新技術(shù)、新方法在兩河口水電站大壩質(zhì)量控制中的應(yīng)用

韓建東，武 波，李文浩（中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710061）

1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，為雅礱江中下游梯級(jí)電站的控制性水庫(kù)電站工程，水庫(kù)總庫(kù)容為 107.67 億 m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。兩河口水電站樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、發(fā)電廠房、引水及尾水建筑物等組成，采用攔河堆石壩、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)、左岸泄洪放空系統(tǒng)、左右岸導(dǎo)流洞的工程樞紐總體布置格局。電站裝機(jī)容量為 3 000 MW（6×500 MW），多年平均年發(fā)電量 110 億 kW·h。

2 工程主要特點(diǎn)

兩河口水電站工程位于青藏高原東南部，屬高寒、高海拔地區(qū)，工程因高原降效嚴(yán)重，受環(huán)境及地域等影響，兩河口工程存在以下三大特點(diǎn)。

（1）土料料源分布復(fù)雜。兩河口水電站共設(shè) 5 個(gè)土料場(chǎng)、12 個(gè)料區(qū)，各料場(chǎng)、料區(qū)土料質(zhì)量差異較大，有一類土（摻配比例為 6∶4）、二類土（摻配比例為 7∶3）、三類土（不摻礫直接上壩）之分。

（2）防滲體填筑所用土料黏粒、粉粒含量均超同類型工程（如長(zhǎng)河壩、糯扎渡水電站），土料對(duì)雨水敏感性較高，現(xiàn)有規(guī)范已不適用，因而超長(zhǎng)雨季對(duì)心墻填筑的影響較大。

（3）高寒、高海拔地區(qū)施工資源降效嚴(yán)重，施工資源量投入較大；冬季短時(shí)季節(jié)性凍土對(duì)心墻填筑的影響嚴(yán)重，同時(shí)該方面基本沒有成熟的類似工程經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

綜上所述，采用常規(guī)的施工工藝和方法建造世界級(jí)的兩河口水電站，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。因此，如何合理運(yùn)用新技術(shù)和新方法是兩河口水電站工程亟待解決的問題。

3 采用動(dòng)態(tài)調(diào)整控制法制備礫石土料

兩河口水電站設(shè)計(jì)有 5 個(gè)土料場(chǎng)作為大壩防滲土料場(chǎng)，料場(chǎng)細(xì)分為 12 個(gè)料區(qū)，各料場(chǎng)土料的質(zhì)量差異較大，土料質(zhì)量不穩(wěn)，P5（粒徑大于 5 mm）顆粒含量波動(dòng)較大，對(duì)礫石土料制備質(zhì)量帶來(lái)影響，加之設(shè)計(jì)單位提出現(xiàn)場(chǎng)以 P5顆粒含量在 40%～45% 之間作為控制目，監(jiān)理中心及時(shí)提出了采用動(dòng)態(tài)控制法制備礫石土料，并且積極采取了具體措施。

（1）為了保證大壩心墻防滲體整體施工質(zhì)量，監(jiān)理中心積極組織各參建方成立了礫石土料制備質(zhì)量控制小組，明確相關(guān)人員的質(zhì)量責(zé)任，并且及時(shí)提出了動(dòng)態(tài)控制方案，最終確定了動(dòng)態(tài)調(diào)整各工序的控制方案。

（2）為了減少土料質(zhì)量變化對(duì)礫石土料制備的影響，在礫石土料備料前加密對(duì)土料場(chǎng)對(duì)應(yīng)開采區(qū)域的試驗(yàn)檢測(cè)頻次，包括 P5含量和含水率等；隨后根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，以及由摻拌試驗(yàn)確定的相應(yīng)層厚指標(biāo)，計(jì)算其動(dòng)態(tài)調(diào)整的鋪料厚度。

（3）每班試驗(yàn)人員及時(shí)將施工情況、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、互層備料厚度和補(bǔ)水量等相關(guān)內(nèi)容上傳至 QQ 聯(lián)絡(luò)群，確?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員及時(shí)根據(jù)相關(guān)控制參數(shù)的變化情況調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)施工方法，避免因溝通不及時(shí)而降低礫石土料的制備質(zhì)量。

（4）在備料倉(cāng)面的顯著位置布置備料參數(shù)標(biāo)示牌，由質(zhì)檢人員根據(jù)每班 QQ 聯(lián)絡(luò)群內(nèi)上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行填寫更新，并將控制參數(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員、施工管理人員進(jìn)行技術(shù)交底，確保按照既定參數(shù)進(jìn)行施工。

（5）各倉(cāng)礫石土料首層備料前和鋪料完畢后分別采用 RTK-GPS 測(cè)量?jī)x對(duì)倉(cāng)面底高程進(jìn)行 5 m×5 m 定點(diǎn)方格網(wǎng)測(cè)量，直到滿足要求后，方可由監(jiān)理簽發(fā)下一層的準(zhǔn)鋪料證。摻拌完成后及時(shí)進(jìn)行取樣檢測(cè)，并且及時(shí)將結(jié)果傳送至 QQ 聯(lián)絡(luò)群，驗(yàn)證礫石土料制備質(zhì)量及方法是否合理。

4 智能大壩系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科技的不斷創(chuàng)新，單純的數(shù)字大壩監(jiān)控系統(tǒng)已不能滿足實(shí)際工程的需要，為進(jìn)一步提高數(shù)字化系統(tǒng)對(duì)大壩施工的指導(dǎo)和反饋效果，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、實(shí)時(shí)化等方面的突破，同時(shí)為克服兩河口水電站地處高原，人員、機(jī)械降效嚴(yán)重的問題，兩河口水電站在建設(shè)過程中引進(jìn)并應(yīng)用了一系列數(shù)字化、智能化系統(tǒng)。

4.1 甘孜州氣象雷達(dá)實(shí)時(shí)氣象云圖

為了實(shí)時(shí)觀測(cè)及預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)天氣，兩河口水電站工程項(xiàng)目部引進(jìn)了甘孜州氣象雷達(dá)，同時(shí)成立了心墻填筑天氣預(yù)判小組。在正常情況下，預(yù)判小組每隔半小時(shí)向 QQ 聯(lián)絡(luò)群發(fā)布一次實(shí)時(shí)氣象云圖，降雨前加密云圖發(fā)布頻次（降雨前每隔五分鐘發(fā)布一次）。甘孜州氣象雷達(dá)云圖的運(yùn)用，不僅可以提前預(yù)判現(xiàn)場(chǎng)氣象條件，而且能夠提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，尤其對(duì)心墻等施工區(qū)域的天氣預(yù)判準(zhǔn)確率可以達(dá)到 95% 以上。這為工程項(xiàng)目部準(zhǔn)確向心墻填筑面下達(dá)刨毛、快速壓光、及恢復(fù)施工等指令帶來(lái)了極大的便利。

4.2 多元化數(shù)字大壩系統(tǒng)

數(shù)字大壩系統(tǒng)綜合運(yùn)用 3S ［遙感技術(shù)（Remote sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography information systems，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global positioning systems，GPS）］技術(shù)、海量數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體及虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)等，對(duì)兩河口水電站大壩設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行過程中涉及的施工質(zhì)量、工程進(jìn)度等信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集與數(shù)字化處理，構(gòu)建兩河口水電站大壩綜合數(shù)字信息平臺(tái)和三維虛擬模型，實(shí)現(xiàn)綜合信息的動(dòng)態(tài)更新與維護(hù)，為工程決策與管理、大壩安全運(yùn)行與健康診斷等提供信息支撐和應(yīng)用平臺(tái)。

4.2.1 堆石壩填筑鋪料碾壓質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)與反饋控制系統(tǒng)

建設(shè)該系統(tǒng)的目標(biāo)是監(jiān)測(cè)推土機(jī)、碾壓機(jī)的高精度自動(dòng)位置，實(shí)時(shí)采集碾壓機(jī)械激振力輸出狀態(tài)，可視化監(jiān)控鋪土、碾壓過程，實(shí)時(shí)計(jì)算與分析包括壩面施工在內(nèi)的質(zhì)量參數(shù)，以及反饋控制鋪土、碾壓過程。一旦上述監(jiān)測(cè)、計(jì)算或控制結(jié)果出現(xiàn)偏差，該系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)并及時(shí)反饋給施工現(xiàn)場(chǎng)。鋪土、碾壓成果以圖表形式輸出，作為該碾壓倉(cāng)面的成果數(shù)據(jù)存檔以備后續(xù)分析。

4.2.2 礫石土料摻拌實(shí)時(shí)監(jiān)控分析系統(tǒng)

在摻拌設(shè)備上安裝高精度定位設(shè)備以及傳感器，經(jīng)過實(shí)時(shí)運(yùn)算，得到摻拌機(jī)械的位置和摻拌動(dòng)作信息，并實(shí)時(shí)顯示在可視化界面上，以便施工人員全程監(jiān)控?fù)桨柽^程。若監(jiān)測(cè)到摻拌次數(shù)不足或摻拌動(dòng)作不符合要求，系統(tǒng)即刻自動(dòng)報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)處理。

4.2.3 上壩運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上壩運(yùn)輸全過程的可視化監(jiān)控。例如：建立整個(gè)工區(qū)的電子地圖，以圖形化的形式展示運(yùn)輸車輛的具體位置，用突出顏色表現(xiàn)車輛空滿載狀態(tài)，并可分時(shí)段、分料源統(tǒng)計(jì)上壩強(qiáng)度；實(shí)時(shí)分析監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)卸料位置異常等情況進(jìn)行報(bào)警。

4.2.4 灌漿信息監(jiān)控與分析系統(tǒng)

建設(shè)該系統(tǒng)的目標(biāo)是在施工現(xiàn)場(chǎng)建立灌漿監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，收集灌漿施工中的過程數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過 WiFi 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)字大壩服務(wù)器中；提供數(shù)據(jù)格式化程序，使現(xiàn)場(chǎng)灌漿網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能展現(xiàn)在灌漿數(shù)字化平臺(tái)中，以便參建人員及時(shí)處理各種問題。

4.2.5 堆石料加水監(jiān)控系統(tǒng)

建設(shè)該系統(tǒng)的目標(biāo)是通過集成無(wú)線射頻技術(shù)（RFID）、自動(dòng)控制技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，建設(shè)一套土石料運(yùn)輸車輛加水量全天候自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)按車、按量的精細(xì)監(jiān)控，確保加水量滿足設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2.6 大壩智能碾壓系統(tǒng)

兩河口水電站工程融合了數(shù)字大壩系統(tǒng)，構(gòu)建了智能大壩系統(tǒng)平臺(tái)。數(shù)字大壩系統(tǒng)采用智能算法，挖掘出料源參數(shù)、碾壓參數(shù)與試坑壓實(shí)度之間的關(guān)系；利用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練建模，預(yù)測(cè)心墻礫石土任意填筑位置的壓實(shí)度；將人工智能算法嵌入到碾壓過程監(jiān)控系統(tǒng)中，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓實(shí)度，以及生成壓實(shí)度圖形報(bào)告，以便現(xiàn)場(chǎng)人員直觀掌控倉(cāng)面整體壓實(shí)質(zhì)量情況。大壩智能碾壓系統(tǒng)在深度融合數(shù)字大壩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程、信息共享、軟硬件功能互補(bǔ)的無(wú)縫集成，形成一套完整的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、后臺(tái)規(guī)劃、可視仿真、無(wú)人駕駛、實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)反饋、及時(shí)修正、數(shù)據(jù)分析的智能大壩系統(tǒng)平臺(tái)。目前大壩智能（無(wú)人）碾壓系統(tǒng)已完成生產(chǎn)性試驗(yàn)，下一步將全面投入使用。

4.3 高清工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)

兩河口水電站工區(qū)施工部位點(diǎn)多面廣，日常巡檢過程容易出現(xiàn)盲區(qū)，為減少因管控不到位而造成的質(zhì)量問題，引入高清工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)工區(qū)內(nèi)重點(diǎn)部位進(jìn)行監(jiān)控，在各個(gè)工作面和重點(diǎn)檢查部位均設(shè)置了高清工業(yè)視頻攝像頭，通過無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，將實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏斨翑?shù)字大壩分控站進(jìn)行顯示，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控人員可采用移動(dòng)終端對(duì)其他部位施工情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

5 冬季土料凍融機(jī)理研究及快速收放設(shè)備

兩河口水電站冬季晝夜溫差較大，冬季土料凍結(jié)后，強(qiáng)度增加，難以保證心墻碾壓質(zhì)量，且反復(fù)的凍融作用會(huì)改變土料的壓實(shí)度，進(jìn)而對(duì)其滲透性等水力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響，由此可能對(duì)工程施工質(zhì)量造成不利影響。為此，兩河口水電站工程引進(jìn)中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研究團(tuán)隊(duì)，從專業(yè)性、科學(xué)性方面入手，開展冬季土料凍融機(jī)理理論體系研究。

通過采用適當(dāng)?shù)谋夭牧?，兩河口水電站大壩防滲土料冬季可照常施工。在負(fù)溫出現(xiàn)前，用保溫材料對(duì)礫石土倉(cāng)面進(jìn)行全覆蓋保護(hù)，待正溫出現(xiàn)后，揭去保溫材料，實(shí)現(xiàn)連續(xù)施工。為了充分利用白天正溫時(shí)間解決高原降效、大量消耗人工的問題，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種快速收放保溫材料的設(shè)備。通過這一新型機(jī)械的使用，大大加快了心墻保溫材料的收放速度，提高了冬季心墻礫石土料的施工效率。

6 壩體施工質(zhì)量快速檢測(cè)方法的應(yīng)用

兩河口水電站工程以附加質(zhì)量法作為過渡料、堆石料施工質(zhì)量的快速檢測(cè)方法，以核子密度儀法作為接觸土料、礫石土料、反濾料施工質(zhì)量的快速檢測(cè)方法。應(yīng)用這些檢測(cè)方法既可以證明常規(guī)檢測(cè)方法的結(jié)論，又能為冬季、雨季的施工現(xiàn)場(chǎng)提供快速檢測(cè)結(jié)果，為快速?gòu)?fù)工提供數(shù)據(jù)支撐。

7 新技術(shù)、新方法的應(yīng)用效果

7.1 動(dòng)態(tài)調(diào)整制備礫石土料的控制效果

采用動(dòng)態(tài)調(diào)整控制法制備礫石土料的實(shí)施效果如表 1 所示。

表1 動(dòng)態(tài)調(diào)整前后礫石土料的 P5含量檢測(cè)結(jié)果

7.2 雨季心墻施工質(zhì)量及效率分析

結(jié)合兩河口工程歷年氣象情況及投標(biāo)文件，對(duì)大壩心墻有效施工天數(shù)及心墻填筑上升高度進(jìn)行對(duì)比分析（見表 2）。

表2 2017 年 3 月—11 月大壩心墻有效施工天數(shù)和心墻填筑上升高度

從表 2 可以看出，實(shí)際有效施工天數(shù)比投標(biāo)有效施工天數(shù)少 45 d，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際心墻填筑上升高度卻比投標(biāo)上升高度高出 5.5 m。這充分體現(xiàn)了實(shí)時(shí)氣象預(yù)報(bào)（甘孜州氣象雷達(dá)實(shí)時(shí)氣象云圖）、快速檢測(cè)和相應(yīng)質(zhì)量監(jiān)控手段在雨季心墻填筑過程中的應(yīng)用是有效可行的。

7.3 冬季心墻施工效率分析

2017 年冬季施工采用機(jī)械覆蓋、揭收保溫被，覆蓋保溫被單臺(tái)收放機(jī)效率為 4 483 m2/h，是 2016 年冬季的 2.9 倍；揭收保溫被單臺(tái)收放機(jī)效率可達(dá) 3 882 m2/h，是 2016 年冬季的 2 倍。采用自動(dòng)收放設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，不僅節(jié)約了大量人工（30 人），而且有效地提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率（見表3）。

表3 2016 年和 2017 年收放保溫被的施工效率

7.4 大壩填筑整體質(zhì)量分析

正常施工時(shí)段與雨后復(fù)工時(shí)段礫石土料相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果相比較（如表4所示），除了部分雨后復(fù)工檢測(cè)含水率較大（含水率偏上線，但滿足設(shè)計(jì)要求）以外，其余檢測(cè)結(jié)果均 100% 滿足要求，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表4 正常施工時(shí)段和雨后復(fù)工時(shí)段的礫石土料相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

冬季施工期間經(jīng)歷了一系列惡劣天氣，但是通過現(xiàn)場(chǎng)的有序組織并采取相應(yīng)措施，保證了冬季施工時(shí)段心墻土料的施工質(zhì)量，各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求（見表 5）。

表5 冬季施工時(shí)段心墻土料施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

8 結(jié)語(yǔ)

工程技術(shù)人員在建設(shè)我國(guó)最高在建礫石土心墻堆石壩—兩河口水電站過程中，總結(jié)和提煉出了大壩質(zhì)量控制新技術(shù)和新方法，不僅克服了兩河口地域冬雨季氣候環(huán)境妨礙施工建設(shè)的困難，有效降低了復(fù)雜土料場(chǎng)不同料性對(duì)防滲體施工質(zhì)量的影響，而且解決了高原自然條件嚴(yán)重降低施工效率的突出問題。隨著數(shù)字大壩系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的不斷拓展和創(chuàng)新，水電工程的數(shù)字大壩系統(tǒng)正在向智能大壩系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。與此同時(shí)，工程技術(shù)人員結(jié)合該工程的自身特點(diǎn)，引入適用于不同范圍、不同深度的數(shù)字化作業(yè)及監(jiān)控系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)智能大壩奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)同類工程提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。