某河床式水電站大壩閘墩揚壓力實時監測與滲漏處理方法

劉 勇，趙 偉

（1.山東弘潤建設集團有限公司，山東 聊城 252000；2.聊城市位山灌區管理處，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著水庫電站運行時間的變長，大壩的老化是客觀規律，尤其是針對河床式水電站，大壩閘門啟閉相對頻繁，大壩閘墩運行維護難度較大，容易產生混凝土結構疲勞疏松或強度降低，并產生裂縫滲漏現象，若不進行及時處理，會引起鋼筋銹蝕和析鈣，引起大壩結構不穩定，對整個大壩安全產生嚴重威脅[1]。對河床式水電站大壩閘墩滲漏裂縫處理難度很大，也是諸多學者研究的熱點問題，也提出了許多處理方法。李才、李正國等在豐滿大壩溢流壩段閘墩加固中提出了水平對穿錨索縫內灌漿法[2，3]，結合有限元法模擬方法，在裂縫處理澆筑過程中結合應力分布分析進行處理，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自密實混凝土灌漿嵌縫、體外粘貼CFRP碳纖維網格布的方法，但更加注重理論分析和計算機仿真。覃杰等在巖灘水電站溢流壩閘墩尾部表面裂縫檢測及處理過程中，提出了結合超聲波檢測的化灌深度處理方法[5]，雖效果較好但是要在每個閘墩裂縫處布置超聲波探測儀，成本很高不經濟。

隨著物聯網感知技術的發展，很多大壩閘墩實現了基于揚壓力的在線實時滲漏監測，監測數據采用云技術的大數據積累，大壩閘墩群之間可以進行大數據分析對比和預測預警。這為基于揚壓力實時監測的大壩閘墩滲漏處理方法的研究提供了基礎。筆者有幸參與了本項研究工作，并將研究成果應用到實踐，以最經濟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 總體方案設計

一般河床式水電站大壩閘門孔數較多，形成閘墩群，一般揚壓力監測點分布在閘墩靠閘門兩側，分為左右兩個實時監測點。隨著物聯網技術的發展，揚壓力物聯網傳感器種類繁多，針對不同水下環境可以多種設備相互配合，如精密型測壓計、滲壓計、電測水位計、測深鐘等物聯網監測設備相互配合，使得采集數據異構多樣，采集的數據可以接入無線發射終端，傳輸到云數據庫中，同時可以在大壩管理中心或集控中心工作站中顯示數據[6]。多元異構數據首先通過ETL數據預處理平臺進行預處理，再通過HADOOP大數據處理系統進行過濾、清洗、預處理等，實現數據的標準性、可靠性和完整性[7]。然后數據通過揚壓力分析單元，在各閘墩實時水頭或平均水頭下，分析浮托力和滲壓力，即分析閘墩監測點揚壓力大小、分布和變化過程。揚壓力分析單元的核心作用是進行失真和丟包處理，如何進行處理是一個值得研究的關鍵技術問題，將在后面章節中描述。揚壓力分析單元的數據將以方程組的形式存儲在云數據庫中，方程組的解集可以傳輸到比較單元，在比較單元中與國家標準[8，9]進行比較，對不合格的閘墩即揚壓力超過標準的閘墩開展集中處理，在處理過程中實時觀察揚壓力的變化，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 揚壓力監測數據處理方法

揚壓力分析單元是一個基于大數據平臺的分析模塊，包含計算單元和存儲單元，由SQLAPI數據訪問機制進行協調處理[10]。針對揚壓力失真問題，該單元集成了一種指數窗實時修正法[11]。而針對揚壓力丟包問題，則集成了神經網絡可拓法[12]。

2.1 揚壓力丟包神經網絡可拓法

由于通訊鏈路以及惡劣天氣雷電的影響，在揚壓力實時監測過程，總會產生丟包現象，本研究采用一種神經網絡可拓法的大數據處理方法。依據可拓理論和可拓方法，可以利用一種改進的可拓距離作為測度工具, 如式（1）所示。

式中，D作為測度可拓距離，[wU，wL]為某一個物元區間，可代表閘墩庫水位到閘基的區間，x為物元區間外某一待測物體，可以代表揚壓力觀測點。D用來判別待測物體x和一個區間[wU，wL]的可拓距離。

如果xi={xx1，xx2，…，xxn}有n個揚壓力特征值，那么當Dp=min{Dm}＞n, 則說明了xi不屬于類別p，需要創建一個新的類別，此時xi被過濾，將重新定義xi填補丟包揚壓力。如果Dp＜n，則揚壓力數據樣本xi屬于類別p，對類別p所對應的權值和中心點的進行調整, 如式（2）～（5）所示。

其中：Mp是目前屬于類別 的實測揚壓力樣本個數。

如果輸入第i個揚壓力樣本數據xi從舊的類別O變換到新的類別k，則調整類別O相對應的權值和中心, 如式（6）～（9）所示。

由神經網絡理論可知，在網絡學習過程只需要調整類別O和類別k所對應的權值, 相比于其他的各種非監督學習算法,其神經網絡訓練時間將大大縮短,且容易獲取數據庫的實時數據。同時, 在聚類過程中將保持穩定和可塑等特征。但想要保持良好的聚類效果，如何選擇閾值距離參數非常重要，需要結合大壩特性、水庫水位變化程度、揚壓力監測點密度等方面進行不斷調整。

2.2 揚壓力失真指數窗實時修正法

設某時刻揚壓力監測點實時采集了一組水庫水位Hi和揚壓力Pi，其三次多項式擬合方程的表達式為：

按指數窗將新舊數據疊加，對新的實時監測數據揚壓力P和庫水位H可以表達為：

對于舊數據取衰減因子α（0＜α＜1,例如可取α＝0.95），并與新數據合并得：

于是，對于最新采集的數據P和H，通過以上方法擬合并修正，可以使庫水位和揚壓力的方程更加準確，這有利于后續更加精確分析和求解。

2.3 大壩閘墩滲漏處理工藝改進

經過揚壓力觀測點“補短板”、揚壓力實時監測失真和丟包問題的解決，為大壩閘墩滲漏處理工藝與方法的改進提供了科學的決策。傳統的閘墩滲漏處理在處理完成后需要做嚴格的離線檢測分析，需要電站較長時間的暫停發電而影響發電效益，而揚壓力實時監測分析將在不影響水電站發電運行的情況下實施。

水下閘墩滲漏處理工藝分為兩個階段，第一階段是對防滲墻施工縫、閘墩垂直結構縫、護坦水平伸縮縫、防滲墻水平伸縮縫的處理[13]。第二階段是依據揚壓力實時監測分析系統反饋數據，實現防滲墻本體加固處理[14]。改進工藝流程如圖2所示。

圖2 水下閘墩滲漏處理改進工藝流程

3 案例分析

趙山渡水庫河床式水電站位于飛云江干流溫州瑞安高樓鎮，安裝有2臺10 MW燈泡貫流式水輪機發電機組，總庫容3 414萬m3，大壩設有16個閘孔，其中淺灘區9孔，主槽區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日開工，2000年9月26日下閘蓄水，同年11月28日第一臺機組開始并網發電，至今已經運行了10多年。在每個重力壩段、閘室右閘墩（16號為左閘墩）的0+000.80 m處各布置1個壩基揚壓力監測孔， 以監測壩基縱向揚壓力的分布情況。另選擇3號、12號閘室右閘墩為重點監測斷面，在0+019.00 m和0+034.00 m各增設了1個揚壓力監測孔，以監測壩基橫向揚壓力分布情況，整個壩段上共設置22個揚壓力監測孔，編號為：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。揚壓力監測孔深入建基面以下1.0 m，孔內安裝滲壓計實現自動化在線監測[15]。

依據《2018年趙山渡大壩觀測資料分析報告》和從揚壓力監測數據分析來看，左、右岸重力壩段揚壓力水位總體較高，滲壓系數范圍在0.36～0.96之間，均大于0.35，不符合國家標準，很多閘墩結構垂直伸縮縫個別部位呈滴水滲漏狀，結構垂直伸縮縫滲漏均發展成有壓噴射狀漏水，為此開展了大壩閘墩滲漏處理和方法研究工作。

3.1 揚壓力實時監測數據分析與處理

以重點監測斷面12號閘室右閘墩UP-X12為例，從2011年12月～2015年11月的大數據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月等月份存在數據丟包現象，采用神經網絡可拓法進行修正，修正后如圖3（b）所示。從分析單元反饋分析結果可知，2012年8月～11月、2013年12月、2014年9月、2015年7月～8月等月份，存在數據失真現象，經過指數窗實時修正法后如圖3（c）所示。

圖3 揚壓力實時監測數據分析處理顯示圖

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～7號閘上游，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個孔，4個孔漏水，1號閘上游2個，2號閘上游1個，6號閘上游1個。伸縮縫處理的主要控制節點為切槽、埋管、灌漿、嵌填8505彈性密封膠、SR防滲保護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，若槽深過深破壞原有止水系統，保持在9.5 ～11.5 cm為佳，槽兩側都要切割，保證露出兩側新鮮砼，便于與新材料粘結牢固。埋管均勻分布每50 cm一根，采用SXM嚴密密封，以保證管面通道通暢。灌漿時潛水員密切關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、灌漿連續性等。嵌填8505彈性密封膠是注意對槽內涂刷HK-963環氧涂料，刷1 m填1 m 8505彈性密封膠。SR防滲保護蓋片鋪貼，以伸縮縫為中心線，蓋片間搭接長度為15 cm，寬25 cm。不銹鋼蓋板有26個螺栓孔，螺栓孔間距為20 cm，每塊長2.4 m；不銹鋼壓條為L型，嵌入砼切槽埋入1 cm，采取涂HK-963涂料封閉。

3.3 水下防滲墻補強加固

經過上述水下大壩閘墩滲漏預處理，由實時揚壓力觀測數據分析可知，閘墩漏水無明顯減少，揚壓力孔水位降低幅度較少，未達到預期效果，因此需要進行水下防滲墻補強加固。為了加強效果和積累經驗，首先，在滲漏水嚴重部位進行試驗性施工，對灌漿壓力、孔距、灌漿參數進行技術實驗，完成了1～7號閘孔全孔20 m的鉆孔與灌漿，對鉆孔工藝、鉆孔設備及灌漿方法進行了改進，取得比較好施工參數和效果，為后續全面實施奠定了基礎。其次，確定全面實施鉆孔方案和工藝。定制Φ75同外徑規格繩取鉆桿、鉆具及鉆頭，鉆孔到達預定深度后，繩取鉆桿及鉆具不提鉆，打撈孔內巖芯作為護壁。再次，設計灌漿方案和工藝，采用水泥漿液水灰比1∶1、0.8∶1、0.6∶1，開灌時采取水和水泥比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，嚴格灌漿材料。如水玻璃M值嚴格控制在2.4～3.4，波美度嚴格控制在30～45，低高程灌漿壓力嚴格控制在0.1～0.3 MPa，高程最高灌漿壓力控制在1.0 MPa。

3.4 基于揚壓力監測的方案與工藝調整

在采取水下防滲墻補強加固后，仍然有個別打孔如2號、5號、7號閘墩的揚壓力不能達到要求。為此對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20 m，灌漿壓力較大，采取了監理旁站，先進行灌水泥漿，吃漿量能達到60 L/min，經觀察進漿比較通暢后再改為灌水泥砂漿。當灌入量小于3 L/min時可終止該灌漿段灌漿。直到所有閘墩實時揚壓力監測值達到要求。

本次加固設計布置104個孔，實際共布置灌漿孔110個，其中增加布置6個在縱向隔墩倒T型砼平臺上，根據閘墩實際長度布置的孔間距為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，實際灌漿量為2.52 t/m。

3.5 實施效果

趙山渡水力發電廠大壩閘墩經過本次防滲墻補強加固取得了很好的效果，閘墩揚壓力大幅下降，1號～7號閘墩下游伸縮縫漏水全部消除，閘基底揚壓力折減系數遠低于設計要求，且監測數據穩定及滿足現行規范標準要求，如表1所示。

表1 處理前后揚壓力系數變化情況

4 結束語

本文在揚壓力實時監測的基礎上，對實時監測數據進行精度提升處理，在滿足滲流處理精度要求的情況下，改進處理方法和水下工藝要求，以實際案例作為應用，達到了很好的效果，主要得出如下結論：

（1）雖然在現實中揚壓力實時監測的點數不夠以及存在監測數據失真和丟包現象，但是通過補充實時監測點、神經網絡可拓法和指數窗實時修正法，可以提升實時監測的數據精度，為改進閘墩滲漏處理工藝打下基礎。

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

（3）處理過程中發現僅僅依據閘墩在線觀測狀態數據，有一定的局限性，主要表現在定孔需要潛水員配合、鉆孔和灌漿過程無法可視化等問題，下一步應該研究引入高清晰度的水下視頻監控系統和水下機器人監控設備[16]，實施效率和精度將會進一步提升。