楊房溝水電站智能灌漿控制系統的設計研究與應用

肖 鏵， 宋 崔 蓉， 水 小 寧

(1.中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川 成都 610030；2.成都中成華瑞科技有限公司，四川 成都 610000 )

1 概 述

智能灌漿控制系統經歷了從上世紀初50年代的人工記錄對灌漿施工的簡單應用后，過渡到上世紀80年末引進國外的灌漿記錄儀，再到中國水電基礎局與天津大學成功研制的我國第一臺灌漿自動記錄儀并通過技術鑒定[1]，逐步實現了灌漿數據的采集和可視化管理[2]。近年來智能灌漿蓬勃發展，方興未艾，正是基于李曉超[3]提出的基礎處理體系事前、事中、事后的智能控制理論并經過不斷摸索實踐，形成了當前智能灌漿發展格局。

伴隨著新基建政策的加持，5G技術、人工智能和大數據建設等新技術與傳統灌漿的融合發展已成為未來發展的主要方向。我國知名灌漿專家夏可風曾指出；實現基礎灌漿技術升級的內涵是灌漿工藝精細化、灌漿數據信息化[4]。然而，傳統的灌漿技術難以實現灌漿質量跨越式提升，特別是在灌漿壓力控制與輸漿智能化方面，還停留在人工-自動化水平階段。為此，迫切需要對智能灌漿控制系統開展有針對性的研究。筆者以楊房溝工程為例，對智能灌漿控制系統開展的研究進行了介紹。

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上，是雅礱江中游河段一庫七級開發中的第六級。楊房溝水電站的開發任務為發電，電站總裝機容量為1 500 MW，安裝4臺單機容量為375 MW的混流式水輪發電機組，屬于Ⅰ等水工建筑工程。

楊房溝水電站混凝土雙曲拱壩對兩岸壩肩巖體質量要求較高。鑒于左、右岸壩肩巖體內小斷層及節理裂隙較發育，且因其承載力、變形模量和抗滲特性直接關系到大壩的安全，因此對其進行了固結灌漿處理。固結灌漿的最大孔深為15 m；拱壩的帷幕灌漿主要集中在左右岸三層灌漿平洞，帷幕灌漿孔的最大孔深為93 m；拱壩共設置了16條橫縫、17個壩段。楊房溝水電站固結灌漿量達13萬m，帷幕灌漿16萬m，回填灌漿7萬m2，接縫灌漿34 155m2。

楊房溝水電站作為國內首個百萬千瓦級EPC水電項目，其廠壩基礎灌漿均由總承包部基礎工區實施，良好的外部氛圍為多點多面多類型智能灌漿施工創造了條件。

2 智能灌漿控制系統的設計

為使楊房溝水電站智能灌漿控制系統技術先進、經濟實用，在統籌設計控制系統技術上重點考慮了以下兩個因素：(1)灌漿壓力控制。灌漿壓力的控制仍是掣肘智能灌漿控制系統技術的瓶頸，常因高壓螺桿磨損無法頂著高壓閥而誘發壓力不穩定導致壓力控制波動而采用人工操作電磁閥代替自動控制，因此，對于灌漿壓力的控制是從控制方法和閥門材質展開設計研究。(2)輸漿精準調度。傳統輸漿調度中，漿液指令的傳達與接收仍通過電鈴、對講機和電話方式聯系。目前，楊房溝水電站已基本實現輸漿的自動分配，但其與依靠制-輸-配智能管理系統計算漿液需求、按需輸漿以達到減少漿液浪費的計劃仍存在不小的差距。因此，輸漿精準調度設計是其很重要的一個環節。

2.1 智能灌漿控制系統的基礎功能設計

智能灌漿控制系統主要由地質編錄與灌漿反饋系統、智能灌漿控制系統組成，亦涵蓋了故障診斷專家反饋系統、專家智庫系統，涉及算法、信息、機械等專業，具有專業性強和多專業強耦合的特征。

地質編錄與灌漿反饋系統[5]利用社會通信系統作為數據大環境傳輸媒質，小環境采用LoRa建立作業空間范圍內的數據傳輸，選擇二維碼技術或標準數據庫格式作為數據采集方式，通過鉆孔地質資料采集端(地質構造、圍巖類別及級別)、巖體聲波值和彈性模量采集端、透水率采集端、灌漿規范或設計要求控制值采集端及其它灌漿孔的基本參數采集端獲得相關數據,將鉆孔地質資料編錄數據、巖體聲波值數據、透水率數據、灌漿規范或設計要求控制值數據及其它灌漿孔的基本參數數據編錄至地質編錄數據庫。通過地質與施工多維信息系統中的信息處理中心進行線性回歸及多元統計等方法進行分析，建立各類地質情況下的單位注灰量和錨固張拉與透水率、聲波值、巖芯三率(采取率、獲得率、LQD值)、地質構造、圍巖類別之間的函數關系，模擬形成各類地質特征空間分布關系的三維空間圖，推測各部位的地質情況，有針對性的尋求錨固張拉及基礎灌漿最優且具有個性控制的相關控制參數，進而優化張拉和灌漿控制過程。

智能灌漿控制系統由集成化制漿設備與智能灌漿單元共同構成，其中制漿與灌漿之間輸漿指令的傳達主要由自動輸漿技術實現，而臥式散裝水泥罐集成自動制漿裝置[6]是將雙軸逆向制漿機、臥式灰罐、輸漿泵、輸料機等設備整合在一起，并將各部件上的稱重計量傳感器和操作平臺組合在一塊，通過PLC編程控制實現人機一體化。智能灌漿系統主要由儲漿桶至配漿桶濃漿供給功能、自動配漿功能、控制端(包括數據采集、記錄、分析、控制輸出)、智能調壓裝置、密度檢測裝置組成。

智能灌漿控制系統灌漿作業前(事前)，運用地質編錄與灌漿反饋系統為施工作業提供技術支撐，利用深度學習算法以及線性回歸及多元統計等方法進行分析，建立起單位注灰量與透水率、聲波值、巖芯三率、地質構造、圍巖類別之間的函數關系，推演施工部位的地質情況、模擬優化施工參數和施工過程；灌漿作業時(事中)，運用PAD手持終端一鍵啟動智能灌漿控制系統，制漿-輸漿-配漿-灌漿全流程信息數據自動采集、各環節參數智能控制、過程中特殊工況處理自動啟用故障診斷專家反饋系統、三維矩陣仿生智能學習算法對其進行定性和定量的分析，并給出具體的參考解決措施；灌漿作業后(事后)，地質編錄與灌漿反饋系統實施數據歸集管理，并對該范圍的灌漿成果進行分析總結，形成各類數據成果報表。同時，可按照參建各方要求，根據前期施工資料，利用數字孿生技術、BIM展現還原施工過程，對異常情況進行模擬分析。

2.2 智能灌漿控制系統拓展功能的設計

(1)PQ五線多階導智能仿生控制方法。樊啟祥[7]提出了水泥灌漿智能控制模型iGCM與實時控制方法，運用能量守恒定律，將單位時間內作用于一個灌漿段上的實時灌漿能量，即灌漿壓力P與單位注入率Q的乘積(單位：MPa·L/min)作為灌漿過程的控制指標，計算出能量上限值PQmax值和PQmin值的區間控制范圍，將智能控制模型劃分為三個區間；同時，將灌漿伊始到屏漿全過程按壓力-流量-密度調節規律劃分為五個階段，根據灌漿特征采取聯動控制方法，即水泥灌漿三區五段智能控制方法。

PQ五線多階導智能仿生控制方法根據流量(Q)與壓力(P)的關系，通過半量化方式將灌漿壓力進行分階段控制，為灌漿過程中的壓力控制提供了理論依據和現實操作依據，使灌漿過程中的壓力更符合預期。

PQ五線多階導智能控制仿生算法(圖1)主要用于對壓力進行即時調整控制，使灌漿過程中的壓力與預期值盡量一致并滿足施工要求。

圖1 PQ五線多階導曲線圖

壓力調節在灌漿系統中具有非常重要的作用。當孔內壓力超過設定壓力值時，需要調節調節閥的開度，以達到穩定壓力的目的。調節閥是一個局部阻力可變的節流元件，根據能量守恒原理可知：不可壓縮的液體的壓力損失為：

(1)

式中 ΔP為調節閥的壓力損失；ξQ為調節閥阻力系數；ω為流體的平均速度；ρ為流體密度；P1,P2為調節閥前后的壓力。

流體的平均速度ω為：

(2)

式中Q為流體體積流量，簡稱流量，單位L/min；F為調節閥流通截面積。

聯立式(1)、(2)，可以得到調節閥流量方程：

(3)

式中A為與各個參數選擇量綱有關的常量。

根據式(3)可以看出流體體積流量Q與壓力P之間存在非線性關系。

若要對巖體灌漿使其緊密，就必須消耗比較多的能量。在一個灌漿段內，能量的消耗近似等于灌漿壓力P和單位段長累計注入量V的乘積，即P×V。數值P×V被稱為GIN值(灌漿強度值)。若灌漿壓力以MPa計，單位段長累計注入量以L/m計，則GIN值即可以MPa×L/m表示。

在現有技術中，對如何在灌漿過程中進行調整缺乏明確的指導方法。PQ五線多階導智能控制仿生算法中，在一個灌漿段全部灌漿過程中保持GIN是一常數值。在一個灌漿段內，能量的消耗近似等于灌漿壓力P和單位段長累計注入量V的乘積，即P×V為常數值，在時間通常為一個固定值的情況下，可以將灌漿強度值直接轉化為灌漿壓力P與注入量Q的一個關系，定義為常數δ，該常數值只與工程定義下的GIN值和灌漿時間有關。

δ=P×Q

(4)

式中P為灌漿壓力，單位為MPa。

《水工建筑水泥灌漿施工技術規范》(DL/T 5148-2017)明確人工控制在不超過最大壓力和最大流量條件下可采用分級升壓或依次升壓。

此外，在保證基巖不被破壞的臨界條件約束下存在一個允許的壓力最大值Pmax和流量最大值Qmax，根據實際情況設置第一減小量ΔA和第二減小量ΔB，根據流量和壓力的不同取值，例如，在流量和壓力分別為30 L/min和0.1 MPa時，第一減小量ΔA和第二減小量ΔB可以分別取0.1和0.15。 在公式(4)約束下，設置四個壓力點P1-P4和對應的流量點Q1-Q4。

Q3=(1-ΔB)Qmax

Q4=Qmax；

P3=(1-ΔA)Pmax

P4=Pmax

將灌漿的階段根據壓力大小分為5個階段:A、B、C、D、E。如圖1所示，針對不同壓力段，采取不同的灌漿流量Q，圖1中的曲線為公式(4)的曲線。

其中A段壓力值為0≤P≤P1。

此時，壓力P很小，趨于0，一般P≤0.1 MPa。

采用快速升壓操作，例如升壓速度V1可以為0.1 MPa/s；限流灌漿，流量Q≤30 L/min，并根據公式(4)和壓力變化對應調節流量。

實際操作中，如果持續15 min或累計注入量達到300 L后，若壓力仍然無明顯變化，可以執行變漿操作。

B段：P1≤P≤P2。

此時，壓力P較小，一般P≤0.3 MPa。

采用持續緩慢升壓操作，例如升壓速度V2可以為0.02 MPa/s；限流灌漿，流量Q仍然可以設立最大值，如Q≤30 L/min。持續15 min或累計注入量達到300 L，若壓力無明顯變化則執行變漿操作。

C段：P2≤P≤P3。

此時為穩定灌漿階段，壓力穩定，流量穩定。

采用PQ控制，注入率穩定，當注入量增大時，灌漿壓力會逐漸上升，待壓力升到P3時，控制灌漿壓力穩定在P3附近使注入率Q持續減小到Q≤5 L/min。

D段：P3≤P≤Pmax。

壓力接近設計壓力Pmax，穩定壓力P，逐步調節使流體體積流量Q≤3 L/min。

E段：P=Pmax

壓力達到設計壓力Pmax，穩定壓力P，使流體體積流量Q≤1 L/min，持續30 min后灌漿結束。

PQ五線多階段智能控制仿生算法通過半量化方式分區域對灌漿壓力實施調節，為灌漿過程中的壓力控制提供了理論依據和現實操作手段，提高了灌漿過程的可控性并使實際完成得到的灌漿壓力控制更容易符合預期。

(2)輸漿精準調度。肖鏵[8]指出：在制漿系統工況機上增加輸漿功能模塊，采用PLC、電磁閥、交流接觸器等電子元件分別控制輸漿泵或管路，實現自動輸漿的目的。在楊房溝水電站，劉貴軍等人研究的自動輸漿及沖洗技術，利用分漿電磁閥實現了上述功能，同時還可實現自動沖洗輸漿管路的功能，減輕了施工強度。輸漿精準調度系統可利用流壓關系分析下一時間段的漿液需求，以達到按需分配輸漿的目的。

筆者以0.5∶1固定水灰比濃漿為例進行說明：6 min制漿1 000 L，將制好的濃漿送入濃漿儲漿桶中，實時測量濃漿桶中的實時重量Vn，該濃漿可以通過8個可開關的閥門送漿至1到8#配漿系統。

從制漿系統到各灌漿站配漿系統存在不同的距離和不同的輸送時間，通過制漿系統可獲取輸漿實時流量數據；

假設各灌漿站配漿系統每個時刻的稀漿重量為Vx，i0≤i≤8。

各灌漿站配漿系統需求的稀漿水灰比為Px,i(一般為5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1)

可以通過關系式計算出：

濃漿變稀漿的水和濃漿的比例為：

同時,可以認為各灌漿站配漿系統中的水是絕對滿足需求的(通俗的說就是不停水)，在上述前提下各灌漿站配漿系統能夠制漿Vx,i(t)×(Px,i(t)+1)/(Pn+1)。假如配漿系統中的濃漿不使用，120 min后就不能再使用了。

各灌漿站配漿系統配置稀漿需要200 L/3 min，再放入稀漿儲漿桶。鑒于灌漿的變漿條件為從稀漿到濃漿，剛開灌時，灌漿孔前期的稀漿用量較大(包括孔管占漿液用量以及假設該孔稀漿用量大)，因此確定以6 min時間作為預判時間。根據不同水灰比和灌漿壓力，均以6 min為預判時間，決定是否再繼續配置稀漿，還是濃漿。

公式中t為時段編號，每時段為6 min；i為稀漿站編號；j為稀漿種類編號。

模型：

Zt∈{0,1}

Zt+1(若第t時段關機且濃漿有剩余，則t+1時段不能開機，一定要先用完剩余的濃漿或將其棄掉)。

最后，采用二階段魯棒優化算法，根據各個時刻稀漿的需求量制漿后再送漿，可以實現漿液需求提前預判、供需精準的目的。

3 智能灌漿控制系統具有的特點和優勢

(1)促進灌漿工程質量提升。智能灌漿控制系統的成功研究，可實現隱蔽工程可視化、質量控制追溯清晰化、規范施工服務流程、降低不良質量成本、提高一次性報檢合格率，提升項目劃分優良率、增強參建各方滿意度的目的，為建設精品工程、樣板工程提供了保障。

(2)提升灌漿工程的技術水平。智能灌漿控制系統的成功研究，在系統運行過程中，將自動化施工提升至智能化施工，勢必顛覆傳統的人工操作灌漿作業，促進灌漿技術整體水平的提升。

(3)提高灌漿施工的安全性。通過智能灌漿控制系統,可以切實有效地提高制漿、輸漿、灌漿安全施工水平。利用地質與施工多維信息系統搜集相關信息，模擬實現不同地層條件下的灌漿最優施工參數，為后續安全施工提供保障。

(4)促進節能低碳技術的應用與推廣。智能灌漿控制系統可以有效實現對制-輸-配-灌(漿)漿的智能化控制、按需精準供輸漿以及可視化的生產運行管理，充分發揮灌漿集成的優勢，促進節能低碳技術的發展。

4 結 語

智能灌漿控制系統已在楊房溝水電站成功應用，為該工程的質量提升創造了條件，保障了灌漿工程質量控制的可靠性，降低了不良質量成本，取得了不俗的功效。