从乌东德、白鹤滩水电站灌浆工程看我国灌浆施工智能化的前景

夏可风，王克祥

(1.中国水电基础局有限公司，天津 武清 301700；2.中国三峡建工(集团)有限公司，北京 101100)

我国两座巨型水电站——乌东德水电站、白鹤滩水电站相继蓄水发电，为国家提供了源源不断的绿色能源。这两项工程的坝基处理、防渗工程都有巨量的水泥灌浆施工任务，根据近些年一些工程的施工经验教训，如何管理好两项工程的灌浆工程施工，既确保工程质量又能控制工程预算，具有很大的挑战性[1]。在这种形势下，业主单位中国三峡建工(集团)有限公司联合中大华瑞科技有限公司研究开发了智能灌浆控制系统，并应用于灌浆施工中，取得了良好的效果，开创了我国乃至世界上灌浆技术发展的新阶段。

本文对两项工程智能化灌浆的情况和收获、相关的若干问题和今后在其他工程中推广应用的前景进行分析讨论。

1 智能化灌浆及其相关的定义

灌浆的定义为，用压力将可凝结的浆液通过钻孔或管道注入建筑物或地基的缝隙中，以提高其强度、整体性和抗渗性能的工程措施[2]。自动化灌浆可定义为，在无人直接操作的情况下，灌浆设备按照设定的技术要求，自动进行检测、信息处理、工序转换，直至完成钻孔压水试验和孔段灌浆施工任务的过程。智能化灌浆可定义为，用人工智能指导和控制的灌浆施工[3]，是在自动化灌浆的基础上增加了人工智能对地质条件的探测，对灌浆过程变化、特殊情况发生的感知、研判，并自主调整灌浆策略和施工参数持续灌注，直至达到结束条件的灌浆过程。

通俗地说，一个孔段的自动化灌浆应当做到：在一键启动指令后，灌浆系统应当自动、连续、顺畅地完成灌浆压力的调节、注入率控制、浆液水灰比变换，直至满足设计要求的结束条件，停止灌浆。这是自动化灌浆的规定动作。当前有些工程中，把完成上述任务称为智能灌浆，这是不准确的。还有的甚至不能做到“一键启动，自动结束”，灌浆过程中遇到施工参数转换、小小意外情况发生，正常过程就要停下来，辅以人工补充指令，有时一段灌浆完成需要人工干预多次。这样的灌浆过程既不能称为智能灌浆，也不能称为自动化灌浆，姑且可称为半自动化灌浆。

至于智能化灌浆，完全的或高级的智能灌浆，应该能自动识别地层，针对灌浆孔段所在不同地层选择不同灌浆施工参数，不良地层多灌、灌饱，良好基岩少灌或不灌。初级的智能灌浆除满足自动化灌浆的要求外，至少应增加可以识别灌浆过程中的若干种特殊情况，如注入量特大、串浆冒浆、岩层劈裂结构抬动、回浆变浓等，并可以自主处理，直至转入正常灌浆过程，正常结束。

综上，当前流行的智能灌浆概念实际上是泛指以上几种灌浆，即半自动化灌浆、自动化灌浆、智能灌浆，至于完全的智能灌浆还未达到。值得肯定的是，无论走到了上面哪一步，都是灌浆技术的升级。以下本文单独提到的智能灌浆或智能化灌浆，指上述泛化的概念。

2 实施灌浆智能化是必由之路

2.1 有经验的灌浆工程师和工匠稀缺

一个灌浆过程开始后，有两位操作工人起着关键作用，即司灌工和记录员。司灌工控制着浆液阀门，他要把灌浆压力从0逐渐升至设计压力；注入率从最大调节至均匀、至最小、至地层饱和；浆液浓度从较稀调节至适宜。全过程目的是确保灌浆孔周围地层孔隙裂隙得到充分灌注，而又不要过量，即不能使压力劈裂地层，不使浆液渗流到灌注范围以外造成浪费。这个过程持续的长短，消耗资源的多少，客观上由地质条件、孔位深度、浆液材料等决定，主观上由司灌工的技术能力和思想意识决定。每一段灌浆过程持续少则1 h，多则十数小时，工作繁重，进行高压灌浆时更有一定的危险性，故司灌工资源极为稀缺。灌浆记录员则负责将灌浆过程中的灌浆压力、浆液注入率、浆液密度、地层变形(抬动)等数据，按规定的时间间隔记录下来，有经验的记录员还应当分析这些数据，发现问题提出调整灌浆参数的指导意见，反馈给司灌工。如今灌浆自动记录仪普及，记录员的工作由记录仪替代，但存在无人提出指导意见的问题[4]。

至于现场灌浆工程师，要求应具备系统的水工、地质知识和工作经验，需指导记录员、司灌工的工作，精通此类工作内容，这类人才缺失也越来越严重。

2.2 灌浆施工管理困难

灌浆工程是隐蔽工程，灌浆施工过程是特殊过程。其工程数量既难以预计，又难以直接测量；工程质量不易控制，在施工过程中，虽然有一些间接检测措施，完工后布置有一定的压水试验或物探检查孔，但是总的来说灌浆施工质量管理、工程监理都非常困难，灌浆工程的效果、质量缺陷常常需在工程投入运行后方能显现、暴露。近些年来，由于工程质量管理及造价管理等问题，致使不少项目的灌浆工程质量严重失控，工程量不断追加，工程预算概算大量突破。有些工程蓄水后渗漏严重，不得不大量补灌。

2.3 灌浆工程新技术开发创新是时代的要求

当今计算机技术发展日新月异，信息技术、数字技术、人工智能技术已广泛地应用到工农各业中，在建筑工业领域智慧建筑、智能建造、数字大坝新技术层出不穷。因此，运用计算机技术研发智能化灌浆系统，以取代或部分取代稀缺的人力资源，同时改善现场操作人员的工作条件；实现灌浆施工过程的自动、智能控制，以确保灌浆工程质量、灌浆工程预算在受控范围内，已经迫切地提上了日程。

3 智能灌浆在乌东德水电站和白鹤滩水电站的应用

3.1 乌东德水电站和白鹤滩水电站灌浆工程概况

乌东德水电站拱坝最大坝高270 m，基岩为灰岩、白云岩、石英岩，主要为Ⅱ类岩体。大坝坝基及两岸坝肩、二道坝坝基设置帷幕灌浆，约12.12万m；左右岸地下厂房上游设置帷幕灌浆33.45万m；以上及其他部位共计帷幕灌浆48.37万m。坝基固结灌浆共计10.68万m。

白鹤滩水电站拱坝最大坝高289 m，主要基岩为玄武岩，局部发育柱状节理玄武岩及角砾熔岩。岩体质量总体较好。大坝坝基、两岸灌浆平洞、二道坝坝基、左右岸地下厂房均设置帷幕灌浆和搭接帷幕灌浆，共计帷幕灌浆工程量135万m，固结灌浆工程量85.37万m。

3.2 乌东德、白鹤滩水电站智能灌浆系统主要技术参数

在业主单位的主持下，自2017年开始研发智能灌浆系统并逐渐在乌东德、白鹤滩两水电站灌浆工程施工中试验性应用，直至较普遍地应用，在应用中不断对控制程序、设备硬件进行改进，其成果从1.0版最后至4.0版。

乌东德水电站先后共使用智能灌浆装置42套，完成大坝帷幕灌浆8.86万m，坝基固结灌浆5.05万m。白鹤滩水电站使用智能灌浆装置64套，完成帷幕灌浆约40万m，固结灌浆4万m。

两工程使用的智能灌浆装置可以进行简易压水、单点法/五点法压水、裂隙冲洗、纯水泥浆液灌浆；可以分别控制灌浆压力、注入率、浆液密度、浆液温度、抬动变形5个参数。硬件主要技术参数为，灌浆压力范围0～6 MPa，分辨率0.01 MPa；浆液密度范围1.0～2.0 g/cm3，分辨率0.01 g/cm3；注入率范围0～150 L/min，分辨率0.1 L/min；位移分辨率1 μm；温度分辨率1 ℃。

图1 智能灌浆系统示意

智能灌浆装置使用过程中所有检测和监测数据、装置运行指令，通过有线或无线传输发布，灌浆成果资料按照技术要求自动整理输出。设有紧急情况人工辅助控制程序和按键。为防止改动电路和使用电磁干扰编造虚假数据，讯号传输过程进行数字加密。智能灌浆装置使用过程中基本上可以做到一键启动，连续灌浆，正常结束。少数需启用人工辅助键。

由于使用智能灌浆装置，每个机组至少可以减少1名灌浆工，在岗的工人体力劳动大大减轻，施工场地变得干净整洁。智能灌浆系统示意见图1，其中左侧为管理平台，右侧为智能灌浆装置及其连接示意。

3.3 乌东德、白鹤滩水电站智能灌浆主要施工成果

乌东德水电站、白鹤滩水电站灌浆工程已经全部完成，其主要施工成果及初期蓄水效果如下。

(1)乌东德水电站各部位灌浆平均单位注入量分别为：大坝帷幕灌浆10.5 kg/m；左岸地下厂房主帷幕灌浆20.23 kg/m，搭接帷幕灌浆2.41 kg/m；右岸地下厂房主帷幕灌浆22.3 kg/m，搭接帷幕灌浆15.26 kg/m；坝基固结灌浆13.14 kg/m。

(2)白鹤滩水电站各部位灌浆单位注入量分别为：大坝各坝段帷幕灌浆6～74.17 kg/m；两岸平洞主帷幕各单元8.90～29.63 kg/m，搭接帷幕灌浆各单元5.37～15.19 kg/m；左岸地下厂房主帷幕灌浆23.01 kg/m，搭接帷幕灌浆13.2 kg/m；右岸地下厂房主帷幕灌浆15.3 kg/m，搭接帷幕灌浆5.24 kg/m；二道坝帷幕各单元12.1～54 kg/m，坝基固结灌浆各单元10.30～76.92 kg/m。

两个工程各部位灌浆单位注入量基本都在设计预计范围内，与地质条件相关性良好，没有发生不可控制的情况。2021年两工程已先后蓄水发电，监测资料显示，坝基渗漏量很小，乌东德水电站坝基总渗漏量12.41 L/s，各坝段渗压力在设计允许范围内；白鹤滩水电站坝基总渗漏量18.15 L/s，渗压力监测正常。蓄水后都没有出现严重渗漏而被迫追加大量补灌工程量的现象发生[5]。

在乌东德、白鹤滩之后，还有一些单位开始试验研发智能灌浆装置。雅砻江杨房沟水电站大坝灌浆[6]、雄安新区调蓄库灌浆试验等工程使用智能灌浆装置，不少功能有新的改进和提高。

4 乌东德、白鹤滩水电站应用智能化灌浆探讨与总结

乌东德、白鹤滩水电站智能化灌浆还是初次尝试，今后还可进一步完善。根据其实践以及随后其他工程试验应用的情况，可以得出如下经验总结：

(1)乌东德、白鹤滩水电站的灌浆工程在我国率先实现了智能化灌浆的实际施工应用，标志着灌浆技术已由传统人力方式步入到信息化、智能化时代[7]。

(2)两项特大型工程通过应用智能灌浆系统，灌浆施工质量、灌浆工程概预算得到有效控制，灌浆施工环境明显改善，施工人员数量减少、现场施工人员、质量管理、监理人员劳动强度大幅降低。

(3)乌东德、白鹤滩水电站的智能化灌浆名为“智能化”，实际上智能化仍不够，只是基本实现了自动化灌浆的任务。后来在雄安新区调蓄库灌浆试验中实现了地层抬动、浆液失水变浓等几种特殊情况的智能处理。但技术进步的余地仍很大。

(4)智能灌浆系统应当融合固化灌浆专家、工匠的智慧，应当由业主、设计、施工和计算机科技企业共同研制开发。乌东德、白鹤滩水电站的智能化灌浆系统的研发，设计和施工人员参与不够。研发的技术路线着重于防止弄虚作假，保证灌浆工程质量方面，对于节约工时、降低施工成本重视不够。

(5)乌东德、白鹤滩水电站智能灌浆系统的应用提高了工程质量，节省了人工，降低了材料消耗，经济效益显著。但如适当改进，经济效益还可以进一步提高。

(6)智能灌浆装置应当简约、实用、耐用、价廉，不必追求复杂化、精确化，应尽可能降低运行成本和故障率。

(7)智能灌浆系统(包括管理平台和智能灌浆装置)是成套技术，其运行程序针对某一工程设计，适应于该工程的地质条件和技术要求，服务于该工程。智能灌浆系统不能像记录仪一样，任意买来一台便可使用，乌东德的智能灌浆系统后来用到雄安新区调蓄库灌浆试验中就针对该工程地质条件和工程要求，进行了相关程序的修改。

5 对推广应用智能化灌浆的前景及几点建议

5.1 应用前景

(1)计算机和信息技术的快速进步与普及，推进了灌浆智能化的可行性。熟练的灌浆技术人员和技工难求，人力成本上升，计量方法失当和逐利行为导致灌浆质量和投资失控等因素，提出了升级灌浆技术的必要性。灌浆施工智能化是适应智能建造、数字大坝新技术的必然产物。

(2)截至2021年，我国的水力资源开发率在50%左右，还有大量的水力资源存量等待开发；为了实现“双碳”目标，要修建更多的抽水蓄能电站；水利上“国家水网重大工程”建设方兴未艾，这些工程都有大量的灌浆工程任务。与此同时，我国水电施工企业大量参加一带一路建设，每一项大型的国际工程都有规模可观的灌浆工程量需要完成。因此智能灌浆技术在水利水电行业有着广阔的应用前景。

5.2 建议

为更好地推广应用智能灌浆技术，提出以下几点建议：

(1)智能灌浆是成套技术，大型工程要在灌浆试验阶段对智能灌浆系统的设计、编程、运行进行充分试验验证，满足工程技术要求后方可投入规模应用。设计、施工人员的合理意见应当吸纳到运行程序中。

(2)技术进步无止境，当前的智能化灌浆应当先完善自动化程序，逐步过渡到初步智能，即可以自主地处理灌浆过程中发生的特殊情况阶段，再过渡到更高级的智能灌浆阶段，即能自主识别地层、自主选择施工参数。

(3)当前讨论的智能灌浆仅为钻孔灌浆工程中的“压水”“灌浆”两个工序，还有“钻孔”等其他工序，以及工序前后的机械器具安装拆卸移动等，都需要较重的体力劳动，应当致力于研究改进。

(4)技术标准来自工程实践，又指导推动工程实践。智能灌浆起源于传统灌浆，又区别于传统灌浆。应当研究在适当时机编制智能灌浆技术标准，或在已有标准中增加相关章节条文。

(5)工程量计量计价方式和相关合同条款是指引施工人员努力方向和技术发展风向标，近年不少工程出现失误。采用智能灌浆时应当妥善制定相关办法。

(6)大型灌浆工程实施智能化灌浆可以实现技术经济效益的最大化。建议业主单位组织大型工程，如灌浆工程量在10万m以上的工程施工时，积极采用灌浆智能化技术。