三參數灌漿自動記錄儀在水利工程中的應用

謝斌 隆威

(中南大學地球科學與信息物理工程學院，湖南長沙 410083)

0 引言

灌漿工藝是處理水電工程基礎存在地質結構缺陷的一種常用手段。由于灌漿工程是隱蔽工程，其施工質量和灌漿效果難以進行直觀的檢查，常常要借助于對施工過程參數的分析來評定。因此，灌漿工程中常常要求對施工過程參數進行檢測，并根據檢測數據繪制大量的圖表以便工程技術人員進行分析，資料整理工作非常繁瑣。同時，為了保證灌漿施工嚴格按照設計要求進行，也要實時檢測和控制灌漿過程中的主要參數(流量、壓力、水灰比等)。因此，灌漿施工過程參數的及時、準確測量是保證灌漿質量的前提條件。傳統的人工檢測和讀數已無法滿足高效、高質量的灌漿要求。國家已規定:大、中型水利工程必須采用灌漿數據自動記錄儀，用以保證灌漿質量。

國內灌漿記錄研制自動記錄儀始于20世紀90年代初，由中國水利水電基礎工程局科學研究所與天津大學電力及自動化工程系，研制出J系列智能灌漿記錄儀和多路灌漿檢測系統，中南大學從1994年開始進行自動記錄儀的研制。1997年研制出了GY-I型自動記錄儀，并通過了技術鑒定，隨后產品不斷改進，形成了GY系列及其后續的LJ系列產品。曾先后在湖南省江婭水電站壩基帷幕灌漿施工、三峽永久船閘南岸帷幕灌漿、引子渡電站、清江高壩洲、水布婭電站等工程中應用。實踐證明該種灌漿自動記錄儀具有優良的可靠性、合理的性價比和良好的技術服務。在黔中水利樞紐一期工程左岸帷幕灌漿中就采用了LJ-4型灌漿壓水測控系統。

1 工程概況及地質條件

黔中水利樞紐一期工程由水源工程、輸配水一期工程組成。防滲帷幕采用“壩基及兩岸近壩段+左岸遠端”的方案。左岸帷幕灌漿工程地質條件復雜，大壩水頭高，帷幕灌漿工程量大，設計灌漿下限及邊界最終根據先導孔資料確定，初定帷幕下限的最大深度達215 m。分成四層灌漿，即ZⅠ，ZⅡ，ZⅢ，ZⅣ層，帷幕線總長5 308.784 m。根據有關規范和設計文件的要求，需進行現場灌漿試驗，以驗證、選擇合理的帷幕灌漿施工工藝和施工參數。

左岸帷幕沿線地層主要有三疊系永寧鎮組第一段～第三段(T1yn1-3)，永寧鎮組第一段(T1yn1)、第三段(T1yn3)巖性為灰巖，屬中硬巖;永寧鎮組第二段(T1yn2)巖性為灰色薄～中厚層泥質灰巖、鈣質泥巖夾灰巖。平寨壩址主要的巖溶透水層為T1yn1中～厚層灰巖和T1yn3薄～中厚層灰巖，T1yn1中溶洞、地下暗河等均有發育等;T1yn3層位巖溶強烈發育，在該層位中溶洞、地下暗河等均有發育。在庫首左岸，T1yn2-3和 T1yn2-1泥巖因下伏 T1yn1灰巖局部巖溶發育引起的溶蝕塌陷，連續性在局部地段受到破壞，隔水可靠性降低。

2 三參數灌漿自動記錄儀

2.1 自動記錄儀的組成和性能

LJ-4型三參數灌漿自動記錄儀由主機、進漿流量變送器、返漿流量變送器和壓力變送器以及水灰比傳感器組成。主要用于水工建筑物和工民建地基處理工程中灌漿過程的施工監測，具有以下特點:

1)其主要功能包括普通法灌漿(循環式和純壓式)，粘土灌漿，GIN法灌漿，壓水試驗(單段及五段);

2)儀器可測量、顯示、打印灌漿實時流量、壓力、水灰比基本三參數，并具有關鍵參數超限聲光報警功能。是國內唯一實現三參數、大循環在線測量的儀器;

3)灌漿過程中儀器可隨時通過按鍵查詢設置參數、工作狀態參數和中間處理結果(如累計灌漿量、累計水泥量、漿液濃度等);

4)灌漿結束后，可繪制出各種清晰的數據曲線，并能將此段灌漿原始數據轉存在機外數據轉存器中，由灌漿工程資料管理軟件自動錄入到微機中，生成94，2001規范規定的大部分圖表。從而大大簡化和規范了施工單位的內業工作，也極大的方便了業主、設計、監理對灌漿工程的科學管理，對確保灌漿工程質量有著極其重要的意義。

2.2 主要技術參數

1)測量范圍和精度:

a.流量。

測量范圍:大/小循環:0～100 L/min;測量精度:主機測量及顯示分辨率0.1 L，測水時精度通常優于0.1%。

b.壓力。

測量范圍:0～10 MPa;測量精度:主機測量及顯示分辨率0.01 MPa;壓力傳感器測量精度優于0.2%，并可分檔測量瞬時壓力的平均值和峰值。

c.水灰比。

測量范圍:漿液比重為1～3;水灰比為0.5～5;測量精度優于0.5%。

2)電源、工頻:220 V±10%自帶交流穩壓電源，主機耗電量為100 VA。

3)主機重量:約15 kg。

3 應用實例

3.1 在黔中水利樞紐一期工程左岸帷幕灌漿工程中的應用情況

LJ-4型灌漿自動記錄儀在設計時充分考慮了儀器主要應用于水利施工工程，所以具有獨特的適應工地惡劣施工條件的能力。故在黔中水利樞紐工程中廣泛采用了該儀器，就一期工程左岸帷幕灌漿工程來說，該設備使用情況見表1。

表1 LJ-4型灌漿自動記錄儀在本工程中的應用情況

在對各施工單位的技術服務中發現:LJ-4型灌漿自動記錄儀硬件部分故障很少，特別是主機，在灌漿規范規定的溫度范圍內，工作基本無故障。但由于施工現場的惡劣工作環境和使用時缺乏必要的維護，如夏季陽光直射顯示屏，引起主機工作不穩定，顯示異常。另外在使用初期都有不同程度的斷線故障，一定程度上影響了儀器的正常使用。針對這種情況，通過現場培訓和專業維修培訓，大大減少了故障發生率，并使現場維護人員具有了一般故障處理能力。由于自動記錄儀對流量壓力測量的精度比較高，按現有灌漿規范，在實際使用中，自動記錄每段灌漿時間比手工記錄的要長，考慮到現有灌漿規范是在兼顧手記和自記儀的情況下制定的，故使用自動記錄儀后，可根據工地實際情況適當調整。

3.2 灌漿效果分析

1)流量:流量參數的檢測采用了電磁流量計(EMF)，它具有測量不受流體溫度、壓力、密度、粘度的影響、電磁流量計內部直通光滑、直接進行電測量，響應速度快、檢測部無運動部件，不會發生滴漏現象、計量精度高、內襯可采用聚四氟乙烯塑料和氧化鋁陶瓷，具有很強的抗腐蝕性等優點。

因水泥漿液中常含一些氣泡。EMF屬于流速型的流量方式，氣泡在管道圓截面中所占據的面積百分率，幾乎就等同于氣泡對流量測量的影響量。此外由于氣泡經過電極表面存在一個摩擦過程，由此會產生尖峰脈沖干擾電勢，其值遠大于正常的流量信號。通常電磁流量轉換器無法有效地處理如此的干擾，輕者導致測量值不穩定，嚴重時儀表根本無法工作，如果把EMF安裝在灌漿泵的吸入端，吸入端的漿液中常會混入成泡狀流的小氣泡，故EMF一般要安裝在泵的排出端。EMF最好垂直安裝，漿液自下而上流動。水平安裝時要使電極軸線平行于地平線，不要垂直于地平線，因為處于底部的電極易被沉積物覆蓋，頂部電極易被水泥漿液中的偶存氣泡擦過遮住電極表面。

2)壓力:灌漿壓力通常是由灌漿泵活塞往復運動的驅使而產生的，經連續流動的漿體的傳遞而進入受灌地層，由于活塞泵的這一往復運動特性及調壓閥的調節，使得灌漿壓力在灌漿通道內呈脈動傳遞，LJ-4型灌漿壓水測控系統中，壓力參數的檢測采用了擴散硅壓阻式壓力變送器，典型精度為0.25%FS，以4 mA的供電電流就可得到900 mV的信號電壓。同時，線性度、長期穩定性、動態響應、超壓性能等十分優越，有效克服了這種脈動干擾。

3)密度:密度參數由差壓式密度傳感器提供，其測量精度主要受壓力波動和水泥漿性質的影響，需要從泵、裝置位置等地方進行改進，經過改進，避免壓力和流速的波動，從而保證一個穩定的測量環境，進而保證密度的測量精度。

4 結語

灌漿記錄儀的使用是灌漿技術的一大進步。目前國內灌漿工程的檢測技術已達到了較高的水平。但與其他行業相比，灌漿施工的自動化程度仍然較低。我國的灌漿工程施工基本上是屬于勞動密集型，效率低、環境差。同時，灌漿受操作人員技術水平與施工經驗等人為因素的影響，質量難以得到保證。自動灌漿則可有效地防止上述問題。為保證灌漿參數的準確性，減少記錄儀的維修頻率，降低施工成本，保證正常的施工進度，使用時必須注意以下問題:

1)LJ系列灌漿自動記錄儀通過不斷改進更新，在各水利水電施工過程中發揮的巨大作用和顯現的優越性，說明該儀器先進性和實用性很強，在水利水電工程中具有廣泛的應用領域。

2)施工操作人員必需經過培訓，嚴格按操作規程進行操作，保證儀器的測量精度和準確性。

3)在使用過程中要有專人定期維護壓力、水灰比和流量傳感器，防止記錄儀受潮和碰撞，避免粉塵、潮濕、電磁強的惡劣環境對記錄儀的影響。

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