某河床式水電站大壩閘墩揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與滲漏處理方法

劉 勇，趙 偉

（1.山東弘潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 聊城 252000；2.聊城市位山灌區(qū)管理處，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著水庫(kù)電站運(yùn)行時(shí)間的變長(zhǎng)，大壩的老化是客觀規(guī)律，尤其是針對(duì)河床式水電站，大壩閘門啟閉相對(duì)頻繁，大壩閘墩運(yùn)行維護(hù)難度較大，容易產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)疲勞疏松或強(qiáng)度降低，并產(chǎn)生裂縫滲漏現(xiàn)象，若不進(jìn)行及時(shí)處理，會(huì)引起鋼筋銹蝕和析鈣，引起大壩結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，對(duì)整個(gè)大壩安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1]。對(duì)河床式水電站大壩閘墩滲漏裂縫處理難度很大，也是諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，也提出了許多處理方法。李才、李正國(guó)等在豐滿大壩溢流壩段閘墩加固中提出了水平對(duì)穿錨索縫內(nèi)灌漿法[2，3]，結(jié)合有限元法模擬方法，在裂縫處理澆筑過(guò)程中結(jié)合應(yīng)力分布分析進(jìn)行處理，雖然取得了較好的效果，但是該方法未必適合河床式水電站大壩閘墩群的滲漏裂縫處理。王健提出了基于ANSYS軟件的三維整體式和組合式有限元模型[4]，建議選用SCC自密實(shí)混凝土灌漿嵌縫、體外粘貼CFRP碳纖維網(wǎng)格布的方法，但更加注重理論分析和計(jì)算機(jī)仿真。覃杰等在巖灘水電站溢流壩閘墩尾部表面裂縫檢測(cè)及處理過(guò)程中，提出了結(jié)合超聲波檢測(cè)的化灌深度處理方法[5]，雖效果較好但是要在每個(gè)閘墩裂縫處布置超聲波探測(cè)儀，成本很高不經(jīng)濟(jì)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的發(fā)展，很多大壩閘墩實(shí)現(xiàn)了基于揚(yáng)壓力的在線實(shí)時(shí)滲漏監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用云技術(shù)的大數(shù)據(jù)積累，大壩閘墩群之間可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析對(duì)比和預(yù)測(cè)預(yù)警。這為基于揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的大壩閘墩滲漏處理方法的研究提供了基礎(chǔ)。筆者有幸參與了本項(xiàng)研究工作，并將研究成果應(yīng)用到實(shí)踐，以最經(jīng)濟(jì)的成本完成了案例大壩的閘墩群滲漏裂縫的處理，并取得很好的效果。

1 總體方案設(shè)計(jì)

一般河床式水電站大壩閘門孔數(shù)較多，形成閘墩群，一般揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在閘墩靠閘門兩側(cè)，分為左右兩個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，揚(yáng)壓力物聯(lián)網(wǎng)傳感器種類繁多，針對(duì)不同水下環(huán)境可以多種設(shè)備相互配合，如精密型測(cè)壓計(jì)、滲壓計(jì)、電測(cè)水位計(jì)、測(cè)深鐘等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備相互配合，使得采集數(shù)據(jù)異構(gòu)多樣，采集的數(shù)據(jù)可以接入無(wú)線發(fā)射終端，傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)可以在大壩管理中心或集控中心工作站中顯示數(shù)據(jù)[6]。多元異構(gòu)數(shù)據(jù)首先通過(guò)ETL數(shù)據(jù)預(yù)處理平臺(tái)進(jìn)行預(yù)處理，再通過(guò)HADOOP大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)濾、清洗、預(yù)處理等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)性、可靠性和完整性[7]。然后數(shù)據(jù)通過(guò)揚(yáng)壓力分析單元，在各閘墩實(shí)時(shí)水頭或平均水頭下，分析浮托力和滲壓力，即分析閘墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力大小、分布和變化過(guò)程。揚(yáng)壓力分析單元的核心作用是進(jìn)行失真和丟包處理，如何進(jìn)行處理是一個(gè)值得研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，將在后面章節(jié)中描述。揚(yáng)壓力分析單元的數(shù)據(jù)將以方程組的形式存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫(kù)中，方程組的解集可以傳輸?shù)奖容^單元，在比較單元中與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8，9]進(jìn)行比較，對(duì)不合格的閘墩即揚(yáng)壓力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的閘墩開(kāi)展集中處理，在處理過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察揚(yáng)壓力的變化，直到處理合格為止，總體方案如圖1所示。

圖1 總體方案框架圖

2 揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

揚(yáng)壓力分析單元是一個(gè)基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)的分析模塊，包含計(jì)算單元和存儲(chǔ)單元，由SQLAPI數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)處理[10]。針對(duì)揚(yáng)壓力失真問(wèn)題，該單元集成了一種指數(shù)窗實(shí)時(shí)修正法[11]。而針對(duì)揚(yáng)壓力丟包問(wèn)題，則集成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法[12]。

2.1 揚(yáng)壓力丟包神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法

由于通訊鏈路以及惡劣天氣雷電的影響，在揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程，總會(huì)產(chǎn)生丟包現(xiàn)象，本研究采用一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法的大數(shù)據(jù)處理方法。依據(jù)可拓理論和可拓方法，可以利用一種改進(jìn)的可拓距離作為測(cè)度工具, 如式（1）所示。

式中，D作為測(cè)度可拓距離，[wU，wL]為某一個(gè)物元區(qū)間，可代表閘墩庫(kù)水位到閘基的區(qū)間，x為物元區(qū)間外某一待測(cè)物體，可以代表?yè)P(yáng)壓力觀測(cè)點(diǎn)。D用來(lái)判別待測(cè)物體x和一個(gè)區(qū)間[wU，wL]的可拓距離。

如果xi={xx1，xx2，…，xxn}有n個(gè)揚(yáng)壓力特征值，那么當(dāng)Dp=min{Dm}＞n, 則說(shuō)明了xi不屬于類別p，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的類別，此時(shí)xi被過(guò)濾，將重新定義xi填補(bǔ)丟包揚(yáng)壓力。如果Dp＜n，則揚(yáng)壓力數(shù)據(jù)樣本xi屬于類別p，對(duì)類別p所對(duì)應(yīng)的權(quán)值和中心點(diǎn)的進(jìn)行調(diào)整, 如式（2）～（5）所示。

其中：Mp是目前屬于類別 的實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力樣本個(gè)數(shù)。

如果輸入第i個(gè)揚(yáng)壓力樣本數(shù)據(jù)xi從舊的類別O變換到新的類別k，則調(diào)整類別O相對(duì)應(yīng)的權(quán)值和中心, 如式（6）～（9）所示。

由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論可知，在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程只需要調(diào)整類別O和類別k所對(duì)應(yīng)的權(quán)值, 相比于其他的各種非監(jiān)督學(xué)習(xí)算法,其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間將大大縮短,且容易獲取數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí), 在聚類過(guò)程中將保持穩(wěn)定和可塑等特征。但想要保持良好的聚類效果，如何選擇閾值距離參數(shù)非常重要，需要結(jié)合大壩特性、水庫(kù)水位變化程度、揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度等方面進(jìn)行不斷調(diào)整。

2.2 揚(yáng)壓力失真指數(shù)窗實(shí)時(shí)修正法

設(shè)某時(shí)刻揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集了一組水庫(kù)水位Hi和揚(yáng)壓力Pi，其三次多項(xiàng)式擬合方程的表達(dá)式為：

按指數(shù)窗將新舊數(shù)據(jù)疊加，對(duì)新的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揚(yáng)壓力P和庫(kù)水位H可以表達(dá)為：

對(duì)于舊數(shù)據(jù)取衰減因子α（0＜α＜1,例如可取α＝0.95），并與新數(shù)據(jù)合并得：

于是，對(duì)于最新采集的數(shù)據(jù)P和H，通過(guò)以上方法擬合并修正，可以使庫(kù)水位和揚(yáng)壓力的方程更加準(zhǔn)確，這有利于后續(xù)更加精確分析和求解。

2.3 大壩閘墩滲漏處理工藝改進(jìn)

經(jīng)過(guò)揚(yáng)壓力觀測(cè)點(diǎn)“補(bǔ)短板”、揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)失真和丟包問(wèn)題的解決，為大壩閘墩滲漏處理工藝與方法的改進(jìn)提供了科學(xué)的決策。傳統(tǒng)的閘墩滲漏處理在處理完成后需要做嚴(yán)格的離線檢測(cè)分析，需要電站較長(zhǎng)時(shí)間的暫停發(fā)電而影響發(fā)電效益，而揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析將在不影響水電站發(fā)電運(yùn)行的情況下實(shí)施。

水下閘墩滲漏處理工藝分為兩個(gè)階段，第一階段是對(duì)防滲墻施工縫、閘墩垂直結(jié)構(gòu)縫、護(hù)坦水平伸縮縫、防滲墻水平伸縮縫的處理[13]。第二階段是依據(jù)揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)防滲墻本體加固處理[14]。改進(jìn)工藝流程如圖2所示。

圖2 水下閘墩滲漏處理改進(jìn)工藝流程

3 案例分析

趙山渡水庫(kù)河床式水電站位于飛云江干流溫州瑞安高樓鎮(zhèn)，安裝有2臺(tái)10 MW燈泡貫流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，總庫(kù)容3 414萬(wàn)m3，大壩設(shè)有16個(gè)閘孔，其中淺灘區(qū)9孔，主槽區(qū)7孔，單孔寬12 m，最大閘高為29.0 m。主體工程于1998年7月16日開(kāi)工，2000年9月26日下閘蓄水，同年11月28日第一臺(tái)機(jī)組開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電，至今已經(jīng)運(yùn)行了10多年。在每個(gè)重力壩段、閘室右閘墩（16號(hào)為左閘墩）的0+000.80 m處各布置1個(gè)壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔， 以監(jiān)測(cè)壩基縱向揚(yáng)壓力的分布情況。另選擇3號(hào)、12號(hào)閘室右閘墩為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面，在0+019.00 m和0+034.00 m各增設(shè)了1個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔，以監(jiān)測(cè)壩基橫向揚(yáng)壓力分布情況，整個(gè)壩段上共設(shè)置22個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔，編號(hào)為：UP-Y1、UP-X1、UP-X2、UPX3、UP-X32、UP-X33、UP-X4、UP-X5、UP-X6、UP-X7、UP-X8、UP-X9、UP-X10、UP-X11、UPX12、UP-X122、UP-X123、UP-X13、UP-X14、UPX15、UP-X16、UP-Z1。揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔深入建基面以下1.0 m，孔內(nèi)安裝滲壓計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)[15]。

依據(jù)《2018年趙山渡大壩觀測(cè)資料分析報(bào)告》和從揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，左、右岸重力壩段揚(yáng)壓力水位總體較高，滲壓系數(shù)范圍在0.36～0.96之間，均大于0.35，不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，很多閘墩結(jié)構(gòu)垂直伸縮縫個(gè)別部位呈滴水滲漏狀，結(jié)構(gòu)垂直伸縮縫滲漏均發(fā)展成有壓噴射狀漏水，為此開(kāi)展了大壩閘墩滲漏處理和方法研究工作。

3.1 揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與處理

以重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面12號(hào)閘室右閘墩UP-X12為例，從2011年12月～2015年11月的大數(shù)據(jù)分析并繪制圖形如圖3所示。從圖3（a）可知，2012年7月、2013年11月、2015年6月～9月等月份存在數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法進(jìn)行修正，修正后如圖3（b）所示。從分析單元反饋分析結(jié)果可知，2012年8月～11月、2013年12月、2014年9月、2015年7月～8月等月份，存在數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)指數(shù)窗實(shí)時(shí)修正法后如圖3（c）所示。

圖3 揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理顯示圖

3.2 水下大壩閘墩滲漏處理

（1）第一階段是防滲墻施工縫處理和伸縮縫處理階段。防滲墻施工縫處理在1號(hào)～7號(hào)閘上游，施工縫為9.0 m，在防滲墻中間垂直鉆孔，孔深大于1.6 m，孔距2 m，共鉆36個(gè)孔，4個(gè)孔漏水，1號(hào)閘上游2個(gè)，2號(hào)閘上游1個(gè)，6號(hào)閘上游1個(gè)。伸縮縫處理的主要控制節(jié)點(diǎn)為切槽、埋管、灌漿、嵌填8505彈性密封膠、SR防滲保護(hù)蓋片鋪貼和不銹鋼蓋板、不銹鋼壓條安裝。切槽要求槽寬2 cm，槽深10 cm，若槽深過(guò)深破壞原有止水系統(tǒng)，保持在9.5 ～11.5 cm為佳，槽兩側(cè)都要切割，保證露出兩側(cè)新鮮砼，便于與新材料粘結(jié)牢固。埋管均勻分布每50 cm一根，采用SXM嚴(yán)密密封，以保證管面通道通暢。灌漿時(shí)潛水員密切關(guān)注鄰邊灌漿管出漿情況、灌漿管綁扎順序、新管與老管出純漿情況、灌漿連續(xù)性等。嵌填8505彈性密封膠是注意對(duì)槽內(nèi)涂刷HK-963環(huán)氧涂料，刷1 m填1 m 8505彈性密封膠。SR防滲保護(hù)蓋片鋪貼，以伸縮縫為中心線，蓋片間搭接長(zhǎng)度為15 cm，寬25 cm。不銹鋼蓋板有26個(gè)螺栓孔，螺栓孔間距為20 cm，每塊長(zhǎng)2.4 m；不銹鋼壓條為L(zhǎng)型，嵌入砼切槽埋入1 cm，采取涂HK-963涂料封閉。

3.3 水下防滲墻補(bǔ)強(qiáng)加固

經(jīng)過(guò)上述水下大壩閘墩滲漏預(yù)處理，由實(shí)時(shí)揚(yáng)壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，閘墩漏水無(wú)明顯減少，揚(yáng)壓力孔水位降低幅度較少，未達(dá)到預(yù)期效果，因此需要進(jìn)行水下防滲墻補(bǔ)強(qiáng)加固。為了加強(qiáng)效果和積累經(jīng)驗(yàn)，首先，在滲漏水嚴(yán)重部位進(jìn)行試驗(yàn)性施工，對(duì)灌漿壓力、孔距、灌漿參數(shù)進(jìn)行技術(shù)實(shí)驗(yàn)，完成了1～7號(hào)閘孔全孔20 m的鉆孔與灌漿，對(duì)鉆孔工藝、鉆孔設(shè)備及灌漿方法進(jìn)行了改進(jìn)，取得比較好施工參數(shù)和效果，為后續(xù)全面實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。其次，確定全面實(shí)施鉆孔方案和工藝。定制Φ75同外徑規(guī)格繩取鉆桿、鉆具及鉆頭，鉆孔到達(dá)預(yù)定深度后，繩取鉆桿及鉆具不提鉆，打撈孔內(nèi)巖芯作為護(hù)壁。再次，設(shè)計(jì)灌漿方案和工藝，采用水泥漿液水灰比1∶1、0.8∶1、0.6∶1，開(kāi)灌時(shí)采取水和水泥比0.8∶1稀漿，水泥漿與水玻璃比為1∶0.8～1∶0.6來(lái)控制，采取在大滲漏通道和孔口段雙液自下而上灌漿。最后，控制好灌漿壓力，嚴(yán)格灌漿材料。如水玻璃M值嚴(yán)格控制在2.4～3.4，波美度嚴(yán)格控制在30～45，低高程灌漿壓力嚴(yán)格控制在0.1～0.3 MPa，高程最高灌漿壓力控制在1.0 MPa。

3.4 基于揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)的方案與工藝調(diào)整

在采取水下防滲墻補(bǔ)強(qiáng)加固后，仍然有個(gè)別打孔如2號(hào)、5號(hào)、7號(hào)閘墩的揚(yáng)壓力不能達(dá)到要求。為此對(duì)這些閘墩的鉆孔加深至25 m，在靠近滲漏通道比較近的鉆孔，采取了灌砂漿的工藝方法，由于孔深超過(guò)20 m，灌漿壓力較大，采取了監(jiān)理旁站，先進(jìn)行灌水泥漿，吃漿量能達(dá)到60 L/min，經(jīng)觀察進(jìn)漿比較通暢后再改為灌水泥砂漿。當(dāng)灌入量小于3 L/min時(shí)可終止該灌漿段灌漿。直到所有閘墩實(shí)時(shí)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)值達(dá)到要求。

本次加固設(shè)計(jì)布置104個(gè)孔，實(shí)際共布置灌漿孔110個(gè)，其中增加布置6個(gè)在縱向隔墩倒T型砼平臺(tái)上，根據(jù)閘墩實(shí)際長(zhǎng)度布置的孔間距為2 m，總使用水泥材料4 167.7 t、特殊水泥20 t及總鉆孔孔深1 658.73 m，實(shí)際灌漿量為2.52 t/m。

3.5 實(shí)施效果

趙山渡水力發(fā)電廠大壩閘墩經(jīng)過(guò)本次防滲墻補(bǔ)強(qiáng)加固取得了很好的效果，閘墩揚(yáng)壓力大幅下降，1號(hào)～7號(hào)閘墩下游伸縮縫漏水全部消除，閘基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定及滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1所示。

表1 處理前后揚(yáng)壓力系數(shù)變化情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度提升處理，在滿足滲流處理精度要求的情況下，改進(jìn)處理方法和水下工藝要求，以實(shí)際案例作為應(yīng)用，達(dá)到了很好的效果，主要得出如下結(jié)論：

（1）雖然在現(xiàn)實(shí)中揚(yáng)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的點(diǎn)數(shù)不夠以及存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真和丟包現(xiàn)象，但是通過(guò)補(bǔ)充實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可拓法和指數(shù)窗實(shí)時(shí)修正法，可以提升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)精度，為改進(jìn)閘墩滲漏處理工藝打下基礎(chǔ)。

（2）通過(guò)在線觀測(cè)精度的提高，采用高難度的水下滲漏處理工藝和方法是高效可行的。

（3）處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)僅僅依據(jù)閘墩在線觀測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，有一定的局限性，主要表現(xiàn)在定孔需要潛水員配合、鉆孔和灌漿過(guò)程無(wú)法可視化等問(wèn)題，下一步應(yīng)該研究引入高清晰度的水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)和水下機(jī)器人監(jiān)控設(shè)備[16]，實(shí)施效率和精度將會(huì)進(jìn)一步提升。