水電工程水泥灌漿智能控制系統研究與應用

摘 要：灌漿是水利水電工程建設中廣泛采用的壩基防滲加固處理技術。灌漿的智能化和自動化是目前灌漿的主要發展方向。相較于傳統灌漿施工技術，智能灌漿控制系統的應用能夠提高灌漿施工的效率和精確度，實現灌漿施工全過程智能分析、決策和反饋控制，更好地保障灌漿施工質量和施工安全。從灌漿控制系統體系結構入手，深入分析了水電工程水泥灌漿智能控制系統設計方法，并結合實際工程對智能灌漿控制系統（控制技術與監測系統）的應用效果進行了評價。相關成果可為后續智能灌漿控制技術的研發提供參考。

關鍵詞：水泥灌漿；智能控制系統；遠程監控；施工質量

中圖分類號：TP23" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

灌漿技術自1802年發明以來，施工工藝和工程材料技術不斷發展，已經被廣泛應用于水利水電工程壩基防滲加固處理中。根據國際大壩委員會數據，有記錄的潰壩事故中，壩體滲漏破壞占18%、壩基滲透破壞占12%，對于運行80年以上的老壩，滲透破壞占比更高[1]。

當前，我國新建傳統水利工程面臨高地震烈度、高陡峭峽谷、深厚覆蓋層的復雜地質條件，而大規模新建的抽水蓄能電站則面臨上水庫庫盆防滲高要求挑戰，這些均對水利工程灌漿施工技術提出了更高要求。傳統灌漿施工技術需要大量人工操作，施工參數依賴經驗和感覺，無法實現精細化灌漿施工，施工質量和施工安全也缺少保障。而智能灌漿控制技術可通過自動化儀器和監測系統實現灌漿施工的自動化和智能化，灌漿過程中，可實時監測調整灌漿施工壓力與漿液配比，實現灌漿精細化施工與實時控制，同時對灌漿監測參數進行風險預測，對事故進行預警和及時處置，進而保障施工質量和施工安全。在此基礎上，智能灌漿控制系統能夠減少人工操作，節約人力資源成本，從而提高工程經濟效益。因此，在國家提倡充分利用物聯網、云計算和大數據等先進計算機技術，推動水利工程建設管理數字化、智能化的大背景之下，進行水電工程水泥灌漿智能控制系統研究具有重要意義。

1 智能灌漿控制技術研究現狀

灌漿施工控制的發展經歷了人工控制、自動化控制和實時控制三個階段，目前正朝著智能化控制階段發展。20世紀70年代前，灌漿施工控制處于人工控制階段，單純依靠施工技術人員進行操作，施工信息由人工進行記錄和整理，依靠質檢人員監控施工質量。施工異常情況由設計人員、施工人員進行判斷決策，并進行人工反饋控制。此階段灌漿施工質量主要依賴于技術人員專業水平和施工管理制度，灌漿施工效率較低，反饋控制滯后，施工質量得不到有效保障。

20世紀70年代，日本最先運用傳感器對灌漿施工過程中的技術參數進行自動采集和記錄，到80年代，灌漿自動記錄監測系統逐漸推廣至歐美國家，各種型號的灌漿記錄儀問世，使用記錄儀成為施工企業參加灌漿工程投標的前提條件，這標志灌漿施工控制進入自動化控制階段。1987年，國內第一臺灌漿自動記錄儀研制成功。1992年，長江科學院研發出可自動記錄灌漿壓力和流量的灌漿自動記錄儀，并在遼寧觀音閣水庫灌漿施工中首次大規模使用。1994年，我國灌漿規范要求在重要的灌漿工程中使用灌漿自動記錄儀，灌漿自動記錄儀在全國推廣[2]。這一階段主要引入傳感器技術對灌漿施工數據進行自動化記錄，并未涉及監測分析。

進入21世紀，無線通訊、數據庫、可視化等電子信息技術被引入灌漿施工控制系統中，灌漿施工控制進入實時控制階段。Rosen等[3]介紹了一種灌漿可視化監控系統GroutTracker，該系統結合GIS技術和數據庫技術，實現了灌漿量、基礎滲透性的實時可視化分析。清華大學于2001年研制的智能灌漿記錄儀系統，可以根據實時壓力變化情況對灌漿壓力進行調整，防止灌漿水力劈裂的發生[4]。長江科學院結合數據庫技術、無線數據傳輸技術、可視化技術，將采集到的灌漿數據實時傳輸至后方數據庫，并對其進行統計分析，實現了對灌漿數據的數字化管理，成功應用于國內多個大型水電工程中[5-7]。王瑞英等[8]提出了大型水利水電工程施工智能控制成套技術，利用無線網絡傳輸技術和信息技術，對灌漿數據進行采集和記錄，通過在灌漿施工現場部署控制協調中心，建立預警反饋控制機制，對灌漿施工過程進行實時管控。

近年來，隨著人工智能、物聯網技術和大數據技術的發展，灌漿施工控制技術正式進入智能化控制發展階段。李曉超[9]提出以“全面感知、智能分析、動態決策、實時控制”為指導思想的灌漿施工質量智能控制理論，開發了灌漿施工質量智能監控系統，實現了對灌漿施工的事前、事中和事后控制。劉全[10]采用閉環控制方法，借助云平臺開發了聯動灌漿控制需求的智能灌漿控制系統，降低了水泥損耗，提高了配漿調壓精準性。仝飛[11]提出了Transformer灌漿預測模型，實現了對單位灌漿量的實時預測校準和灌漿效果評價。

灌漿施工智能控制可理解為應用智能分析方法與技術，實現對施工過程的智能分析、決策和反饋控制。目前，國內外針對灌漿施工控制的研究主要集中在施工工藝控制、灌漿過程理論分析與控制、灌漿參數的監測和分析等方面，且仍然主要依賴人工經驗對灌漿信息進行分析、決策和反饋控制，而對灌漿施工質量分析、決策和反饋控制過程的智能控制研究較為少見。

2 智能灌漿控制系統體系結構

本文構建的水利水電工程水泥灌漿智能控制系統體系結構分為傳感器和監測系統、自動化控制系統、變頻器控制系統、數據分析和優化算法、遠程監控和控制系統、故障診斷和報警系統六部分（見圖1），以下將深入分析各部分詳細作用。

2.1 傳感器和監測系統

傳感器能夠實時監測灌漿過程中的關鍵參數，如灌漿材料流量、壓力、漿液濃度等。通過傳感器的監測，施工人員可以獲得準確的數據，并將其傳輸到控制系統中進行分析和處理。在灌漿過程中，傳感器可以幫助施工人員實時了解漿液流量的變化情況以及壓力的波動，這為灌漿過程的實時控制和優化奠定了基礎。監測系統可以將傳感器所獲取的數據進行存儲和分析，為灌漿過程的調整和優化提供依據。通過對灌漿過程中關鍵參數的實時監測，設計人員可以及時發現潛在的問題，并采取措施加以解決。監測系統的建立不僅可以提高灌漿工程的施工效率和質量，還可以減少人為的操作錯誤和事故風險。

在傳感器和監測系統設計過程中，設計人員需要考慮諸多因素。首先，設計人員需要選擇適合灌漿過程的傳感器，確保測量的準確可靠；其次，設計人員需要考慮傳感器信號傳輸的可靠性，確保數據的準確傳輸和記錄；最后，設計人員需要設計優秀的采樣算法，在盡量提高監測數據精準度的同時，降低信息傳輸的延遲時間和數據存儲量[12]。智能灌漿控制系統實時監測畫面如圖2所示。

2.2 自動化控制系統

智能灌漿控制技術通過采用自動化控制系統，實現對灌漿過程的實時監控和控制。自動化控制系統通過捕捉傳感器所得到的數據，根據預設的控制算法進行分析和處理，從而實現對灌漿過程各個參數的調控。例如，自動化控制系統可以根據灌漿材料的流動狀態自動調整攪拌速度和漿液的流量，確保灌漿質量的穩定性和一致性，還可以實現對灌漿過程的溫度、壓力等參數信息的實時監測，以及對灌漿設備狀態的監控，如設備故障的預警等[12]。智能灌漿控制技術具有更高的精確度和穩定性，能夠根據實時的數據進行準確的判斷和調節，大大減少了人為因素的干擾，提高灌漿的效率和質量。自動化控制系統能夠將實時獲取的灌漿過程數據進行存儲和記錄，方便后期的數據分析和研究（見圖3）。通過對大量的數據進行分析，可以深入理解灌漿過程的規律和特點，為灌漿技術的優化提供有力的支持。

2.3 變頻器控制系統

根據灌漿需求和材料狀態的變化，通過變頻器控制混凝土攪拌設備，靈活調整攪拌的速度和功率。當需要灌漿的區域較大時，可以適當增加轉速和功率，以提高灌漿的覆蓋面積和均勻度；當需要對特定位置進行精確灌漿時，可以降低轉速和功率，保證灌漿材料的準確性和精確性。此外，變頻器控制還具有節約能源的優勢。傳統的灌漿設備通常采用恒定速度進行攪拌，不僅會造成能源的浪費，還可能對設備造成不必要的損耗，而使用變頻器控制混凝土攪拌設備的轉速，可以根據灌漿需求進行自動調節，避免不必要的能源浪費，提高能源的利用效率。

2.4 數據分析和優化算法

數據分析是智能灌漿控制技術中的重要環節。通過對灌漿過程數據的分析，可以識別出灌漿過程中存在的問題和隱患，確定灌漿工藝的改進方向，并制定相應的控制策略。在數據分析的基礎上，優化灌漿工藝是智能灌漿控制技術的核心任務之一。通過優化灌漿工藝，可以提高工程的質量和效率。例如，可以通過調整灌漿流量和漿液比例來控制灌漿的均勻性。

除了對灌漿過程的控制和優化，智能灌漿控制技術還需要進行控制系統的設計和開發。控制系統是智能灌漿控制技術的實現載體。控制系統需要實時采集灌漿工程的數據，并進行實時分析和優化。在設計控制系統時，需要考慮系統的可靠性和穩定性，以確保系統能夠正常運行。同時，還需要考慮系統的靈活性和可擴展性，以適應不同類型和規模的灌漿工程[13]。

2.5 遠程監測與控制系統

將智能灌漿控制系統與遠程監控平臺相結合，實現對灌漿過程的遠程監測和控制。通過無線網絡傳輸、數據清洗、可視化技術，管理人員可以遠程實時查看灌漿參數、過程控制數據和灌漿報警信息，及時指導灌漿施工作業。遠程監測和控制不僅可以提高監測和調控的效率，還可以降低人工巡檢和操作的成本和風險，提高工程施工的可靠性和安全性。

在智能灌漿控制技術和系統設計中，需要注意以下幾個方面：

（1）傳感器的選擇和安裝位置直接影響到灌漿參數的采集和監測，需要充分考慮灌漿工程施工的特點和要求，根據具體的施工環境和要求進行科學合理的設計。

（2）需要設計合理的控制算法和參數調整策略。通過對灌漿參數和實時數據的分析和處理，實現自動控制和調節灌漿過程中的參數和材料用量，提高灌漿作業的準確性和可控性。

（3）遠程監控平臺應該提供簡潔明了的界面和操作方式，方便監測人員進行遠程操作和管理。還需要具備數據存儲和分析的功能，方便監測人員進行數據分析和灌漿質量評估。某電站遠程監控系統數據如圖4所示。

2.6 故障診斷與報警系統

故障診斷和報警系統通過實時監測設備的狀態和數據異常來發現潛在問題。如果系統檢測到設備出現異常情況，比如壓力過高或溫度異常等，就會立即發出報警通知，通知工程師及時采取相應的措施修復故障，保證工程的連續和穩定性。

灌漿過程中出現問題，比如灌漿材料失效或注入不均勻等，將會對工程產生嚴重的影響。而故障診斷和報警系統可以及時發現并解決這些問題，避免灌漿故障導致的工程損失。此外，通過建立故障診斷和報警系統，也可以提高工程的管理和監控效率。傳統的灌漿工作往往需要人工巡檢和監控，這不僅需要大量的人力投入，還容易出現監測不到或延誤故障處置的情況，而智能灌漿控制技術和系統設計可以實現自動監測和報警，工程師可以通過系統接收到的報警信息，及時采取措施解決問題，提高工作的響應速度和處理能力[14]。

3 智能灌漿控制系統在五岳抽水蓄能電站中的應用

五岳抽水蓄能電站位于河南省信陽市，電站安裝4臺250 MW的立軸可逆混流式機組，總裝機容量1 000 MW。現場智能控制系統操作見圖5。在智能灌漿系統的支持下，工程灌漿過程實現了自動化操作，同時也能確保灌漿的精度與穩定性，并在控制中心能夠對灌漿過程進行實時監測和遠程控制，整體灌漿效果明顯優于傳統灌漿[9]。

表1為五岳抽水蓄能電站灌漿工程某灌漿孔的灌漿效果評估結果。由表1可知：

（1）流量的變化對均勻性評分和灌漿質量指標有一定影響，較大的流量可能導致漿液均勻性下降。建議在控制流量時要謹慎，據具體情況選擇適當的流量范圍。

（2）漿液比例對均勻性評分和灌漿質量指標也有一定影響。本工程中，1∶3和1∶3.5的漿液比例相對較好，可以考慮在灌漿工藝中保持較為穩定的漿液比例。

基于以上的數據分析，可以制定一些優化策略，如調整流量和漿液比例，并進行實際操作的監測和評估，提高灌漿工藝的穩定性和一致性。另外，應根據灌漿任務的不同，制定不同的灌漿工藝，以滿足工程對于灌漿質量的要求[15]。

通過在五岳抽水蓄能電站的實際應用，對本文提出的智能灌漿技術與控制系統的優點與創新進行如下總結。

3.1 實現自動化操作

傳統的灌漿過程主要依靠人工操作，工作效率低下且存在一定的安全風險。借助智能灌漿控制技術，灌漿操作可以實現自動化控制，根據預設的參數和條件，準確地控制灌漿設備運行，提高工作效率和安全性。

3.2 具有高精度和高穩定性

通過引入智能感知傳感器和相關儀表設備，可以實時監測和測量灌漿過程中的各種參數，如溫度、壓力、流量等，精確地控制每一個環節，有效避免灌漿過程中出現的問題和質量隱患，實現更加準確和穩定的灌漿效果，保證工程的安全可靠性。

3.3 實現數據的實時監測和遠程控制

通過建立監測系統和遠程控制系統，可以實時獲取灌漿過程中的各種數據，并將其傳輸到中央控制中心，從而對工程的狀態進行實時監測和分析。根據需要進行遠程控制，調整和優化灌漿過程中的參數和操作[16]，以達到最佳的工程效果。

3.4 工程應用實例效果

利用灌漿全過程數據的實時監測與預警反饋平臺，正常灌漿施工區間段，設備在線監測率達到99.7%，能夠精確統計灌漿施工工程量，客觀真實地反映監測灌漿施工水泥耗損的實際情況。相較于傳統灌漿施工方法，提升了抽水蓄能電站重要隱蔽部位單元工程質量優良率（大于95%）。通過合理制定工作流程，水泥等原材料節省率提高了15%，施工作業班組人員工作量減少20%，灌漿施工效率提高10%以上。據不完全統計，目前總體節約成本超300萬。

4 結束語

本文從智能灌漿控制體系結構出發，分析并提出智能灌漿控制技術與控制系統中各個子系統的設計方法。實現了灌漿施工智能決策與精細化管理，保證了關鍵主體工程的安全與穩定，降低了施工成本，提高了施工效率。智能灌漿控制技術與控制系統通過引入數據挖掘技術、智能控制理論、物聯網技術，實現了灌漿施工過程的智能監控、智能決策、反饋控制和事故預警，在水利水電工程等領域有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 張秀麗. 國內外大壩失事或水電站事故典型案例原因匯集[J].大壩與安全，2015（1）：13-16.

[2] 賈寶良，羅熠，張慧，等. 灌漿工程自動監測技術進展與展望[J].長江科學院院報，2021，38（10）：186-191.

[3] ROSEN J B，BACHUS R C，SIEBENMANN R，et al. Using GIS to Track，Visualize，Analyze and Report Grouting Data[C]//Proceedags of Grouting and Deep Mixing 2012. Virginia：ASCE，2012：1013-1022.

[4] 徐捷，屈昌華，李未顯. 巖石水泥灌漿工程可視化技術的探討與實踐[J]. 大壩觀測與土工測試，2001，25（6）：49-51，54.

[5] 饒小康，羅熠，姚振和. 溪洛渡水電站灌漿網絡管理信息系統建設及應用[J].長江科學院院報，2014，31（1）：61-65.

[6] 羅熠，張劍飛，胡俊義. 無線監測系統在瀘定水電站灌漿施工中的應用[J].水力發電，2011，37（5）：77-79.

[7] 饒小康，王暉. 基于B/S結構的灌漿數字化系統在水利工程中的應用[J].長江科學院院報，2013，30（2）：79-83.

[8] 王瑞英，朱等民，郭炎椿. 智能灌漿技術在烏東德水電站帷幕灌漿中的應用[J].人民長江，2020，51（增刊2）：200-202，259.

[9] 李曉超. 水利水電工程壩基灌漿施工質量智能控制理論與應用研究[D].天津：天津大學，2018.

[10] 劉全.水利水電工程智能灌漿控制技術與控制系統研究[J].工程技術研究，2022，7（17）：60-62.

[11] 仝飛. 數字孿生驅動的帷幕灌漿質量全過程控制及評價方法研究[D].西安：西安理工大學，2023.

[12] 張帆，詹程遠，林育強，等. 灌漿施工全過程智能監測數據云存儲與深度分析系統研究[J].長江技術經濟，2023，7（1）：93-97.

[13] 李斌，陳玉榮，孟先磊，等. 基于智能物聯的數字化灌漿監測系統在河北豐寧抽水蓄能電站的應用[J]. 水電與抽水蓄能，2019，5（4）：21-26.

[14] 李斌，郭亮，劉雙華，等. 基于SPC理論的灌漿壓力網絡監測報警系統[J].長江科學院院報，2020，37（2）：174-178.

[15] 饒小康，賈寶良，郭亮，等. 基于大數據平臺的灌漿工程單位注入量的預測研究[J].水電能源科學，2018，36（4）：130-133，169.

[16] 郭世永，韓家梁.水利水電工程灌漿施工控制技術[J].中國新技術新產品，2021（12）：88-90.

Research and Application of Intelligent Control System for Cement Grouting in Hydroelectric Engineering

ZHAN Chengyuan1，ZHANG Fan2，ZHANG Hongwei2，GUO Liang1，ZHANG Mingliang2

（1. Instrument and Automation Institute，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Henan Xinhua Wuyue Pumped Storage Power Generation Co.，Ltd.，Xinyang 465450，China）

Abstract：Grouting is widely used in anti-seepage and reinforcement treatment for dam foundation in water conservancy and hydropower engineering construction. The intelligentization and automation of grouting are the main development trends. Compared to traditional grouting operation techniques，intelligent grouting control system improves the efficiency and accuracy of grouting operation through intelligent analysis，decision-making，and feedback control in the entire grouting construction process，thus better ensures the quality and safety of grouting operation. Starting from the architecture structrure of grouting control system，this paper deeply analyzes the design methods of intelligent control system for cement grouting in hydropower engineering and evaluates the application effects of intelligent grouting control system （control technology and monitoring system） in conjuction with actual projects. The relevant findings can provide a reference for the subsequent research and development of intelligent grouting control technology.

Key words：cement grouting；intelligent control system；remote monitoring；construction quality