新技术、新方法在两河口水电站大坝质量控制中的应用

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新技术、新方法在两河口水电站 大坝质量控制中的应用
韩建东，武波
，李文浩（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西西安710061)
摘要：两河口水电站工程位于青藏高原东南部，属高寒、高海拔地区，由于高原降效严重且受环境及地域等因素影响，无法实施常规的施
工工艺和施工方法。

基于工程的主要特点，探讨在两河口水电站工程中如何合理运用新技术和新方法以提高施工质量控制水平，旨在为建 设智能大坝提供可行性方案，为后续同类工程积累宝贵经验。

文章编号：1007-4104 (2020) 11-0060-04
关键词：两河口水电站；智能大坝；新技术；新方法；质量控制 中图分类号：TU 712
文献标识码：B
1工程概況
两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江
干流上，为雅砻江中下游梯级电站的控制性水库电站工程， 水库总库容为107.67亿m 3,具有多年调节能力。

两河口水 电站枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放 空洞、发电厂房、引水及尾水建筑物等组成，采用拦河堆 石坝、右岸引水发电系统、左岸泄洪放空系统、左右岸导 流洞的工程枢纽总体布置格局。

电站装机容量为3 000 MW (6X 500MW ),多年平均年发电量110亿kW -h 。

2工程主要特点
两河口水电站工程位于青藏高原东南部，属高寒、高
海拔地区，工程因高原降效严重，受环境及地域等影响， 两河口工程存在以下三大特点。

(1) 土料料源分布复杂。

两河口水电站共设5个土料 场、12个料区，各料场、料区土料质量差异较大，有一类 土（掺配比例为6 : 4)、二类土（掺配比例为7 : 3)、三 类土（不掺砾直接上坝）之分。

(2)
防渗体填筑所用土料黏粒、粉粒含量均超同类型
工程（如长河坝、糯扎渡水电站），土料对雨水敏感性较
高，现有规范已不适用，因而超长雨季对心墙填筑的影响较大。

(3)高寒、高海拔地区施工资源降效严重，施工资 源量投入较大；冬季短时季节性冻土对心墙填筑的影响严 重，同时该方面基本没有成熟的类似工程经验可供借鉴。

综上所述，采用常规的施工工艺和方法建造世界级的两 河口水电站，已经不能满足现场需要。

因此，如何合理运用 新技术和新方法是两河口水电站工程亟待解决的问题。

3采用动态调整控制法制备砾石土料
两河口水电站设计有5个土料场作为大坝防渗土料
场，料场细分为12个料区，各料场土料的质量差异较大， 土料质量不稳，P 5 (粒径大于5 mm )颗粒含量波动较大， 对砾石土料制备质量带来影响，加之设计单位提出现场以
P 5颗粒含量在40%〜45%之间作为控制目，监理中心及时
提出了采用动态控制法制备砾石土料，并且积极采取了具 体措施。

(1)为了保证大坝心墙防渗体整体施工质量，监理中 心积极组织各参建方成立了砾石土料制备质量控制小组，
明确相关人员的质量责任，并且及时提出了动态控制方 案，最终确定了动态调整各工序的控制方案。

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(2) 为了减少土料质量变化对砾石土料制备的影响， 在砾石土料备料前加密对土料场对应开采区域的试验检测 频次，包括P 5含量和含水率等；随后根据试验检测数据， 以及由掺拌试验确定的相应层厚指标，计算其动态调整的 铺料厚度。

(3)
每班试验人员及时将施工情况、试验数据、互层
备料厚度和补水量等相关内容上传至Q Q 联络群，确保现 场施工人员及时根据相关控制参数的变化情况调整现场施 工方法，避免因沟通不及时而降低砾石土料的制备质量。

(4)
在备料仓面的显著位置布置备料参数标示牌，由 质检人员根据每班Q Q 联络群内上传的相关数据进行填写 更新，并将控制参数对现场测量人员、施工管理人员进行 技术交底，确保按照既定参数进行施工。

(5)
各仓砾石土料首层备料前和铺料完毕后分别采用
RTK -GPS 测量仪对仓面底高程进行5 m X 5 m 定点方格网
测量，直到满足要求后，方可由监理签发下一层的准铺料 证。

掺拌完成后及时进行取样检测，并且及时将结果传送 至QQ 联络群，验证砾石土料制备质量及方法是否合理。

4智能大坝系统的应用
随着现代科技的不断创新，单纯的数字大坝监控系统
已不能满足实际工程的需要，为进一步提高数字化系统对 大坝施工的指导和反馈效果，实现自动化、智能化、实时 化等方面的突破，同时为克服两河口水电站地处高原，人 员、机械降效严重的问题，两河口水电站在建设过程中引 进并应用了一系列数字化、智能化系统。

4.1
甘孜州气象雷达实时气象云图
为了实时观测及预报现场天气，两河口水电站工程项目 部引进了甘孜州气象雷达，同时成立了心墙填筑天气预判小 组。

在正常情况下，预判小组每隔半小时向QQ 联络群发布 —次实时气象云图，降雨前加密云图发布频次（降雨前每隔 五分钟发布一次）。

甘孜州气象雷达云图的运用，不仅可以 提前预判现场气象条件，而且能够提高天气预报的准确率， 尤其对心墙等施工区域的天气预判准确率可以达到95%以 上。

这为工程项目部准确向心墙填筑面下达刨毛、快速压光 及恢复施工等指令带来了极大的便利。

4.2
多元化数字大坝系统
数字大坝系统综合运用3S [遥感技术（Remote
sensing , RS )、地理信息系统（Geography information system s ，GIS )和全球定位系统（Global positioning
systems , GPS )]技术、海量数据库管理技术、网络技
术、多媒体及虚拟现实（VR )技术等，对两河口水电站大 坝设计、建设和运行过程中涉及的施工质量、工程进度等 信息进行动态采集与数字化处理，构建两河口水电站大坝 综合数字信息平台和三维虚拟模型，实现综合信息的动态
更新与维护，为工程决策与管理、大坝安全运行与健康诊 断等提供信息支撑和应用平台。

4.2.1堆石坝填筑铺料碾压质量自动监测与反馈控制系统
建设该系统的目标是监测推土机、碾压机的高精度自
动位置，实时采集碾压机械激振力输出状态，可视化监控
铺土、碾压过程，实时计算与分析包括坝面施工在内的质 量参数，以及反馈控制铺土、碾压过程。

一旦上述监测、 计算或控制结果出现偏差，该系统会产生相应的报警信号
并及时反馈给施工现场。

铺土、碾压成果以图表形式输 出，作为该碾压仓面的成果数据存档以备后续分析。

4.2.2砾石土料掺拌实时监控分析系统
在掺拌设备上安装高精度定位设备以及传感器，经过 实时运算，得到掺拌机械的位置和掺拌动作信息，并实时 显示在可视化界面上，以便施工人员全程监控掺拌过程。

若监测到掺拌次数不足或掺拌动作不符合要求，系统即刻 自动报警，提醒现场及时处理。

4.2.3上坝运输实时监控分析系统
该系统可实现上坝运输全过程的可视化监控。

例如： 建立整个工区的电子地图，以图形化的形式展示运输车辆 的具体位置，用突出颜色表现车辆空满载状态，并可分时 段、分料源统计上坝强度；实时分析监控数据，对卸料位 置异常等情况进行报警。

4.2.4灌浆信息监控与分析系统
建设该系统的目标是在施工现场建立灌浆监测网络， 收集灌浆施工中的过程数据，并将这些数据通过W iFi 网络 发送到数字大坝服务器中；提供数据格式化程序，使现场 灌浆网络中的数据能展现在灌浆数字化平台中，以便参建 人员及时处理各种问题。

4.2.5堆石料加水监控系统
建设该系统的目标是通过集成无线射频技术 (RFID )、自动控制技术和无线通信技术，建设一套士石 料运输车辆加水量全天候自动监控系统，以实现按车、按 量的精细监控，确保加水量满足设定的标准要求。

4.2.6大坝智能碾压系统
两河口水电站工程融合了数字大坝系统，构建了智能 大坝系统平台。

数字大坝系统采用智能算法，挖掘出料源参 数、碾压参数与试坑压实度之间的关系；利用历史数据训练 建模，预测心墙砾石土任意填筑位置的压实度；将人工智能
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算法嵌入到碾压过程监控系统中，用于实时监测压实度，以
及生成压实度图形报告，以便现场人员直观掌控仓面整体压 实质量情况。

大坝智能碾压系统在深度融合数字大坝系统的 基础上，实现业务流程、信息共享、软硬件功能互补的无缝 集成，形成一套完整的实时监测、后台规划、可视仿真、无 人驾驶、实时监控、自动反馈、及时修正、数据分析的智能 大坝系统平台。

目前大坝智能（无人）碾压系统已完成生产 性试验，下一步将全面投入使用。

4.3高清工业电视监控系统
两河口水电站工区施工部位点多面广，日常巡检过程 容易出现盲区，为减少因管控不到位而造成的质量问题，引入高清工业电视监控系统对工区内重点部位进行监控，在各个工作面和重点检查部位均设置了高清工业视频摄像 头，通过无线数据传输，将实时画面传输至数字大坝分控 站进行显示，现场质量管控人员可采用移动终端对其他部 位施工情况进行现场监控。

5冬季土料冻融机理研究及快速收放设备
两河口水电站冬季昼夜温差较大，冬季土料冻结后，强度增加，难以保证心墙碾压质量，且反复的冻融作用会 改变土料的压实度，进而对其渗透性等水力学参数产生影 响，由此可能对工程施工质量造成不利影响。

为此，两河 口水电站工程引进中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 研究团队，从专业性、科学性方面入手，开展冬季土料冻 融机理理论体系研究。

通过采用适当的保温材料，两河口水电站大坝防渗土 料冬季可照常施工。

在负温出现前，用保温材料对砾石土仓 面进行全覆盖保护，待正温出现后，揭去保温材料，实现连 续施工。

为了充分利用白天正温时间解决高原降效、大量消 耗人工的问题，研究团队发明了一种快速收放保温材料的设 备。

通过这一新型机械的使用，大大加快了心墙保温材料的 收放速度，提高了冬季心墙砾石土料的施工效率。

6坝体施工质量快速检测方法的应用
两河口水电站工程以附加质量法作为过渡料、堆石 料施工质量的快速检测方法，以核子密度仪法作为接触土 料、砾石土料、反滤料施工质量的快速检测方法。

应用这 些检测方法既可以证明常规检测方法的结论，又能为冬 季、雨季的施工现场提供快速检测结果，为快速复工提供 数据支撑。

7新技术、新方法的应用效果
7.1动态调整制备砾石土料的控制效果
采用动态调整控制法制备砾石土料的实施效果如表1 所示。

表1动态调整前后砾石土料的P5含量检测结果
检测项目最大值最小值目标值合格率动态调整前的「5颗粒含量31.8%48.2%58.0%
动态调整后的口5颗粒含量36.4%45.8%91.25%
注：设计技术要求规定碎石土料P5颗粒含量以30%~ 50°/。

为合 格，现场P5颗粒含量以40%~ 45%作为控制目标
7.2雨季心墙施工质量及效率分析
结合两河口工程历年气象情况及投标文件，对大坝心墙 有效施工天数及心墙填筑上升高度进行对比分析（见表2)。

表2 2017年3月一11月大坝心墙
有效施工天数和心墙填筑上升高度
曰期
投标有效
施工天数/d
实际有效
施工天数/d
投标上升
高度/m
实际上升
高度/m 2017年3月30289.09.5
2017年4月28219.0 5.3
2017年5月2515 3.0 4.2
2017年6月1611 1.0 2.1
2017年7月1815 1.0 3.4
2017年8月2016 1.4 4.3
2017年9月1911.5 1.6 3.7
2017年10月282210.09.0
2017年11月3029.510.010.0合计21416946.051.5
从表2可以看出，实际有效施工天数比投标有效施工 天数少45 d,但现场实际心墙填筑上升高度却比投标上升 高度高出5.5 m。

这充分体现了实时气象预报（甘孜州气象 雷达实时气象云图）、快速检测和相应质量监控手段在雨 季心墙填筑过程中的应用是有效可行的。

7.3冬季心墙施工效率分析
2017年冬季施工采用机械覆盖、揭收保温被，覆盖 保温被单台收放机效率为4 483 m2/h,是2016年冬季的 2.9倍；揭收保温被单台收放机效率可达3 882 m2/h,是 2016年冬季的2倍。

采用自动收放设备现场，不仅节约 了大量人工（30人），而且有效地提高了现场施工效率 (见表3)。

表3 2016年和2017年收放保温被的施工效率
年份
覆盖保温
被天数/d
覆盖保温
被效率/⑴2 (1)
揭收保温
被效率/rr^-h1
备注
2016 年9415271908每曰每次揭盖膜
投入人工约30人2017 年83 4 483 3 882单机效率
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7.4大坝填筑整体质量分析
正常施工时段与雨后复工时段砾石土料相关试验检测结果相比较（如表4所示），除了部分雨后复工检测含水 率较大（含水率偏上线，但满足设计要求）以外，其余检 测结果均100%满足要求，均达到设计要求。

表4正常施工时段和雨后复工时段的砾石土料相关试验检测结果
层数
正常施工检测
取样曰期全料湿密度/g*cm3全料含水率全料干密度/g*cm3P5含量<20m m压实度120层4月20曰 2.398.3% 2.2041.2%104.0%
121层4月23曰 2.408.8% 2.2142.7%103.6%
133层5月13日 2.389.0% 2.1838.3%102.7%
143层6月9曰 2.408.8% 2.2039.7%102.5%
144层6月12日 2.368.9% 2.1740.2%102.1%
雨后复工时段复核检测
120层4月22曰 2.399.0% 2.2037.8%102.0%
121层4月24曰 2.439.0% 2.2340.8%103.6% 4月29曰 2.439.0% 2.2337.1%103.8%
133层5月15曰 2.368.8% 2.1737.2%101.8%
143层6月11日 2.378.9% 2.1839.2%101.3%
144层6月13曰 2.389.3% 2.1839.1%102.3%冬季施工期间经历了一系列恶劣天气，但是通过现墙土料的施工质量，各项试验检测结果均满足设计要求场的有序组织并采取相应措施，保证了冬季施工时段心（见表5)。

表5冬季施工时段心墙土料施工质量检测结果
含水率干密度/g_cm'3P5含量<20m m压实度<5m m压实度设计指标一—30%〜50%彡100%-
最大值9.2% 2.2745.1%106.4%105.1%
最小值7.8% 2.0738.3%100.9%100.5%
平均值8.4% 2.1941.5%103.2%102.1%
合格率100%-100%100%100%
注：除“<5m m压实度”检测项目的检测组数为45以外，其他项目的检测组数均为436
特点，引入适用于不同范围、不同深度的数字化作业及监 8@控系统，为实现智能大坝奠定了基础，为后续同类工程提
供了宝贵经验。

工程技术人员在建设我国最高在建砾石土心墙堆石
坝—两河口水电站过程中，总结和提炼出了大坝质量控 制新技术和新方法，不仅克服了两河口地域冬雨季气候环 境妨碍施工建设的困难，有效降低了复杂土料场不同料性 对防渗体施工质量的影响，而且解决了高原自然条件严重 降低施工效率的突出问题。

随着数字大坝系统应用技术的 不断拓展和创新，水电工程的数字大坝系统正在向智能大 坝系统转换。

与此同时，工程技术人员结合该工程的自身收稿日期：2019-07-31
作者简介：韩建东，任职于中国水利水电建设工程咨询西北有限公 司；武波，任职于中国水利水电建设工程咨询西北有限公司；李文 浩，任职于中国水利水电建设工程咨询西北有限公司。

通信地址：陕西省西安市长安区城南大道18号中国水利水电建设 工程咨询西北有限公司。

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