從烏東德、白鶴灘水電站灌漿工程看我國灌漿施工智能化的前景

夏可風，王克祥

(1.中國水電基礎局有限公司，天津 武清 301700；2.中國三峽建工(集團)有限公司，北京 101100)

我國兩座巨型水電站——烏東德水電站、白鶴灘水電站相繼蓄水發電，為國家提供了源源不斷的綠色能源。這兩項工程的壩基處理、防滲工程都有巨量的水泥灌漿施工任務，根據近些年一些工程的施工經驗教訓，如何管理好兩項工程的灌漿工程施工，既確保工程質量又能控制工程預算，具有很大的挑戰性[1]。在這種形勢下，業主單位中國三峽建工(集團)有限公司聯合中大華瑞科技有限公司研究開發了智能灌漿控制系統，并應用于灌漿施工中，取得了良好的效果，開創了我國乃至世界上灌漿技術發展的新階段。

本文對兩項工程智能化灌漿的情況和收獲、相關的若干問題和今后在其他工程中推廣應用的前景進行分析討論。

1 智能化灌漿及其相關的定義

灌漿的定義為，用壓力將可凝結的漿液通過鉆孔或管道注入建筑物或地基的縫隙中，以提高其強度、整體性和抗滲性能的工程措施[2]。自動化灌漿可定義為，在無人直接操作的情況下，灌漿設備按照設定的技術要求，自動進行檢測、信息處理、工序轉換，直至完成鉆孔壓水試驗和孔段灌漿施工任務的過程。智能化灌漿可定義為，用人工智能指導和控制的灌漿施工[3]，是在自動化灌漿的基礎上增加了人工智能對地質條件的探測，對灌漿過程變化、特殊情況發生的感知、研判，并自主調整灌漿策略和施工參數持續灌注，直至達到結束條件的灌漿過程。

通俗地說，一個孔段的自動化灌漿應當做到：在一鍵啟動指令后，灌漿系統應當自動、連續、順暢地完成灌漿壓力的調節、注入率控制、漿液水灰比變換，直至滿足設計要求的結束條件，停止灌漿。這是自動化灌漿的規定動作。當前有些工程中，把完成上述任務稱為智能灌漿，這是不準確的。還有的甚至不能做到“一鍵啟動，自動結束”，灌漿過程中遇到施工參數轉換、小小意外情況發生，正常過程就要停下來，輔以人工補充指令，有時一段灌漿完成需要人工干預多次。這樣的灌漿過程既不能稱為智能灌漿，也不能稱為自動化灌漿，姑且可稱為半自動化灌漿。

至于智能化灌漿，完全的或高級的智能灌漿，應該能自動識別地層，針對灌漿孔段所在不同地層選擇不同灌漿施工參數，不良地層多灌、灌飽，良好基巖少灌或不灌。初級的智能灌漿除滿足自動化灌漿的要求外，至少應增加可以識別灌漿過程中的若干種特殊情況，如注入量特大、串漿冒漿、巖層劈裂結構抬動、回漿變濃等，并可以自主處理，直至轉入正常灌漿過程，正常結束。

綜上，當前流行的智能灌漿概念實際上是泛指以上幾種灌漿，即半自動化灌漿、自動化灌漿、智能灌漿，至于完全的智能灌漿還未達到。值得肯定的是，無論走到了上面哪一步，都是灌漿技術的升級。以下本文單獨提到的智能灌漿或智能化灌漿，指上述泛化的概念。

2 實施灌漿智能化是必由之路

2.1 有經驗的灌漿工程師和工匠稀缺

一個灌漿過程開始后，有兩位操作工人起著關鍵作用，即司灌工和記錄員。司灌工控制著漿液閥門，他要把灌漿壓力從0逐漸升至設計壓力；注入率從最大調節至均勻、至最小、至地層飽和；漿液濃度從較稀調節至適宜。全過程目的是確保灌漿孔周圍地層孔隙裂隙得到充分灌注，而又不要過量，即不能使壓力劈裂地層，不使漿液滲流到灌注范圍以外造成浪費。這個過程持續的長短，消耗資源的多少，客觀上由地質條件、孔位深度、漿液材料等決定，主觀上由司灌工的技術能力和思想意識決定。每一段灌漿過程持續少則1 h，多則十數小時，工作繁重，進行高壓灌漿時更有一定的危險性，故司灌工資源極為稀缺。灌漿記錄員則負責將灌漿過程中的灌漿壓力、漿液注入率、漿液密度、地層變形(抬動)等數據，按規定的時間間隔記錄下來，有經驗的記錄員還應當分析這些數據，發現問題提出調整灌漿參數的指導意見，反饋給司灌工。如今灌漿自動記錄儀普及，記錄員的工作由記錄儀替代，但存在無人提出指導意見的問題[4]。

至于現場灌漿工程師，要求應具備系統的水工、地質知識和工作經驗，需指導記錄員、司灌工的工作，精通此類工作內容，這類人才缺失也越來越嚴重。

2.2 灌漿施工管理困難

灌漿工程是隱蔽工程，灌漿施工過程是特殊過程。其工程數量既難以預計，又難以直接測量；工程質量不易控制，在施工過程中，雖然有一些間接檢測措施，完工后布置有一定的壓水試驗或物探檢查孔，但是總的來說灌漿施工質量管理、工程監理都非常困難，灌漿工程的效果、質量缺陷常常需在工程投入運行后方能顯現、暴露。近些年來，由于工程質量管理及造價管理等問題，致使不少項目的灌漿工程質量嚴重失控，工程量不斷追加，工程預算概算大量突破。有些工程蓄水后滲漏嚴重，不得不大量補灌。

2.3 灌漿工程新技術開發創新是時代的要求

當今計算機技術發展日新月異，信息技術、數字技術、人工智能技術已廣泛地應用到工農各業中，在建筑工業領域智慧建筑、智能建造、數字大壩新技術層出不窮。因此，運用計算機技術研發智能化灌漿系統，以取代或部分取代稀缺的人力資源，同時改善現場操作人員的工作條件；實現灌漿施工過程的自動、智能控制，以確保灌漿工程質量、灌漿工程預算在受控范圍內，已經迫切地提上了日程。

3 智能灌漿在烏東德水電站和白鶴灘水電站的應用

3.1 烏東德水電站和白鶴灘水電站灌漿工程概況

烏東德水電站拱壩最大壩高270 m，基巖為灰巖、白云巖、石英巖，主要為Ⅱ類巖體。大壩壩基及兩岸壩肩、二道壩壩基設置帷幕灌漿，約12.12萬m；左右岸地下廠房上游設置帷幕灌漿33.45萬m；以上及其他部位共計帷幕灌漿48.37萬m。壩基固結灌漿共計10.68萬m。

白鶴灘水電站拱壩最大壩高289 m，主要基巖為玄武巖，局部發育柱狀節理玄武巖及角礫熔巖。巖體質量總體較好。大壩壩基、兩岸灌漿平洞、二道壩壩基、左右岸地下廠房均設置帷幕灌漿和搭接帷幕灌漿，共計帷幕灌漿工程量135萬m，固結灌漿工程量85.37萬m。

3.2 烏東德、白鶴灘水電站智能灌漿系統主要技術參數

在業主單位的主持下，自2017年開始研發智能灌漿系統并逐漸在烏東德、白鶴灘兩水電站灌漿工程施工中試驗性應用，直至較普遍地應用，在應用中不斷對控制程序、設備硬件進行改進，其成果從1.0版最后至4.0版。

烏東德水電站先后共使用智能灌漿裝置42套，完成大壩帷幕灌漿8.86萬m，壩基固結灌漿5.05萬m。白鶴灘水電站使用智能灌漿裝置64套，完成帷幕灌漿約40萬m，固結灌漿4萬m。

兩工程使用的智能灌漿裝置可以進行簡易壓水、單點法/五點法壓水、裂隙沖洗、純水泥漿液灌漿；可以分別控制灌漿壓力、注入率、漿液密度、漿液溫度、抬動變形5個參數。硬件主要技術參數為，灌漿壓力范圍0～6 MPa，分辨率0.01 MPa；漿液密度范圍1.0～2.0 g/cm3，分辨率0.01 g/cm3；注入率范圍0～150 L/min，分辨率0.1 L/min；位移分辨率1 μm；溫度分辨率1 ℃。

圖1 智能灌漿系統示意

智能灌漿裝置使用過程中所有檢測和監測數據、裝置運行指令，通過有線或無線傳輸發布，灌漿成果資料按照技術要求自動整理輸出。設有緊急情況人工輔助控制程序和按鍵。為防止改動電路和使用電磁干擾編造虛假數據，訊號傳輸過程進行數字加密。智能灌漿裝置使用過程中基本上可以做到一鍵啟動，連續灌漿，正常結束。少數需啟用人工輔助鍵。

由于使用智能灌漿裝置，每個機組至少可以減少1名灌漿工，在崗的工人體力勞動大大減輕，施工場地變得干凈整潔。智能灌漿系統示意見圖1，其中左側為管理平臺，右側為智能灌漿裝置及其連接示意。

3.3 烏東德、白鶴灘水電站智能灌漿主要施工成果

烏東德水電站、白鶴灘水電站灌漿工程已經全部完成，其主要施工成果及初期蓄水效果如下。

(1)烏東德水電站各部位灌漿平均單位注入量分別為：大壩帷幕灌漿10.5 kg/m；左岸地下廠房主帷幕灌漿20.23 kg/m，搭接帷幕灌漿2.41 kg/m；右岸地下廠房主帷幕灌漿22.3 kg/m，搭接帷幕灌漿15.26 kg/m；壩基固結灌漿13.14 kg/m。

(2)白鶴灘水電站各部位灌漿單位注入量分別為：大壩各壩段帷幕灌漿6～74.17 kg/m；兩岸平洞主帷幕各單元8.90～29.63 kg/m，搭接帷幕灌漿各單元5.37～15.19 kg/m；左岸地下廠房主帷幕灌漿23.01 kg/m，搭接帷幕灌漿13.2 kg/m；右岸地下廠房主帷幕灌漿15.3 kg/m，搭接帷幕灌漿5.24 kg/m；二道壩帷幕各單元12.1～54 kg/m，壩基固結灌漿各單元10.30～76.92 kg/m。

兩個工程各部位灌漿單位注入量基本都在設計預計范圍內，與地質條件相關性良好，沒有發生不可控制的情況。2021年兩工程已先后蓄水發電，監測資料顯示，壩基滲漏量很小，烏東德水電站壩基總滲漏量12.41 L/s，各壩段滲壓力在設計允許范圍內；白鶴灘水電站壩基總滲漏量18.15 L/s，滲壓力監測正常。蓄水后都沒有出現嚴重滲漏而被迫追加大量補灌工程量的現象發生[5]。

在烏東德、白鶴灘之后，還有一些單位開始試驗研發智能灌漿裝置。雅礱江楊房溝水電站大壩灌漿[6]、雄安新區調蓄庫灌漿試驗等工程使用智能灌漿裝置，不少功能有新的改進和提高。

4 烏東德、白鶴灘水電站應用智能化灌漿探討與總結

烏東德、白鶴灘水電站智能化灌漿還是初次嘗試，今后還可進一步完善。根據其實踐以及隨后其他工程試驗應用的情況，可以得出如下經驗總結：

(1)烏東德、白鶴灘水電站的灌漿工程在我國率先實現了智能化灌漿的實際施工應用，標志著灌漿技術已由傳統人力方式步入到信息化、智能化時代[7]。

(2)兩項特大型工程通過應用智能灌漿系統，灌漿施工質量、灌漿工程概預算得到有效控制，灌漿施工環境明顯改善，施工人員數量減少、現場施工人員、質量管理、監理人員勞動強度大幅降低。

(3)烏東德、白鶴灘水電站的智能化灌漿名為“智能化”，實際上智能化仍不夠，只是基本實現了自動化灌漿的任務。后來在雄安新區調蓄庫灌漿試驗中實現了地層抬動、漿液失水變濃等幾種特殊情況的智能處理。但技術進步的余地仍很大。

(4)智能灌漿系統應當融合固化灌漿專家、工匠的智慧，應當由業主、設計、施工和計算機科技企業共同研制開發。烏東德、白鶴灘水電站的智能化灌漿系統的研發，設計和施工人員參與不夠。研發的技術路線著重于防止弄虛作假，保證灌漿工程質量方面，對于節約工時、降低施工成本重視不夠。

(5)烏東德、白鶴灘水電站智能灌漿系統的應用提高了工程質量，節省了人工，降低了材料消耗，經濟效益顯著。但如適當改進，經濟效益還可以進一步提高。

(6)智能灌漿裝置應當簡約、實用、耐用、價廉，不必追求復雜化、精確化，應盡可能降低運行成本和故障率。

(7)智能灌漿系統(包括管理平臺和智能灌漿裝置)是成套技術，其運行程序針對某一工程設計，適應于該工程的地質條件和技術要求，服務于該工程。智能灌漿系統不能像記錄儀一樣，任意買來一臺便可使用，烏東德的智能灌漿系統后來用到雄安新區調蓄庫灌漿試驗中就針對該工程地質條件和工程要求，進行了相關程序的修改。

5 對推廣應用智能化灌漿的前景及幾點建議

5.1 應用前景

(1)計算機和信息技術的快速進步與普及，推進了灌漿智能化的可行性。熟練的灌漿技術人員和技工難求，人力成本上升，計量方法失當和逐利行為導致灌漿質量和投資失控等因素，提出了升級灌漿技術的必要性。灌漿施工智能化是適應智能建造、數字大壩新技術的必然產物。

(2)截至2021年，我國的水力資源開發率在50%左右，還有大量的水力資源存量等待開發；為了實現“雙碳”目標，要修建更多的抽水蓄能電站；水利上“國家水網重大工程”建設方興未艾，這些工程都有大量的灌漿工程任務。與此同時，我國水電施工企業大量參加一帶一路建設，每一項大型的國際工程都有規模可觀的灌漿工程量需要完成。因此智能灌漿技術在水利水電行業有著廣闊的應用前景。

5.2 建議

為更好地推廣應用智能灌漿技術，提出以下幾點建議：

(1)智能灌漿是成套技術，大型工程要在灌漿試驗階段對智能灌漿系統的設計、編程、運行進行充分試驗驗證，滿足工程技術要求后方可投入規模應用。設計、施工人員的合理意見應當吸納到運行程序中。

(2)技術進步無止境，當前的智能化灌漿應當先完善自動化程序，逐步過渡到初步智能，即可以自主地處理灌漿過程中發生的特殊情況階段，再過渡到更高級的智能灌漿階段，即能自主識別地層、自主選擇施工參數。

(3)當前討論的智能灌漿僅為鉆孔灌漿工程中的“壓水”“灌漿”兩個工序，還有“鉆孔”等其他工序，以及工序前后的機械器具安裝拆卸移動等，都需要較重的體力勞動，應當致力于研究改進。

(4)技術標準來自工程實踐，又指導推動工程實踐。智能灌漿起源于傳統灌漿，又區別于傳統灌漿。應當研究在適當時機編制智能灌漿技術標準，或在已有標準中增加相關章節條文。

(5)工程量計量計價方式和相關合同條款是指引施工人員努力方向和技術發展風向標，近年不少工程出現失誤。采用智能灌漿時應當妥善制定相關辦法。

(6)大型灌漿工程實施智能化灌漿可以實現技術經濟效益的最大化。建議業主單位組織大型工程，如灌漿工程量在10萬m以上的工程施工時，積極采用灌漿智能化技術。