基于AMESim的脈動灌漿系統(tǒng)建模與特性分析

李鳳玲，游慶如，彭春雷

(1.長沙理工大學(xué)汽車與機械工程學(xué)院，湖南長沙 410114；2.湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南長沙 410000)

0 前言

灌漿工藝在交通、電站、隧道等地基處理領(lǐng)域得到廣泛使用，特別是在水利大壩基礎(chǔ)的加固、防滲、堵漏施工中成為必不可少的技術(shù)手段。脈動灌漿作為一種新型灌漿技術(shù)，因具有高效性、經(jīng)濟性而在全國防滲加固工程中運用廣泛[1-3]。但由于其概念提出較晚，導(dǎo)致理論落后于實踐，大部分工程施工均以經(jīng)驗進(jìn)行。為了進(jìn)一步完善脈動灌漿工藝，對脈動灌漿工藝進(jìn)行系統(tǒng)建模和特性分析十分迫切。

目前，針對脈動灌漿系統(tǒng)研究主要做了以下工作。張貴金等[4]最先提出了適合松軟地層高效的脈動灌漿新工藝，介紹了其機制、工法流程，以及相應(yīng)的實驗驗證。張聰?shù)热薣5]進(jìn)一步通過有限元仿真軟件以及相應(yīng)的模型進(jìn)行實驗，研究了脈動灌漿漿液的擴散機制。竇金熙等[6]將脈動灌漿運用到全風(fēng)化花崗巖地層進(jìn)行灌漿，并使用仿真軟件對其機制進(jìn)行了研究。同時，竇金熙等[7]還基于流固耦合理論對砂質(zhì)土體進(jìn)行脈動灌漿，并進(jìn)行了相應(yīng)的響應(yīng)分析。張貴金等[8]進(jìn)一步通過理論分析、室內(nèi)實驗、工程實踐等方法對松軟地層脈動灌漿封孔漿體止?jié){機制進(jìn)行初步研究。楊俊卿等[9]對注漿泵液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與仿真。賈要偉、周小磊[10]對注漿泵的容積效率進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計。

以上研究均集中在脈動灌漿的機制、灌漿施工實驗優(yōu)化等方面，從灌漿系統(tǒng)上進(jìn)行分析的還較少。本文作者以國內(nèi)某灌漿施工公司的脈動灌漿系統(tǒng)作為研究對象，利用系統(tǒng)仿真軟件AMESim進(jìn)行系統(tǒng)建模，針對脈動灌漿系統(tǒng)的輸漿管道的壓力、流量等參數(shù)開展特性分析。

1 脈動灌漿系統(tǒng)組成及工作原理分析

1.1 脈動灌漿系統(tǒng)組成

脈動灌漿系統(tǒng)由灌漿泵、輸漿管道、灌漿管道、壓力計、流量計、拔管機、灌漿記錄儀組成，見圖1。其工作原理為：灌漿泵將漿液通過輸漿管道注入指定地層形成漿泡，當(dāng)漿泡達(dá)到指定大小后結(jié)束此段灌漿，拔管機將灌漿管上拔一段，重復(fù)上述步驟，直到地層形成一道由漿泡連成的帷幕墻，從而達(dá)到地層防滲、加固的目的。

圖1 脈動灌漿系統(tǒng)示意

脈動灌漿系統(tǒng)可分為三部分：第一部分為灌漿泵部分，它是漿液的動力部分，負(fù)責(zé)漿液的攪拌和壓送；第二部分為管道部分，負(fù)責(zé)漿液的輸送；第三部分為孔內(nèi)部分，它是漿液在地層中聚集和擴散處。

1.2 灌漿泵工作原理分析

由于工藝的特殊性，漿液具有黏稠、骨料含量高、塌落度低等特點，從而要求灌漿輸送系統(tǒng)具有高壓、耐磨、流量可調(diào)、反向泄壓等特點[11]。灌漿泵是灌漿系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，為了滿足工藝要求，灌漿泵采用液壓驅(qū)動，具體可分為泵送系統(tǒng)、分配系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)。泵送系統(tǒng)由2根主油缸推動砼缸交替輸漿以產(chǎn)生脈動流量，其中主油泵使用力士樂A11VO190LRDH2變量泵；分配系統(tǒng)采用S分配閥調(diào)節(jié)砼缸交替輸漿的方式，為保證S閥換向時間相同，采用恒壓泵提供液壓油壓；攪拌系統(tǒng)用于攪拌漿液使其更具有流動性，易于泵送，攪拌液壓馬達(dá)使用齒輪泵提供液壓油壓。對灌漿系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析時，由于分配系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)不直接參與漿液輸送，仿真分析時將其簡化和省略。灌漿泵泵送系統(tǒng)液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 脈動灌漿泵泵送液壓系統(tǒng)原理

1.3 漿液在管道輸送的受力分析

漿液通過輸漿管道注入灌漿孔，漿液在管道中的流動特性不可忽略。實際上，管道中漿液的流動有2種基本形態(tài)：層流和紊流，管道中的流態(tài)是層流還是紊流由雷諾數(shù)判斷，漿液在管道中為層流。漿液在管道中流動必然存在阻力，需考慮漿液所受摩擦力。灌漿壓力一般為0～5 MPa，壓力較小，可將漿液視為不可壓縮液體，從而忽略漿液的容性，同時也可忽略管道因壓力產(chǎn)生的變形。輸漿管長一般為0～50 m，灌漿孔內(nèi)部孔深可達(dá)90 m，由于缸體運動特性、管道長度等因素，需考慮漿液所受慣性力、漿液重力。綜上可知，漿液在管道的可用連續(xù)性方程和動量守恒方程表示：

(1)

(2)

式中：p為壓力；ρ為密度；u為速度；S為管道截面積；Cg為重力源項；Cf為摩擦源項。

Cf和Cg的關(guān)系式為

Cf=ρηu|u|S/(2D)

(3)

Cg=ρgS(dz)/L

(4)

式中：η為摩擦因子，可由moody圖查得；g為重力加速度；dz為管道兩端點的高度差。

1.4 灌漿孔內(nèi)壓力機制分析

漿液注入地層時，在理想狀況下土壤均勻分布，漿液在孔內(nèi)聚集成漿泡，另一部分漿液在土壤孔隙中滲流，孔內(nèi)漿液作用機制如圖3所示。由有效應(yīng)力原理可知，漿液在地層中存在有效應(yīng)力和孔隙水壓力，有效應(yīng)力是造成土體壓密變形的主要原因，漿液與土體接觸面的力學(xué)平衡式[12]：

圖3 孔內(nèi)漿液作用效果

pg=σ1+pk

(5)

式中：pg為漿液對土體的壓力；σ1為地層有效應(yīng)力；pk為孔隙水壓力。

實際上，自然界土體呈現(xiàn)不同程度的非均質(zhì)性，孔隙率非均勻分布，裂隙隨機排列。當(dāng)?shù)貙又写嬖诹严稌r，漿液優(yōu)先流入裂隙，當(dāng)裂隙填滿后漿液在孔內(nèi)聚集形成漿泡和漿脈。由于土體的非均質(zhì)性，漿液在地層中的運動狀態(tài)非常復(fù)雜，使得pg具有非常強的不可確定性。為了得到孔內(nèi)壓力，采用灌漿孔上方安裝壓力傳感器的方式，測量脈動間隔段的壓力來近似孔內(nèi)壓力[13]。

2 脈動灌漿系統(tǒng)仿真模型搭建

2.1 灌漿泵仿真模型搭建

2.1.1 泵送油缸的搭建

2根泵送主油缸交替推送砼缸中的活塞吸送漿液，為保證一進(jìn)一退的運動形式，兩油缸的有桿腔使用油管進(jìn)行連通，同時為了保護(hù)油缸不受沖擊，設(shè)置了緩沖油口。AMESim仿真軟件中沒有相對應(yīng)的油缸，根據(jù)灌漿泵實物參數(shù)使用AMESim的HCD庫搭建主油缸模型，主油缸的仿真模型如圖4所示[14]。

圖4 泵送油缸仿真模型

2.1.2 功率-壓力-液比例復(fù)合控制變量液壓泵

灌漿泵使用功率-壓力-液比例復(fù)合控制變量液壓泵為主油缸供油，其包含壓力控制、功率控制、液比例控制功能。其中，壓力控制為：泵出口壓力高于壓力切斷閥的調(diào)定壓力pm，泵進(jìn)入恒壓工作狀態(tài)，切斷系統(tǒng)流量，僅輸送滿足pm所需的最小流量；恒功率控制為：恒功率閥能使變量泵的輸出功率為定值，有利于泵的充分利用；液比例控制為：通過調(diào)節(jié)減壓閥使控制壓力在0.5～4.0 MPa內(nèi)變化，則使主泵輸出排列在0～190 mL/r內(nèi)無級變化[15-16]。

同理，AMESim仿真軟件沒有直接可用的功率-壓力-液比例復(fù)合控制變量液壓泵，使用軟件HCD庫搭建。通過AMESim搭建的功率-壓力-液比例復(fù)合控制變量液壓泵模型如圖5所示。

圖5 功率-壓力-液比例復(fù)合控制變量泵仿真模型

圖6所示為電機轉(zhuǎn)速1 480 r/min、最大比例190 mL/r排量下，泵出口從開口到完全閉合的壓力-流量特性曲線。

圖6 功率-壓力-液比例復(fù)合控制變量液壓泵壓力-流量特性曲線

2.2 輸漿管道模型搭建

輸漿管道通過S管與砼缸連接，分配系統(tǒng)采用兩單向閥和電磁換向閥簡化建模，輸漿管道采用AMESim中一維CFD管道子模型，管徑為65 mm的商用鋼管，管長共50 m，管道端口差40 m。采用泵送不同黏度的牛頓液體負(fù)載進(jìn)行等效代替[17]。輸漿管道仿真模型如圖7所示。

圖7 輸漿管道仿真模型

2.3 孔內(nèi)負(fù)載搭建

由第1.4節(jié)可知，漿泡與土體相互用機制復(fù)雜，將孔內(nèi)壓力以外部壓力的方式作用于仿真系統(tǒng)中，孔內(nèi)壓力的具體數(shù)值采用灌漿孔上方安裝壓力傳感器測量脈動間隔段的壓力來近似得到[18]。

2.4 脈動灌漿系統(tǒng)整體模型

在進(jìn)行系統(tǒng)特性分析時，有些部分不直接作用于漿液流動，脈動灌漿系統(tǒng)對以下部分進(jìn)行了簡化處理：(1)分配閥部分使用邏輯控制代替；(2)去除了攪拌部分；(3)仿真模型為恒溫系統(tǒng)；(4)采用不同黏度油液負(fù)載模擬不同配比漿液負(fù)載。脈動灌漿系統(tǒng)整體仿真模型如圖8所示。

圖8 脈動灌漿系統(tǒng)整體仿真模型

3 模型驗證與特性分析

3.1 模型驗證

3.1.1 實驗?zāi)Ｐ痛罱?/p>

在某一灌漿工程施工現(xiàn)場，使用電磁流量計、壓力變送器、灌漿記錄儀(見圖9)測量灌漿過程中管道中漿液的壓力與流量信息。

圖9 實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)采集設(shè)備

3.1.2 結(jié)果對比驗證

將仿真模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置得與實驗一致，將測量到的壓力、流量信息與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比如圖10所示。可知：壓力及流量平均相對誤差分別為6.4%、7.6%，驗證了模型的正確性。

圖10 仿真與實驗?zāi)Ｐ凸艿罃?shù)據(jù)對比

3.2 特性分析

3.2.1 泵送頻率的影響分析

通過調(diào)節(jié)減壓閥改變控制壓力，使主油泵輸出排量發(fā)生變化，進(jìn)而獲得不同的泵送頻率，輸漿管道壓力數(shù)據(jù)如圖11所示。可知：在泵送頻率較低時，由于主油泵速度較慢，輸漿管道中壓力較低。當(dāng)灌漿孔處于土體薄弱地帶時，需要較低的灌漿壓力，以防止地層的抬動和開裂。

圖11 不同泵送頻率壓力數(shù)據(jù)

3.2.2 漿液配比的影響分析

不同的漿液配比會導(dǎo)致不同的漿液黏度，300、600、900 mPa·s下輸漿管道中的壓力如圖12所示。可知：隨著漿液黏度的增加，輸漿管內(nèi)的壓力隨之增大，在灌漿施工時，較為濃稠的漿液有利于漿泡的膨脹，但是黏度過大會導(dǎo)致管道的震動、泄漏甚至破裂。

圖12 不同漿液配比壓力數(shù)據(jù)

3.2.3 輸漿管長的影響分析

灌漿孔位的不同使得輸漿管道長度不同，不同管道長度下管內(nèi)壓力如圖13所示。可知：隨著管道的加長，輸漿管內(nèi)的壓力增大，且由于慣性力的影響，管內(nèi)的壓力波動增大，管道在施工過程中管道的跳動會增大。

圖13 不同輸漿管長壓力數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)根據(jù)脈動灌漿系統(tǒng)的工作原理，采用AMESim系統(tǒng)仿真軟件建立了脈動灌漿系統(tǒng)仿真模型。通過對比現(xiàn)場施工實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，仿真模型能較為準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)動態(tài)曲線變化規(guī)律，管道壓力和流量平均相對誤差分別為6.4%、7.6%，驗證了模型的正確性。

(2)通過仿真模型測試了不同的泵送頻率、漿液黏度、輸漿管道長度的壓力數(shù)據(jù)，為施工過程中選擇合適的泵送頻率、漿液黏度和輸漿管長提供參考。文中建立的灌漿系統(tǒng)模型可為灌漿施工的優(yōu)化設(shè)計提供幫助，對降低裝備開發(fā)成本及縮短研發(fā)周期具有一定意義。