關鍵參數自適應灌漿測控系統的研制與應用

王超，徐力生，徐蒙，姚翠霞，楊宏

(中南大學 地球科學與信息物理學院，有色金屬成礦預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展，如何有效控制和提高灌漿質量，增強大壩穩定性和安全性，尤其當壩基巖體的防滲性能很差時，提高防滲帷幕的抗滲透能力及耐久性成為當下工程界亟待解決的關鍵問題之一[1?3]。灌漿施工質量和灌漿效果難以直觀地檢查，需要借助于對灌漿技術參數的檢測和分析來評定[4?5]。當前國內外工程界已經大規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個關鍵灌漿技術參數進行動態檢測，但檢測精度和穩定性無法保證；同時，由于自動記錄儀僅是單一檢測設備，而非智能化控制系統，其無法將檢測結果進行反饋分析并自動控制。在當前灌漿施工中，灌漿壓力仍采用人工控制，不僅控制精度低、操作反應時間長，而且嚴重依賴操作人員的工作經驗和技能水平，這是灌漿工程安全事故頻發的主要原因之一[6]。基于灌漿施工現狀，為了實現關鍵灌漿參數的高精度、動態檢測和灌漿壓力的反饋自動控制，進而實施智能化灌漿，本文作者結合傳感器技術、微機技術和自動控制技術，將軟件和硬件設計相結合研制了自適應灌漿測控系統，并在糥扎渡水電站帷幕灌漿試驗中對該系統進行應用驗證。

1 自適應灌漿測控系統設計

1.1 系統設計與組成

自適應灌漿測控系統由系統主機、傳感器設備、可編程邏輯控制器(PLC)、伺服電機、驅動器、減速機、調節閥門組和數據轉存器等設備組合而成，系統元件和執行機構基于實際灌漿工況按照預設程序運行，動態檢測關鍵技術參數，并反饋控制灌漿壓力。系統基本組成和管網布設如圖1所示。系統主要包括以下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個關鍵灌漿參數。

(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，額定轉矩為2.39 N·m)、高解析開放型伺服驅動器、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，調整壓力范圍為0～38.5 MPa)和手動調節閥、電動調節閥等組成。

(3) 分析計算模塊。它包括：

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

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]。地層抬動信號轉換成脈沖數字信號，通過接口輸入單片機的計數器進行計算。鍵盤經8155并行接口芯片的I/O口將功能選擇和參數設置的內容、打印數據格式及相關的打印命令等輸入單片機[8]。

圖1 自適應灌漿測控系統基本組成和管網布設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過處理后，所得數據根據設定的條件和格式分別輸出到液晶顯示屏、打印機和數據存儲器。當壓力不足或壓力過大時，輸出數據給PLC，開始自動控制，穩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 檢測設備和原理

(1) 壓力檢測。采用KELLER壓阻式壓力傳感器，根據單晶硅壓阻效應對壓力進行檢測[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。當以水為測量介質時，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生感應電勢，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為磁感應強度，T；E為感應電勢，V；D為切割磁力線的導管液體長度即測量管內徑，m。

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(3) 密度檢測。基于差壓法設計了自循環差壓密度計，測量范圍為1～5 g/cm3。灌漿時，漿液沿垂直的導管流動，導管上安裝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，在系統設計中，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測量系統，這樣可保證密度及測量環境的相對穩定，成功實現靜態液位測量向穩定動態液位測量的轉換。自循環差壓密度計主要由測量系統、動力系統和連通系統3部分構成，如圖2所示。圖2中：箭頭表示漿液的循環流動線路；測量系統主要由測量管和壓力傳感器組成；動力系統由電動機和泥漿泵組成；連通系統主要由異形三通、回漿管和分流閥組成。

圖2 自循環差壓密度計結構示意圖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計，主要包括定柵和動柵2部分，均由有規律排列的金屬銅片組成。定柵在測量過程中位置固定不變，動柵隨被測物體同步直線運動[15]。當真空中的介電常數、介質材料的相對介電常數和2塊極板之間的距離為定值時，動柵相對定柵位移將與電容有定值比例關系，見式(3)。通過動柵、定柵間電容C的變化，就可實現位移x的精確測量。

式中：C為發射極電容，F；0ε為真空中的介電常數，F/mm；γε為介質材料的相對介電常數，F/mm；x為動柵相對定柵位移，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條件等因素的影響而發生大范圍波動[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，實現壓力自動控制是自適應灌漿的關鍵。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換成4～20 mA的電流發送至數據采集控制卡，經過A/V轉換后，控制卡將模擬信號轉換成數字信號由PLC程序處理。PLC將動態檢測的壓力值與預先設定的灌漿壓力進行對比，出現壓力不足和超限的情況時根據設計程序，計算出壓力控制的調整量電信號并產生相應的脈沖或模擬信號給伺服電機驅動器，驅動器根據接收的信號驅動伺服電機正轉或反轉，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，并循環執行，從而達到穩定灌漿孔內壓力的目的[17]。

1.3 傳感器與系統主機的接口

系統的模擬傳感器信號均為 4～20 mA的直流電流信號，以提高遠距離傳輸的信號抗干擾能力。由于系統主機內部集成了A/D轉換電路，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I/V轉換器轉換成1～5 V的直流電壓，再經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主機的計數器對脈沖進行計數[18]，硬件原理如圖4所示。高頻脈沖信號通過相敏整流轉變成規則的負尖脈沖信號，經光電隔離器耦合后，再經微分電路和單穩態觸發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) 動態檢測模塊。動態顯示壓力、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的動態檢測結果。

(2) 數據處理模塊。根據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，根據需要計算壓力調整量并自動控制，穩定壓力、減小地層抬動值，直至灌漿工況恢復正常。

(4) 壓水試驗模塊。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需要生成試驗曲線圖。

(5) 通訊模塊。實現主機與數據轉存器的串行通訊(RS-232C)功能。

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

2 帷幕灌漿試驗

2.1 系統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進行灌漿質量檢測和控制。糥扎渡水電站采用黏土心墻堆石壩設計，最大壩高達261.5 m，通過基礎灌漿加強其壩基防滲帷幕的抗滲透能力及耐久性很重要。帷幕灌漿選定2個試驗區，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構造，具有較強的代表性。試驗設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 動態檢測結果分析

灌漿廊道內高灰塵、潮濕且磁電干擾強，施工條件惡劣，設備能否正常、穩定工作將經受巨大考驗。表2所示為自適應灌漿測控系統在試驗中的一組動態檢測結果。分析表2可知：在60 min的灌漿過程中，壓力在 1.0～4.0 MPa內變化，檢測相對誤差均小于2.5%；流量在0～40 L/min內變化，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，未出現抬動值超限的情況，檢測相對誤差均小于4.5%。4個參數的檢測精度都較高、穩定性較好，滿足現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 帷幕灌漿試驗動態檢測結果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實測密度進行人工反饋控制。結合圖6(b)可知：壓力波動對密度檢測的影響較小，密度變化相對穩定。

2.1.2 反饋控制結果分析

實現壓力的反饋控制是系統設計的主要目的。在系統控制下，設定2.0 MPa壓力灌漿時灌漿壓力的階躍響應曲線如圖7所示。由圖7可知：系統自動控制后，壓力從初始的0開始快速上升到設定值左右，經過 5 s左右的小幅波動后，趨于平衡，穩定停留在2.0 MPa的設定壓力值上。這說明系統反饋控制壓力的調節時間很短，超調量較小，控制精度較高，穩定性較好。

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

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

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

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

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

圖9 自適應灌漿測控系統控制性能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量的關鍵。帷幕灌漿試驗結果見表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石致密，強度高，基巖透水率達到設計防滲要求。

試驗布置了5個壓水檢查孔，采用自適應灌漿測控系統根據自上而下分段卡塞進行“五點法”壓水試驗，結果見表4。從表4可見：所有帷幕區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灌漿測控系統，不僅提高灌漿質量、節約人力物力，而且有效避免了壓力大范圍波動導致的工程安全問題。

表3 帷幕灌漿試驗結果分序統計Table 3 Sequence statistics of curtain grouting test results

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

3 結論

(1) 密度檢測采用自循環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，穩定性良好。

(2) 系統反饋控制模塊對灌漿壓力的變化有較強的自適應能力，PLC、伺服電機、驅動器和電動調節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，自適應灌漿測控系統對壓力、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響應時間內可將壓力波動自動控制在設定值的 5%以內，其檢測和控制精度高，響應快，穩定性好，滿足現場施工的需要，可推廣運用于其他帷幕與固結灌漿工程。

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

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