王超，徐力生，徐蒙，姚翠霞，楊宏

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測教育部重點實驗室，湖南 長沙，410083)

隨著修建大壩高度的不斷升級和跨越發(fā)展，如何有效控制和提高灌漿質(zhì)量，增強大壩穩(wěn)定性和安全性，尤其當(dāng)壩基巖體的防滲性能很差時，提高防滲帷幕的抗?jié)B透能力及耐久性成為當(dāng)下工程界亟待解決的關(guān)鍵問題之一[1?3]。灌漿施工質(zhì)量和灌漿效果難以直觀地檢查，需要借助于對灌漿技術(shù)參數(shù)的檢測和分析來評定[4?5]。當(dāng)前國內(nèi)外工程界已經(jīng)大規(guī)模開始使用灌漿自動記錄儀對灌漿壓力、流量、漿液密度和地層抬動值這4個關(guān)鍵灌漿技術(shù)參數(shù)進行動態(tài)檢測，但檢測精度和穩(wěn)定性無法保證；同時，由于自動記錄儀僅是單一檢測設(shè)備，而非智能化控制系統(tǒng)，其無法將檢測結(jié)果進行反饋分析并自動控制。在當(dāng)前灌漿施工中，灌漿壓力仍采用人工控制，不僅控制精度低、操作反應(yīng)時間長，而且嚴重依賴操作人員的工作經(jīng)驗和技能水平，這是灌漿工程安全事故頻發(fā)的主要原因之一[6]?；诠酀{施工現(xiàn)狀，為了實現(xiàn)關(guān)鍵灌漿參數(shù)的高精度、動態(tài)檢測和灌漿壓力的反饋自動控制，進而實施智能化灌漿，本文作者結(jié)合傳感器技術(shù)、微機技術(shù)和自動控制技術(shù)，將軟件和硬件設(shè)計相結(jié)合研制了自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)，并在糥扎渡水電站帷幕灌漿試驗中對該系統(tǒng)進行應(yīng)用驗證。

1 自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計與組成

自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)由系統(tǒng)主機、傳感器設(shè)備、可編程邏輯控制器(PLC)、伺服電機、驅(qū)動器、減速機、調(diào)節(jié)閥門組和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器等設(shè)備組合而成，系統(tǒng)元件和執(zhí)行機構(gòu)基于實際灌漿工況按照預(yù)設(shè)程序運行，動態(tài)檢測關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并反饋控制灌漿壓力。系統(tǒng)基本組成和管網(wǎng)布設(shè)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括以下3個功能模塊。

(1) 檢測模塊。主要由傳感器組成，包括壓力傳感器、電磁流量計、自循環(huán)差壓密度計和抬動傳感器，分別用于檢測壓力、流量、密度和地層抬動值這4個關(guān)鍵灌漿參數(shù)。

(2) 反饋控制模塊。主要由S7?400型PLC、三相永磁交流伺服電機(功率為0.75 kW，額定轉(zhuǎn)矩為2.39 N·m)、高解析開放型伺服驅(qū)動器、蝸桿減速機(速比為5，中心距為35 mm，舉升力為1×104N，輸入功率為0.3 kW，調(diào)整壓力范圍為0～38.5 MPa)和手動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥等組成。

(3) 分析計算模塊。它包括：

1) 系統(tǒng)主機。主要由80C196單片機系統(tǒng)、輸入通道(接口電路和鍵盤)、輸出通道(顯示器、打印機和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器)等組成，主機采用大屏幕微機系統(tǒng)將傳感器信號采集、分析、數(shù)據(jù)處理，并顯示實時曲線，控制打印機打印檢測數(shù)據(jù)與實時曲線。

2) 輸入通道。傳感器分別將壓力、流量、漿液密度和地層抬動值轉(zhuǎn)換成電信號。壓力、流量和漿液密度信號為模擬量，通過接口輸入單片機的A/D口[7]。地層抬動信號轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號，通過接口輸入單片機的計數(shù)器進行計算。鍵盤經(jīng)8155并行接口芯片的I/O口將功能選擇和參數(shù)設(shè)置的內(nèi)容、打印數(shù)據(jù)格式及相關(guān)的打印命令等輸入單片機[8]。

圖1 自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)基本組成和管網(wǎng)布設(shè)Fig.1 Equipment composition and pipeline design of adaptive grouting detection and control system

3) 輸出通道。壓力、流量、漿液密度和地層抬動信號輸入單片機經(jīng)過處理后，所得數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)定的條件和格式分別輸出到液晶顯示屏、打印機和數(shù)據(jù)存儲器。當(dāng)壓力不足或壓力過大時，輸出數(shù)據(jù)給PLC，開始自動控制，穩(wěn)定壓力波動和減小地層抬動值，并聲光報警。

1.2 檢測與反饋控制

1.2.1 檢測設(shè)備和原理

(1) 壓力檢測。采用KELLER壓阻式壓力傳感器，根據(jù)單晶硅壓阻效應(yīng)對壓力進行檢測[9]，測量范圍為0～10 MPa，理論檢測精度為0.2%。

(2) 流量檢測。采用光華K300電磁流量計，測量范圍為0～100 L/min。當(dāng)以水為測量介質(zhì)時，測量誤差小于0.1%。由于灌漿液是電解性液體，其流過電磁流量計管道時，將切割磁力線，于是，在磁場及流動方向的垂直方向上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其值與漿液的流速成正比[10]，故漿液體積流量可用下式得出：

式中：B為磁感應(yīng)強度，T；E為感應(yīng)電勢，V；D為切割磁力線的導(dǎo)管液體長度即測量管內(nèi)徑，m。

[5][德]卡爾·拉倫茨：《德國民法通論（上冊）》，王曉曄、邵東建、程建英、徐國建、謝懷栻譯，北京：法律出版社，2013年，第312頁。

(3) 密度檢測?；诓顗悍ㄔO(shè)計了自循環(huán)差壓密度計，測量范圍為1～5 g/cm3。灌漿時，漿液沿垂直的導(dǎo)管流動，導(dǎo)管上安裝2個相距為h的壓力傳感器，測得的2個液柱壓力分別為P1和P2，則漿液密度可根據(jù)靜壓液位測量原理計算得出[11]：

式中：P1和P2分別為2個壓力傳感器測得的液柱靜壓力，N；ρ為液體密度，kg/m3；g為測量點的重力加速度，N/kg；H1和H2分別為2個壓力傳感器距液面的高度，m。

據(jù)式(2)所得測量精度容易受到灌漿管道跳變壓力和流量變化的影響[12?14]，因此，在系統(tǒng)設(shè)計中，將密度計從灌漿主管道中脫離出來，加入特制的電機和泵，與漿桶形成獨立于灌漿管道外的自循環(huán)測量系統(tǒng)，這樣可保證密度及測量環(huán)境的相對穩(wěn)定，成功實現(xiàn)靜態(tài)液位測量向穩(wěn)定動態(tài)液位測量的轉(zhuǎn)換。自循環(huán)差壓密度計主要由測量系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和連通系統(tǒng)3部分構(gòu)成，如圖2所示。圖2中：箭頭表示漿液的循環(huán)流動線路；測量系統(tǒng)主要由測量管和壓力傳感器組成；動力系統(tǒng)由電動機和泥漿泵組成；連通系統(tǒng)主要由異形三通、回漿管和分流閥組成。

圖2 自循環(huán)差壓密度計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of self-circulation differential-pressure densimeter

(4) 地層抬動值檢測。抬動傳感器基于鑒相型直線式容柵傳感器設(shè)計，主要包括定柵和動?xùn)?部分，均由有規(guī)律排列的金屬銅片組成。定柵在測量過程中位置固定不變，動?xùn)烹S被測物體同步直線運動[15]。當(dāng)真空中的介電常數(shù)、介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)和2塊極板之間的距離為定值時，動?xùn)畔鄬Χ盼灰茖⑴c電容有定值比例關(guān)系，見式(3)。通過動?xùn)拧⒍砰g電容C的變化，就可實現(xiàn)位移x的精確測量。

式中：C為發(fā)射極電容，F(xiàn)；0ε為真空中的介電常數(shù)，F(xiàn)/mm；γε為介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)，F(xiàn)/mm；x為動?xùn)畔鄬Χ盼灰?，mm；b為極板厚度，mm；d為兩極板之間的距離，mm。

1.2.2 灌漿壓力反饋控制分析

灌漿壓力易受被灌地層巖性、巖體裂隙幾何特征及滲透性、漿液性能和水文地質(zhì)條件等因素的影響而發(fā)生大范圍波動[16]，而壓力的波動將直接影響地層抬動值、流量和漿液密度的變化，因此，實現(xiàn)壓力自動控制是自適應(yīng)灌漿的關(guān)鍵。如圖1所示，為檢測灌漿孔的孔底壓力，將壓力傳感器安裝在返漿管路上，電動閥的進口端。在灌漿過程中，壓力傳感器將灌漿壓力轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流發(fā)送至數(shù)據(jù)采集控制卡，經(jīng)過A/V轉(zhuǎn)換后，控制卡將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號由PLC程序處理。PLC將動態(tài)檢測的壓力值與預(yù)先設(shè)定的灌漿壓力進行對比，出現(xiàn)壓力不足和超限的情況時根據(jù)設(shè)計程序，計算出壓力控制的調(diào)整量電信號并產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖或模擬信號給伺服電機驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)接收的信號驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而帶動壓力控制閥閥桿上下移動改變電動閥的開度，主動加壓和卸荷，并循環(huán)執(zhí)行，從而達到穩(wěn)定灌漿孔內(nèi)壓力的目的[17]。

1.3 傳感器與系統(tǒng)主機的接口

系統(tǒng)的模擬傳感器信號均為 4～20 mA的直流電流信號，以提高遠距離傳輸?shù)男盘柨垢蓴_能力。由于系統(tǒng)主機內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，模擬信號可直接通過接口與主機相連。其接口由隔離器、I/V轉(zhuǎn)換器、低通濾波器、保護電路和基準電壓等組成，如圖3所示。模擬傳感器輸出的4～20 mA電流信號通過隔離器輸入接口電路，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成1～5 V的直流電壓，再經(jīng)低通濾波器去掉干擾信號后，輸往主機的A/D口。

圖3 模擬信號接口電路原理框圖Fig.3 Principle of analog signal interface circuit

脈沖傳感器輸出高頻脈沖信號，通過獨立接口輸入系統(tǒng)主機的計數(shù)器對脈沖進行計數(shù)[18]，硬件原理如圖4所示。高頻脈沖信號通過相敏整流轉(zhuǎn)變成規(guī)則的負尖脈沖信號，經(jīng)光電隔離器耦合后，再經(jīng)微分電路和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器變成單片機能接收的矩形波。

圖4 脈沖信號接口電路原理框圖Fig.4 Principle of the pulse signal interface circuit

1.4 軟件設(shè)計

圖5 主程序灌漿檢測和控制流程圖Fig.5 Grouting detection and control flow chart of main program

(1) 動態(tài)檢測模塊。動態(tài)顯示壓力、流量、密度和地層抬動值的瞬時值，并后臺自動記錄和存儲灌漿參數(shù)的動態(tài)檢測結(jié)果。

(2) 數(shù)據(jù)處理模塊。根據(jù)工況計算所需要的壓力、流量、漿液密度和灌漿累計量等。

(3) 自動控制模塊。壓力超限、不足或大范圍波動時自動聲光報警，根據(jù)需要計算壓力調(diào)整量并自動控制，穩(wěn)定壓力、減小地層抬動值，直至灌漿工況恢復(fù)正常。

(4) 壓水試驗?zāi)K。采用3級壓力5點法進行灌漿前的壓水試驗或檢查孔的壓水試驗并根據(jù)需要生成試驗曲線圖。

(5) 通訊模塊。實現(xiàn)主機與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器的串行通訊(RS-232C)功能。

(6) 灌漿數(shù)據(jù)打印模塊。從存儲器中調(diào)出保存的數(shù)據(jù)，根據(jù)DL/T 5148—2012(《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》)[19]自動生成灌漿圖表，根據(jù)需要打印曲線與表格。

2 帷幕灌漿試驗

2.1 系統(tǒng)檢測與控制性能分析

云南糥扎渡水電站帷幕灌漿試驗選用本系統(tǒng)進行灌漿質(zhì)量檢測和控制。糥扎渡水電站采用黏土心墻堆石壩設(shè)計，最大壩高達261.5 m，通過基礎(chǔ)灌漿加強其壩基防滲帷幕的抗?jié)B透能力及耐久性很重要。帷幕灌漿選定2個試驗區(qū)，位于右岸距壩軸線上游60～100 m、高程695 m的平臺上，基本涵蓋了糥扎渡水電站主要巖層和地質(zhì)構(gòu)造，具有較強的代表性。試驗設(shè)有單排帷幕和雙排帷幕2種形式。雙排孔排距1.5 m，孔距2.0 m，按3個次序施工。單排孔距2.0 m，按3個次序施工，帷幕孔深入基巖70 m，采用小口徑鉆孔、孔口封閉、無栓塞、自上而下分段灌漿法施工。水泥漿液采用水灰比2:1，1:1和0.5:1。灌漿壓力如表1所示。2.1.1 動態(tài)檢測結(jié)果分析

灌漿廊道內(nèi)高灰塵、潮濕且磁電干擾強，施工條件惡劣，設(shè)備能否正常、穩(wěn)定工作將經(jīng)受巨大考驗。表2所示為自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)在試驗中的一組動態(tài)檢測結(jié)果。分析表2可知：在60 min的灌漿過程中，壓力在 1.0～4.0 MPa內(nèi)變化，檢測相對誤差均小于2.5%；流量在0～40 L/min內(nèi)變化，檢測相對誤差均小于0.8%；漿液密度在1.100～1.400 g/cm3內(nèi)變化，檢測相對誤差均小于 0.5%；地層抬動值變化范圍為0.005～0.120 mm，未出現(xiàn)抬動值超限的情況，檢測相對誤差均小于4.5%。4個參數(shù)的檢測精度都較高、穩(wěn)定性較好，滿足現(xiàn)場灌漿施工的檢測精度要求。

表1 各灌漿分段壓力取值Table 1 Design of grouting pressure for different grouting segments

表2 帷幕灌漿試驗動態(tài)檢測結(jié)果Table 2 Dynamic detection results of curtain grouting experiment

將表2中的實測值進行三次多項式回歸分析，可得到壓力與流量、密度以及地層抬動值的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6(a)可知：隨著灌漿壓力的增大，流量和地層抬動值呈非線性增加，變化趨勢較明顯。由于采用了自循環(huán)差壓密度計，密度測量獨立于灌漿主管道之外，有效避免了管道跳變壓力和流量波動引起的測量誤差，而且漿液配比是根據(jù)實測密度進行人工反饋控制。結(jié)合圖6(b)可知：壓力波動對密度檢測的影響較小，密度變化相對穩(wěn)定。

2.1.2 反饋控制結(jié)果分析

實現(xiàn)壓力的反饋控制是系統(tǒng)設(shè)計的主要目的。在系統(tǒng)控制下，設(shè)定2.0 MPa壓力灌漿時灌漿壓力的階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖7可知：系統(tǒng)自動控制后，壓力從初始的0開始快速上升到設(shè)定值左右，經(jīng)過 5 s左右的小幅波動后，趨于平衡，穩(wěn)定停留在2.0 MPa的設(shè)定壓力值上。這說明系統(tǒng)反饋控制壓力的調(diào)節(jié)時間很短，超調(diào)量較小，控制精度較高，穩(wěn)定性較好。

圖6 灌漿壓力與流量、地層抬動值、密度的關(guān)系及三次多項式擬合結(jié)果Fig.6 Relationships between grouting pressure and flow,ground lifting values, density respectively and their fitting results by cubic polynomial

圖7 系統(tǒng)控制下2.0 MPa灌漿壓力階躍響應(yīng)曲線Fig.7 Step response of 2.0 MPa pressure under system control

圖8 灌漿壓力設(shè)定為1.0 MPa時壓力波動情況Fig.8 Changes of pressure fluctuations under grouting pressure of 1.0 MPa

設(shè)定1.0 MPa壓力灌漿時，灌漿孔內(nèi)壓力的反饋控制情況如圖8所示。分析圖8可知：由于灌漿管路內(nèi)的復(fù)雜擾動使灌漿孔內(nèi)的實際壓力發(fā)生大范圍波動，壓力波動幅值為?0.25～0.21 MPa，波動幅度達設(shè)定值的25%，孔內(nèi)壓力極不穩(wěn)定。自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值1.0 MPa計算輸出量，并開始自動控制，在 6 s控制響應(yīng)后，壓力的波動被控制在?0.05～0.05 MPa的范圍內(nèi)(壓力設(shè)定值的5%)，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖 9所示為不同灌漿孔段的自適應(yīng)灌漿控制結(jié)果。分析圖9可知：在帷幕灌漿過程中，所有孔段的灌漿壓力設(shè)定在0～5 MPa范圍內(nèi)；隨著灌漿壓力的逐漸升高，壓力波動幅度逐漸增大；在自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)的控制下，壓力波動的最大值在?0.25～0.25 MPa之內(nèi)，即壓力波動被控制在設(shè)定值的 5%以內(nèi)，控制相對誤差不超過5%，控制響應(yīng)時間基本穩(wěn)定在5～6 s，系統(tǒng)的控制精度達到了設(shè)計要求，遠遠優(yōu)于人工控制模式的最佳指標(操作反應(yīng)時間為30～60 s，控制精度為壓力設(shè)定值的 15%～20%)，滿足帷幕灌漿的壓力控制要求。

圖9 自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)控制性能Fig.9 Control performance of adaptive grouting detection and control system

2.2 灌漿效果評價

帷幕防滲等級越高，其耐久性能越好，因此，保證灌漿達到較好的防滲效果是確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵。帷幕灌漿試驗結(jié)果見表3。分析表3可知：隨著灌漿孔序號的增加，基巖透水率、灌漿單耗均明顯遞減，小漏量孔段比例提高，大漏量的孔段比例大幅度減小，這表明灌漿形成的幕體結(jié)石致密，強度高，基巖透水率達到設(shè)計防滲要求。

試驗布置了5個壓水檢查孔，采用自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)根據(jù)自上而下分段卡塞進行“五點法”壓水試驗，結(jié)果見表4。從表4可見：所有帷幕區(qū)基巖段的壓水試驗透水率均小于1 Lu，合格率為100%，平均防滲效果提高10～60倍。抽芯檢查結(jié)果也表明巖石采取率高，巖石完整，巖體裂隙均已被明顯充填，灌漿效果顯著。在灌漿試驗中運用自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)，不僅提高灌漿質(zhì)量、節(jié)約人力物力，而且有效避免了壓力大范圍波動導(dǎo)致的工程安全問題。

表3 帷幕灌漿試驗結(jié)果分序統(tǒng)計Table 3 Sequence statistics of curtain grouting test results

表4 試驗1區(qū)WJ-1-2檢查孔壓水試驗結(jié)果Table 4 Water pressure test results of NO.WJ-1-2 inspection hole

3 結(jié)論

(1) 密度檢測采用自循環(huán)差壓密度計可以有效避免漿桶液位波動的影響，消除了灌漿管道跳變壓力和流量變化所造成的測量誤差，測量精確度較高，穩(wěn)定性良好。

(2) 系統(tǒng)反饋控制模塊對灌漿壓力的變化有較強的自適應(yīng)能力，PLC、伺服電機、驅(qū)動器和電動調(diào)節(jié)閥的組合能夠主動加壓和卸荷，有效控制了灌漿壓力的波動。

(3) 在帷幕灌漿試驗中，自適應(yīng)灌漿測控系統(tǒng)對壓力、流量、密度和地層抬動值的檢測相對誤差分別為2.5%，0.8%，0.5%和4.5%，在5～6 s響應(yīng)時間內(nèi)可將壓力波動自動控制在設(shè)定值的 5%以內(nèi)，其檢測和控制精度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，滿足現(xiàn)場施工的需要，可推廣運用于其他帷幕與固結(jié)灌漿工程。

(4) 加強漿液配比自動控制的研究，以自適應(yīng)控制徹底取代人工調(diào)節(jié)；同時，根據(jù)不同的灌漿工況建立計算機系統(tǒng)專家?guī)?，因地制宜實施灌漿方案，這樣才能實現(xiàn)智能化、全自動化的自適應(yīng)灌漿施工。

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