謝斌 隆威

(中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

灌漿工藝是處理水電工程基礎(chǔ)存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)缺陷的一種常用手段。由于灌漿工程是隱蔽工程，其施工質(zhì)量和灌漿效果難以進(jìn)行直觀的檢查，常常要借助于對(duì)施工過(guò)程參數(shù)的分析來(lái)評(píng)定。因此，灌漿工程中常常要求對(duì)施工過(guò)程參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制大量的圖表以便工程技術(shù)人員進(jìn)行分析，資料整理工作非常繁瑣。同時(shí)，為了保證灌漿施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，也要實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制灌漿過(guò)程中的主要參數(shù)(流量、壓力、水灰比等)。因此，灌漿施工過(guò)程參數(shù)的及時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量是保證灌漿質(zhì)量的前提條件。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和讀數(shù)已無(wú)法滿足高效、高質(zhì)量的灌漿要求。國(guó)家已規(guī)定:大、中型水利工程必須采用灌漿數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄儀，用以保證灌漿質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)灌漿記錄研制自動(dòng)記錄儀始于20世紀(jì)90年代初，由中國(guó)水利水電基礎(chǔ)工程局科學(xué)研究所與天津大學(xué)電力及自動(dòng)化工程系，研制出J系列智能灌漿記錄儀和多路灌漿檢測(cè)系統(tǒng)，中南大學(xué)從1994年開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)記錄儀的研制。1997年研制出了GY-I型自動(dòng)記錄儀，并通過(guò)了技術(shù)鑒定，隨后產(chǎn)品不斷改進(jìn)，形成了GY系列及其后續(xù)的LJ系列產(chǎn)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(yīng)用。實(shí)踐證明該種灌漿自動(dòng)記錄儀具有優(yōu)良的可靠性、合理的性價(jià)比和良好的技術(shù)服務(wù)。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(cè)控系統(tǒng)。

1 工程概況及地質(zhì)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(yuǎn)端”的方案。左岸帷幕灌漿工程地質(zhì)條件復(fù)雜，大壩水頭高，帷幕灌漿工程量大，設(shè)計(jì)灌漿下限及邊界最終根據(jù)先導(dǎo)孔資料確定，初定帷幕下限的最大深度達(dá)215 m。分成四層灌漿，即ZⅠ，ZⅡ，ZⅢ，ZⅣ層，帷幕線總長(zhǎng)5 308.784 m。根據(jù)有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)文件的要求，需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)，以驗(yàn)證、選擇合理的帷幕灌漿施工工藝和施工參數(shù)。

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

2 三參數(shù)灌漿自動(dòng)記錄儀

2.1 自動(dòng)記錄儀的組成和性能

LJ-4型三參數(shù)灌漿自動(dòng)記錄儀由主機(jī)、進(jìn)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(guò)程的施工監(jiān)測(cè)，具有以下特點(diǎn):

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

2)儀器可測(cè)量、顯示、打印灌漿實(shí)時(shí)流量、壓力、水灰比基本三參數(shù)，并具有關(guān)鍵參數(shù)超限聲光報(bào)警功能。是國(guó)內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)三參數(shù)、大循環(huán)在線測(cè)量的儀器;

3)灌漿過(guò)程中儀器可隨時(shí)通過(guò)按鍵查詢?cè)O(shè)置參數(shù)、工作狀態(tài)參數(shù)和中間處理結(jié)果(如累計(jì)灌漿量、累計(jì)水泥量、漿液濃度等);

4)灌漿結(jié)束后，可繪制出各種清晰的數(shù)據(jù)曲線，并能將此段灌漿原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存在機(jī)外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存器中，由灌漿工程資料管理軟件自動(dòng)錄入到微機(jī)中，生成94，2001規(guī)范規(guī)定的大部分圖表。從而大大簡(jiǎn)化和規(guī)范了施工單位的內(nèi)業(yè)工作，也極大的方便了業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理對(duì)灌漿工程的科學(xué)管理，對(duì)確保灌漿工程質(zhì)量有著極其重要的意義。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

1)測(cè)量范圍和精度:

a.流量。

測(cè)量范圍:大/小循環(huán):0～100 L/min;測(cè)量精度:主機(jī)測(cè)量及顯示分辨率0.1 L，測(cè)水時(shí)精度通常優(yōu)于0.1%。

b.壓力。

測(cè)量范圍:0～10 MPa;測(cè)量精度:主機(jī)測(cè)量及顯示分辨率0.01 MPa;壓力傳感器測(cè)量精度優(yōu)于0.2%，并可分檔測(cè)量瞬時(shí)壓力的平均值和峰值。

c.水灰比。

測(cè)量范圍:漿液比重為1～3;水灰比為0.5～5;測(cè)量精度優(yōu)于0.5%。

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

3)主機(jī)重量:約15 kg。

3 應(yīng)用實(shí)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(yīng)用情況

LJ-4型灌漿自動(dòng)記錄儀在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了儀器主要應(yīng)用于水利施工工程，所以具有獨(dú)特的適應(yīng)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(lái)說(shuō)，該設(shè)備使用情況見(jiàn)表1。

表1 LJ-4型灌漿自動(dòng)記錄儀在本工程中的應(yīng)用情況

在對(duì)各施工單位的技術(shù)服務(wù)中發(fā)現(xiàn):LJ-4型灌漿自動(dòng)記錄儀硬件部分故障很少，特別是主機(jī)，在灌漿規(guī)范規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，工作基本無(wú)故障。但由于施工現(xiàn)場(chǎng)的惡劣工作環(huán)境和使用時(shí)缺乏必要的維護(hù)，如夏季陽(yáng)光直射顯示屏，引起主機(jī)工作不穩(wěn)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(duì)這種情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)和專業(yè)維修培訓(xùn)，大大減少了故障發(fā)生率，并使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員具有了一般故障處理能力。由于自動(dòng)記錄儀對(duì)流量壓力測(cè)量的精度比較高，按現(xiàn)有灌漿規(guī)范，在實(shí)際使用中，自動(dòng)記錄每段灌漿時(shí)間比手工記錄的要長(zhǎng)，考慮到現(xiàn)有灌漿規(guī)范是在兼顧手記和自記儀的情況下制定的，故使用自動(dòng)記錄儀后，可根據(jù)工地實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

3.2 灌漿效果分析

1)流量:流量參數(shù)的檢測(cè)采用了電磁流量計(jì)(EMF)，它具有測(cè)量不受流體溫度、壓力、密度、粘度的影響、電磁流量計(jì)內(nèi)部直通光滑、直接進(jìn)行電測(cè)量，響應(yīng)速度快、檢測(cè)部無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，不會(huì)發(fā)生滴漏現(xiàn)象、計(jì)量精度高、內(nèi)襯可采用聚四氟乙烯塑料和氧化鋁陶瓷，具有很強(qiáng)的抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。

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(jù)的面積百分率，幾乎就等同于氣泡對(duì)流量測(cè)量的影響量。此外由于氣泡經(jīng)過(guò)電極表面存在一個(gè)摩擦過(guò)程，由此會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖干擾電勢(shì)，其值遠(yuǎn)大于正常的流量信號(hào)。通常電磁流量轉(zhuǎn)換器無(wú)法有效地處理如此的干擾，輕者導(dǎo)致測(cè)量值不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)儀表根本無(wú)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(huì)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(dòng)。水平安裝時(shí)要使電極軸線平行于地平線，不要垂直于地平線，因?yàn)樘幱诘撞康碾姌O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(guò)遮住電極表面。

2)壓力:灌漿壓力通常是由灌漿泵活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)使而產(chǎn)生的，經(jīng)連續(xù)流動(dòng)的漿體的傳遞而進(jìn)入受灌地層，由于活塞泵的這一往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性及調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)，使得灌漿壓力在灌漿通道內(nèi)呈脈動(dòng)傳遞，LJ-4型灌漿壓水測(cè)控系統(tǒng)中，壓力參數(shù)的檢測(cè)采用了擴(kuò)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(hào)電壓。同時(shí)，線性度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、超壓性能等十分優(yōu)越，有效克服了這種脈動(dòng)干擾。

3)密度:密度參數(shù)由差壓式密度傳感器提供，其測(cè)量精度主要受壓力波動(dòng)和水泥漿性質(zhì)的影響，需要從泵、裝置位置等地方進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)，避免壓力和流速的波動(dòng)，從而保證一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境，進(jìn)而保證密度的測(cè)量精度。

4 結(jié)語(yǔ)

灌漿記錄儀的使用是灌漿技術(shù)的一大進(jìn)步。目前國(guó)內(nèi)灌漿工程的檢測(cè)技術(shù)已達(dá)到了較高的水平。但與其他行業(yè)相比，灌漿施工的自動(dòng)化程度仍然較低。我國(guó)的灌漿工程施工基本上是屬于勞動(dòng)密集型，效率低、環(huán)境差。同時(shí)，灌漿受操作人員技術(shù)水平與施工經(jīng)驗(yàn)等人為因素的影響，質(zhì)量難以得到保證。自動(dòng)灌漿則可有效地防止上述問(wèn)題。為保證灌漿參數(shù)的準(zhǔn)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(jìn)度，使用時(shí)必須注意以下問(wèn)題:

1)LJ系列灌漿自動(dòng)記錄儀通過(guò)不斷改進(jìn)更新，在各水利水電施工過(guò)程中發(fā)揮的巨大作用和顯現(xiàn)的優(yōu)越性，說(shuō)明該儀器先進(jìn)性和實(shí)用性很強(qiáng)，在水利水電工程中具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

2)施工操作人員必需經(jīng)過(guò)培訓(xùn)，嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行操作，保證儀器的測(cè)量精度和準(zhǔn)確性。

3)在使用過(guò)程中要有專人定期維護(hù)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(qiáng)的惡劣環(huán)境對(duì)記錄儀的影響。

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