羅 熠

（長江科學(xué)院儀器自動(dòng)化研究所，430010，武漢）

灌漿記錄儀是在基礎(chǔ)處理工程的灌漿施工中，利用專業(yè)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)主機(jī)和電子傳感器，在現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測灌漿流量、壓力、漿液密度的一種專業(yè)計(jì)量儀器設(shè)備。由于灌漿記錄儀的監(jiān)測、記錄、打印工作自動(dòng)化完成，因此可以客觀真實(shí)地反映灌漿施工過程參數(shù)，有效幫助旁站監(jiān)理控制施工質(zhì)量。隨著該儀器在三峽工程基礎(chǔ)處理施工中的成功推廣使用，全國特大型、大型電站都在基礎(chǔ)處理灌漿施工中強(qiáng)制要求使用該儀器，現(xiàn)在這種趨勢正在向中小型電站發(fā)展，并逐步擴(kuò)展到其他行業(yè)的基礎(chǔ)處理施工中。

一、灌漿記錄儀發(fā)展概述

灌漿記錄儀的研發(fā)工作最早起于20世紀(jì)90年代初，由長江科學(xué)院儀器自動(dòng)化研究所和天津基礎(chǔ)施工局兩家單位分別獨(dú)立開展。之后經(jīng)歷了很多次設(shè)計(jì)修改。1992年在遼寧觀音閣水庫灌漿施工中，首次大規(guī)模使用了長江科學(xué)院研制的GJY—Ⅱ型灌漿記錄儀（37套），在此之后該儀器才基本定型。1995年水利部首次對GJY型灌漿記錄儀進(jìn)行了技術(shù)鑒定。至此，灌漿記錄儀的結(jié)構(gòu)形式、記錄格式和對灌漿流量、壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的工作模式才基本確立下來。

漿液密度的電子測量技術(shù)是由長江科學(xué)院儀器自動(dòng)化研究所研制開發(fā)的專利技術(shù)，迄今為止國內(nèi)灌漿記錄儀的灌漿測量大都采用類似的原理和技術(shù)。天津基礎(chǔ)施工局則立足于大規(guī)模灌漿施工的行業(yè)優(yōu)勢，開發(fā)出1臺(tái)主機(jī)同時(shí)監(jiān)測8孔灌漿參數(shù)的“一拖八”灌漿自動(dòng)記錄系統(tǒng)，在青海李家峽電站、河南小浪底電站投入應(yīng)用并取得成果。

近10年，隨著國家水電建設(shè)投入的加大，灌漿記錄儀無論從市場規(guī)模上還是技術(shù)上都取得了極大發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中積累了很多經(jīng)驗(yàn)，也顯現(xiàn)出一些問題。

二、灌漿記錄儀技術(shù)分類比較

目前，市場上的灌漿記錄儀機(jī)型樣式五花八門，技術(shù)性能和質(zhì)量參差不齊，有的廠家在核心技術(shù)不足的情況下，依賴營銷策略對產(chǎn)品的某些附加或延伸功能進(jìn)行炒作，誤導(dǎo)使用單位，一定程度上造成用戶選擇困難。為便于正確評價(jià)和選用灌漿記錄儀，下面從專業(yè)角度提供一些技術(shù)分析和比較，供有關(guān)部門和單位參考。

1.機(jī)型選擇

灌漿記錄儀發(fā)展到今天，逐漸分化為兩大類：一類是單機(jī)監(jiān)測單孔灌漿參數(shù)的灌漿記錄儀，俗稱 “一拖一”；另一類是單機(jī)監(jiān)測多孔灌漿參數(shù)的灌漿記錄儀，俗稱“一拖多”。其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1。

表1 不同機(jī)型優(yōu)缺點(diǎn)比較

近幾年，在這兩類灌漿記錄儀的框架之內(nèi)，各灌漿記錄儀廠家吸取其各自的優(yōu)點(diǎn)做了一些改良和創(chuàng)新。例如，長江科學(xué)院儀器所研制出的基于單片機(jī)平臺(tái)的新一代 “一拖二”機(jī)型——GJY6型灌漿記錄儀，在采用性能穩(wěn)定的單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，同時(shí)監(jiān)測兩個(gè)灌漿孔參數(shù)，降低了使用成本，在國內(nèi)電站大規(guī)模使用中取得不錯(cuò)效果。

2.整機(jī)制造

現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)銷售灌漿記錄儀的廠家很多，但從專業(yè)角度來講，大致只分為兩類：一是儀器研制生產(chǎn)廠，二是設(shè)備組裝生產(chǎn)廠。

儀器研制生產(chǎn)廠自己設(shè)計(jì)主機(jī)和傳感變送器的電路，根據(jù)工程施工需要，設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)和操作流程，通過生產(chǎn)線檢測技術(shù)進(jìn)行整機(jī)測試，將主機(jī)電路和采購的傳感器感應(yīng)部件性能匹配到最優(yōu)，使其精度達(dá)到最好。由于自己研發(fā)掌握核心技術(shù)，所以前期技術(shù)和資金投入很大，但儀器性能和維修成本可以控制，有利于廠家和用戶的長期共同發(fā)展。

設(shè)備組裝生產(chǎn)廠商則是購買計(jì)算機(jī)、信號采集器、流量傳感器、壓力傳感器、比重傳感器，經(jīng)過組裝和給計(jì)算機(jī)安裝灌漿記錄軟件成為灌漿記錄儀。這種儀器的前期開發(fā)成本很低，開發(fā)周期很短，售價(jià)具有很大優(yōu)勢，但部件匹配性、穩(wěn)定性和精度都是組裝生產(chǎn)商難以控制的。由于組裝廠不掌握硬件核心技術(shù)，維修很大程度依賴第三方廠家，維修周期長，費(fèi)用高，買賣雙方也容易產(chǎn)生糾紛。

3.主機(jī)硬件平臺(tái)

從專業(yè)技術(shù)角度來看，灌漿記錄儀主機(jī)硬件平臺(tái)有兩類，一是單片機(jī)平臺(tái)，二是計(jì)算機(jī)平臺(tái)。

單片機(jī)平臺(tái)的特點(diǎn)是硬件電路完全由灌漿記錄儀生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)制造，灌漿記錄程序固化在硬件芯片中，用戶無法人為改動(dòng)，硬件系統(tǒng)在惡劣施工環(huán)境下抗干擾能力強(qiáng)，這種系統(tǒng)常用于紡織、化工、汽車制造等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和航天等軍工領(lǐng)域，因此要求生產(chǎn)廠家具備很強(qiáng)的軟硬件研發(fā)實(shí)力。

計(jì)算機(jī)平臺(tái)的特點(diǎn)是界面友好，功能較多，比較適合在辦公室環(huán)境中做計(jì)算量大的控制和處理工作。灌漿記錄儀生產(chǎn)廠家買來計(jì)算機(jī)后可直接安裝灌漿監(jiān)測軟件，無需自己投入資金設(shè)計(jì)制造硬件。但是計(jì)算機(jī)平臺(tái)的硬件抗干擾能力較差，在灌漿現(xiàn)場環(huán)境下長期使用故障率較高。而由于硬件電路是第三方計(jì)算機(jī)制造廠家設(shè)計(jì)制造，主板電路是大工業(yè)流水線生產(chǎn)的多層電路，一旦損壞灌漿記錄儀生產(chǎn)廠家無法維修。

4.灌漿記錄儀監(jiān)控程序

灌漿記錄儀程序分為操作系統(tǒng)和灌漿監(jiān)控程序。一般而言，采用單片機(jī)硬件平臺(tái)的灌漿記錄儀，都是將操作系統(tǒng)和灌漿監(jiān)測程序進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，這種程序高度融合，程序間無縫連接，開機(jī)即一次性啟動(dòng)，穩(wěn)定性好，用戶很難修改，灌漿數(shù)據(jù)采集后實(shí)時(shí)保存到數(shù)據(jù)芯片，即使瞬間停電，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

采用計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的灌漿記錄儀，一般都使用微軟開發(fā)的WINDOWS操作系統(tǒng)，灌漿記錄儀廠家在此基礎(chǔ)上開發(fā)灌漿監(jiān)測程序，存在WINDOWS操作系統(tǒng)與二次開發(fā)軟件的兼容和穩(wěn)定性問題，熟悉計(jì)算機(jī)軟件的用戶還可以修改原始灌漿數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)寫入數(shù)據(jù)的原理和單片機(jī)不同，計(jì)算機(jī)在瞬時(shí)停電時(shí)易丟失未及時(shí)保存的灌漿數(shù)據(jù)。

5.資料整理軟件

目前灌漿資料整理并沒有統(tǒng)一要求，各工程要求的格式也不盡相同。但就軟件設(shè)計(jì)思路而言，不同廠家也不相同。一些灌漿記錄儀廠家采用在多種商業(yè)軟件之上二次開發(fā)的思路，如使用VB或C語言編寫采集程序，再導(dǎo)入ACCESS數(shù)據(jù)庫整理，最后鏈接到AUTOCAD繪圖，也有施工單位在EXCEL軟件上直接二次開發(fā)，這些集成式軟件除自身設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性外，還存在軟件之間兼容性問題。長江科學(xué)院灌漿記錄儀配套的灌漿資料處理軟件采用獨(dú)立開發(fā)的自主產(chǎn)權(quán)軟件,無需借助第三方軟件如CAD、EXCEL等就能完成灌漿規(guī)范所要求的所有圖表，避免了軟件之間調(diào)用產(chǎn)生的兼容性和穩(wěn)定性問題，同時(shí)沒有版權(quán)糾紛,不會(huì)給用戶使用帶來隱患。

6.灌漿管路連接和流量測量

灌漿流量的測量是通過流量計(jì)完成的，通過灌漿管路的不同連接方式形成了兩種流量檢測模式。一種是在進(jìn)漿管和回漿管各串接一個(gè)流量計(jì)，通過兩個(gè)流量計(jì)的計(jì)量差值確定灌漿量，該方式需要兩只流量計(jì)共同完成流量監(jiān)測，俗稱“大循環(huán)灌漿”。由于兩只流量計(jì)所處灌漿管路位置不同，流態(tài)也不同，流量計(jì)量波動(dòng)較大，同時(shí)測量結(jié)果受流量計(jì)精度局限。

另一種是在攪拌桶出口管路中依次串接流量計(jì)和回漿三通后再到灌漿泵，回漿管的回漿通過回漿三通再次進(jìn)入進(jìn)漿循環(huán)中，由于回漿管沒有回到攪拌桶，巧妙避免了攪拌桶串接流量計(jì)的重復(fù)計(jì)量問題，這種方式只需一只流量計(jì)就可完成流量監(jiān)測，俗稱“小循環(huán)灌漿”，是由長江科學(xué)院在老一輩灌漿專家參與指導(dǎo)下發(fā)明的專利技術(shù)。

應(yīng)該說，小循環(huán)灌漿計(jì)量檢測法的發(fā)明突破了大循環(huán)灌漿檢測的精度瓶頸，使得灌漿記錄儀的推廣成為可能。但小循環(huán)灌漿計(jì)量檢測法也有其局限性，即容易產(chǎn)生固結(jié)，堵塞管路。隨著灌漿記錄儀的大規(guī)模推廣使用，2001版灌漿規(guī)范規(guī)定的屏漿條件有所放寬，大循環(huán)灌漿也開始被采用，但屏漿條件和計(jì)量精度仍不能嚴(yán)格得到保證。

7.漿液密度測量技術(shù)

在灌漿施工中，目前漿液密度的測量主要有兩種方式。一種為漿液密度的電子測量技術(shù)，是由長江科學(xué)院儀器所發(fā)明的國家專利技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是率定簡單客觀，測量精度完全取決于廠家傳感器精度，操作和維護(hù)簡單，無需特別上崗要求，沒有安全隱患。另一種為傳統(tǒng)的放射線測量法，由于存在放射源，此類設(shè)備的使用、運(yùn)輸、保存都有嚴(yán)格要求，更多用于實(shí)驗(yàn)室和無人值守的場合。

8.電源凈化技術(shù)

不同灌漿記錄儀廠家的電源凈化技術(shù)不同，選配的穩(wěn)壓電源也不相同。出于成本考慮，大部分廠家在電源技術(shù)上沒有投入研發(fā)，而是直接采購市面上幾百元一臺(tái)的普通電子交流穩(wěn)壓器，這種產(chǎn)品價(jià)格低，適合城市家用，但其應(yīng)變時(shí)間長，穩(wěn)壓范圍窄，由于本身存在有源器件，電壓波動(dòng)較大時(shí)自身器件容易損壞，不適合工地電壓大幅波動(dòng)的情況。長江科學(xué)院自主研發(fā)的交流穩(wěn)壓電源采用鐵磁等效參數(shù)振蕩原理實(shí)現(xiàn)交流穩(wěn)壓輸出，內(nèi)部沒有有源器件，雙向抗干擾能力和過載能力強(qiáng)，開機(jī)即可工作，可將120～300V之間大幅波動(dòng)的交流電壓穩(wěn)定到220V左右輸出。當(dāng)外部負(fù)載短路時(shí)，穩(wěn)壓電源自動(dòng)保護(hù)，輸出降為0，可視為半永久性設(shè)備。

9.儀器設(shè)備出廠檢定技術(shù)

灌漿記錄儀屬于計(jì)量類儀器，生產(chǎn)廠家必須擁有技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的計(jì)量器具生產(chǎn)許可證，具備自己的流量、壓力、漿液密度檢定裝置和完整的校測規(guī)程，所有部件和系統(tǒng)統(tǒng)一由專業(yè)工程師校測后出廠。但目前許多灌漿記錄儀廠家自己并無檢測方法和過程，部分廠家在拿到灌漿記錄儀訂單后，直接通知計(jì)算機(jī)和流量計(jì)等傳感器生產(chǎn)廠商發(fā)貨到用戶所在工地，其質(zhì)量和精度完全取決于各第三方廠商。長江科學(xué)院有一個(gè)專業(yè)化的具有一定資質(zhì)的灌漿記錄儀檢測實(shí)驗(yàn)室，其檢測方法和規(guī)程按照由長科院主編的灌漿記錄儀校驗(yàn)方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，確保灌漿記錄儀各記錄參數(shù)和系統(tǒng)的精度與可靠性。

三、灌漿記錄儀發(fā)展趨勢

如前所述，灌漿記錄儀在發(fā)展歷程中出現(xiàn)了單機(jī)監(jiān)測單孔和單機(jī)監(jiān)測多孔兩類產(chǎn)品，發(fā)展到單機(jī)監(jiān)測多孔（指8孔以上）后就沒有繼續(xù)發(fā)展，原因大致有以下幾點(diǎn)：

①計(jì)算機(jī)處理多通道數(shù)據(jù)的影響：當(dāng)同時(shí)監(jiān)測的灌漿孔過多時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，容易造成偶發(fā)的死機(jī)，而一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，將影響監(jiān)測的所有灌漿孔施工進(jìn)度。

②受電纜布線的影響：每增加一個(gè)灌漿孔的監(jiān)測，會(huì)增長、增多信號傳送電纜，當(dāng)監(jiān)測多孔時(shí)，其信號電纜接在主機(jī)上，接插點(diǎn)將多達(dá)上百個(gè)，由于施工現(xiàn)場條件惡劣，系統(tǒng)故障點(diǎn)大大增加，即使采用信號總線傳輸方式，灌漿施工現(xiàn)場人員也不便控制灌漿壓力、流量等參數(shù)。

③受現(xiàn)場調(diào)度的影響：由于灌漿記錄儀主機(jī)只是實(shí)時(shí)顯示測量，并未實(shí)時(shí)反饋控制，其多孔灌漿壓力、流量等參數(shù)的變化只能由主機(jī)操作員逐個(gè)調(diào)屏查閱，與施工現(xiàn)場人員通信較難，不易即時(shí)監(jiān)控灌漿施工。

④受施工布置的影響：在大壩施工時(shí)，灌漿記錄儀主機(jī)和被監(jiān)測的多孔可大致成星形分布，每孔和主機(jī)之間電纜長度最優(yōu)化，但在廊道帷幕施工時(shí)，灌漿孔呈串行分布，即便主機(jī)安置于多孔中點(diǎn)，最遠(yuǎn)端到主機(jī)的電纜也會(huì)長達(dá)幾百米到上千米，而且只要多孔中一個(gè)沒灌完，主機(jī)就移動(dòng)不便。

因此，近10年，灌漿記錄儀出現(xiàn)過“一拖二”“一拖八”等變種，但一直沒有質(zhì)的突破。

直到近幾年，灌漿記錄儀的發(fā)展才出現(xiàn)新思路，即通過租用商用通信網(wǎng)絡(luò)，例如移動(dòng)或聯(lián)通無線網(wǎng)絡(luò)，將一個(gè)施工區(qū)域的傳感器或灌漿記錄儀聯(lián)機(jī)，采集的灌漿數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到設(shè)置好的后臺(tái)中央處理計(jì)算機(jī)，便于業(yè)主、監(jiān)理等監(jiān)管方掌握全面情況。

這種模式打破了電纜的束縛，但其技術(shù)瓶頸在于實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳送必須依賴第三方網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在許多灌漿施工現(xiàn)場尤其是灌漿施工廊道中，沒有第三方提供的無線信號平臺(tái)時(shí)，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)則無法實(shí)時(shí)傳送出去。

針對這種問題，長江科學(xué)院儀器所在2008年開發(fā)出一套基于自建無線網(wǎng)絡(luò)的灌漿數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是在沒有第三方提供無線信號平臺(tái)的地方，可利用自建無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廊道、野外施工現(xiàn)場的灌漿數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、匯總，而在有第三方提供無線信號的地方，再將數(shù)據(jù)通過商業(yè)通信平臺(tái)直接上傳到互聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)計(jì)了專門的灌漿數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)網(wǎng)頁，同一工程的灌漿數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)匯總到專用服務(wù)器，業(yè)主方在任何能上網(wǎng)的地方輸入密碼即可查詢、下載灌漿統(tǒng)計(jì)結(jié)果和根據(jù)數(shù)據(jù)生成的圖表。目前，該系統(tǒng)已成功運(yùn)行在國內(nèi)大型水電站的灌漿施工監(jiān)測中。

四、灌漿記錄儀行業(yè)存在的問題和解決思路

從2000年開始，全國范圍內(nèi)的持續(xù)性“電荒”刺激了發(fā)電項(xiàng)目紛紛上馬，投入水電建設(shè)的施工單位越來越多，為搶到任務(wù)，投標(biāo)單價(jià)越來越低。而一些施工單位對灌漿記錄儀產(chǎn)品的要求也由性能質(zhì)量穩(wěn)定變成能靈活操作，甚至弄虛作假。

另一方面，隨著我國水電建設(shè)規(guī)模的急劇擴(kuò)大，灌漿記錄儀也從20世紀(jì)90年代的小規(guī)模推廣使用逐漸形成每年幾千萬元的市場規(guī)模。灌漿記錄儀行業(yè)門檻的空白正吸引著更多的生產(chǎn)廠家涌入。追求利潤的本性也引導(dǎo)著某些灌漿記錄儀廠家畸形發(fā)展，低價(jià)競爭和人為干預(yù)測量記錄因素正在嚴(yán)重破壞著這個(gè)歷經(jīng)10年才形成的行業(yè)。

因此，盡快建立一整套灌漿記錄儀生產(chǎn)、使用和校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，是規(guī)范、引導(dǎo)灌漿記錄儀行業(yè)，保障施工質(zhì)量，維護(hù)業(yè)主、施工單位和灌漿記錄儀廠家利益的一項(xiàng)迫切任務(wù)。

令人欣喜的是，2008年天津基礎(chǔ)施工局和長江科學(xué)院聯(lián)合編寫的灌漿記錄儀導(dǎo)則已經(jīng)通過電力行業(yè)專家鑒定，近期已經(jīng)國家能源部發(fā)布，這是灌漿記錄儀行業(yè)的首部指導(dǎo)性規(guī)范，填補(bǔ)了灌漿記錄儀行業(yè)規(guī)范的空白，將對灌漿記錄儀行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。同時(shí)，長江科學(xué)院主持編寫的灌漿自動(dòng)儀檢定規(guī)程正在通過水利部的審核，它將成為灌漿記錄儀行業(yè)第一部可操作的校驗(yàn)規(guī)范，可為各水電站業(yè)主、監(jiān)理管理和校驗(yàn)灌漿記錄儀提供指導(dǎo)。