幕灌浆灌后检查孔左岸1855导流洞影响段布置检查孔6个，压水100段；左岸1840布置预计布置检查孔1个，压水10段，合计压水110段。压水情况和透水率分部区间如表所示：

表4.2-7 帷幕灌浆灌后检查孔透水率区间/频率统计分析

帷幕灌浆灌后检查孔压水共110段,平均透水率为0.45Lu。其中左岸1855帷幕灌浆平均透水率0.45Lu，均小于1Lu，全部满足设计标准≤1.0Lu的要求；左岸1840帷幕灌浆平均透水率0.38Lu，均小于1Lu，全部满足设计标准≤3.0Lu的要求。该部位检查合格，说明智能灌浆系统灌浆效果满足要求，帷幕灌浆为高压灌浆，说明智能灌浆系统能胜任此类灌浆。

4.3 故障统计与维护

两次安装、拆卸均由厂家指导完成，经率定和测试完成后投入使用。安拆过程严格按照厂家要求对设备精密部分进行保护，整个运行过程未发生零部件意外损坏事件。

相关人员经厂家培训合格后上岗，灌浆作业操作规范、灌浆过程维护保养到位，未发生一起操作不当造成系统损坏事件。现场实测压力、流量、密度均与记录仪显示值一致，长期使用未发现有较大偏差，系统稳定性和精密度均表现良好。

灌浆过程中发生过一次管路堵塞、压力急剧上升出现爆管的情况，高压调压阀门无法泄压。经联系厂家故障解决后，系统运行正常。

5 经济效益分析

自动灌浆系统在原有记录仪的基础上，用自动控制替代了人工配浆和人工控制灌浆压力，简化了灌浆过程中的记录操作过程。根据现场使用情况，单台设备可减少配浆工1人；简化记录操作可解放记录员实现多台设备同时操作，单台设备记录员配置减少3/4人。连续施工，各电站灌浆工期通常为1.5年，单台设备累计可节约人工：（1+3/4）*1.5年*12月/年*6000元/月≈20万元。

6 应用效果及评价

（1）该套系统故障率较低、系统稳定性好、计量仪器精密度良好，通过现场使用证明其具备良好的稳定性和可靠性。

（2）灌浆单耗分析，其自动灌注过程与人工控制取得的灌注单耗和灌注效果一致，能够满足各类型、各压力的灌浆需要，处理效果可靠。

（3）具备有一定的经济效益，值得推广应用。若要完全应用，还需解决特殊情况下的使用问题。

7 应用建议

（1）智能灌浆系统的管路布置上与原三参数循环灌浆相比，取消了泵上回浆的设置。在灌浆过程中，若在高压调压阀门前出现管路堵塞，将无法对灌浆压力进行调节，不利于施工安全。建议增加管路设置上增加泵上回浆。

（2）智能灌浆系统的原始班报上有二维码，根据厂家提供的使用说明，二维码是防伪码，与基础数据（如孔号、段次、注入量、时间）相关。现阶段，该系统正处于推广应用阶段，难免会与其他厂家的记录仪混合使用、交替施工，需要直面一个问题就是灌浆台账的齐全性问题。是否进一步研究二维码的生成和使用，通过扫描二维码，实现台账的自动录入。

（3）软件在加密、后台存储以及信息共享上做了大量研究，是否考虑对现场灌浆参数的录入方面进行研究，尤其是针对多段次的同一个孔。在输入孔号后就能显示这个孔已经灌了几段，应该灌第几段，相关孔深设置和其他参数的设置根据上一段的数据自动录入，可大量减少现场记录员的工作量和防止漏段、重灌情况的发生。

（4）对于大吃浆量地层，尤其是无压无回的地层，在灌注过程中，通常需要取掉回浆管，待注入量减少具备一定的流量能将返浆顶回搅拌槽的时候才会装上回浆管，防止回浆堵塞灌浆管路，而智能灌浆系统需要有回浆才会有实测密度。而且对于有外漏和需要限压、限流的段次，以及有抬动需要限制进浆流量的段次，其自动灌注过程受限，厂家还需继续更新完善特殊情况的处理，否则只能使用在正常小吃浆量的地层中。

参考文献：

[1]樊启祥、黄灿新、蒋小春.水电工程水泥灌浆智能控制方法与系统.水利学报,2019年第02期.

[2]钟登华、时梦楠、崔博.大坝智能建设研究进展. 水利学报,2019年第01期.