甘俊祥

(江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025)

近年來，我國水利水電建設(shè)理論和技術(shù)不斷完善，一大批世界級的水電站已建成或正在建設(shè)中。大壩高度的不斷增加要求壩基巖體具有良好的抗?jié)B和耐久性能，因而帷幕灌漿技術(shù)的發(fā)展和成熟使用便顯得格外重要[1- 4]。

不同地質(zhì)環(huán)境下的灌漿方案是有所區(qū)別的，選擇合適的灌漿壓力、孔深以及水灰比等均關(guān)系到灌漿施工質(zhì)量的好壞[5- 6]，因此需要對灌漿方案進行綜合的審核和評估，以達到經(jīng)濟合理、安全可靠的目的[7]。其中，灌漿壓力的反饋和調(diào)節(jié)是關(guān)系到灌漿質(zhì)量的重要一環(huán)，當(dāng)前，許多帷幕灌漿工程仍然采用人工調(diào)節(jié)的方式，往往很容易造成灌漿壓力超限而引起巖體張拉破壞以及壩基地層抬動變形等問題，因此，對灌漿壓力在施工過程中的波動原因進行詳細(xì)分析，有利于對灌漿壓力的穩(wěn)定性控制[8- 11]。

本文在前人研究理論和實踐的基礎(chǔ)上，對灌漿壓力波動的內(nèi)在原因進行了探討分析，并基于分析結(jié)果提出灌漿壓力的綜合設(shè)計原則和復(fù)合式控制法，可為工程實踐提供理論支撐。

1 灌漿壓力的綜合設(shè)計原則

1.1 灌漿壓力與巖體滲流擴散性、變形性關(guān)系

水泥基漿液在壓力作用下會沿著巖體裂隙通道進行流動，并呈現(xiàn)兩相流動狀態(tài)。流動規(guī)律和分布狀態(tài)受裂隙自身和過流面的物理力學(xué)特性、地下水勢頭等諸多因素的影響，因而其滲流擴散特性是十分復(fù)雜的。由于不同的地質(zhì)構(gòu)造條件會導(dǎo)致滲流擴散的不確定性，因而很難有有效的方法來計算漿體擴散的最大范圍和理應(yīng)使用的灌漿壓力。

一般而言，當(dāng)巖體在鉆孔徑向壓力作用下會承受相應(yīng)的劈拉應(yīng)力，當(dāng)大于自身抗拉強度時，就會形成水利劈裂效應(yīng)；有壓水泥漿體在巖體裂隙中流動時，會使巖壁受到壓縮應(yīng)力而發(fā)生原始裂隙的進一步擴大，形成擴縫效應(yīng)；當(dāng)施加的灌漿壓力適當(dāng)時，會明顯改善周圍巖體的致密性，形成壓力擠密效應(yīng)。因此，需要選擇合適的灌漿壓力進行灌漿施工。

目前，灌漿壓力與巖體滲透、變形特性的關(guān)系主要有2種理論：

賓漢流體擴散理論：

(1)

式中，R—水泥基體的擴散半徑,m；P0—灌漿壓力值,MPa；σ—巖體裂隙寬度,m；τ0—水泥基體的屈服強度,MPa；r0—鉆孔的半徑值,m。

牛頓流體滲透灌漿理論:

(2)

式中，P—裂隙內(nèi)靜水壓力大小,MPa；P1—灌漿孔內(nèi)壓力值,MPa；T—灌漿時間,min；η—水泥基體的初始黏度值。

1.2 灌漿壓力綜合確定原則

壩基帷幕灌漿的壓力值，一般是指作用于灌漿段上的實際壓力值，其主要包括3個方面：

PT=P+PS-PR

(3)

式中，PT—灌漿總壓力，MPa；PS—水泥基體自重壓力，MPa；PR—壓應(yīng)力損失量，MPa；P—壓力表上顯示的壓力值，MPa。

在實際工程設(shè)計中，主要通過3種方法確定灌漿壓力：經(jīng)驗值計算法、逆推計算法以及試驗確定法。一般而言，灌漿壓力過大，會造成地面抬動隆起變形破壞，且極不經(jīng)濟；灌漿壓力過小，又無法滿足漿體填充裂隙的要求，達不到預(yù)期灌漿防滲效果。

因此，灌漿壓力應(yīng)該遵循以下綜合設(shè)計原則：①詳細(xì)分析壩基地質(zhì)結(jié)構(gòu)和灌漿地層的構(gòu)造，借鑒經(jīng)驗公式和法則，對取值范圍進行初步的規(guī)劃(經(jīng)驗選取)；②根據(jù)壩型、壩高和防滲目標(biāo)，采用逆推計算法、劈裂灌漿計算法以及壓力擴縫計算法等一系列理論計算法進行詳細(xì)計算，分灌溉段劃分灌漿壓力取值(理論計算)；③在具有代表性的地層進行灌漿生產(chǎn)性試驗，最終確定最大灌漿壓力值(試驗驗證)；④在灌漿施工過程中，根據(jù)灌漿壓力、注入量、密度、抬動情況合理調(diào)整壓力值，保證灌漿安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定和高效(適時調(diào)整)，如圖1所示。

圖1 帷幕灌漿的綜合設(shè)計原則

2 灌漿壓力波動原因及控制方法

2.1 灌漿壓力波動機理分析

通過灌漿壓力總結(jié)設(shè)計原則，在一定程度上解決了灌漿壓力目標(biāo)值，但在實際灌漿工程中，對于灌漿壓力的穩(wěn)定性控制才是最為關(guān)鍵的，由于各種原因造成了灌漿壓力波動性較大，穩(wěn)定差，對灌漿施工安全和質(zhì)量構(gòu)成一定影響。根據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)研究人員研究結(jié)果，作者認(rèn)為造成灌漿壓力波動的內(nèi)在原因主要包括：①灌漿孔下方地層的阻尼特性：由于受灌漿段地層內(nèi)裂隙走向、開度、連通率、粗糙度、充填物等集合特征的影響，使得孔內(nèi)漿液的運動情況發(fā)生不可預(yù)知變化，造成灌漿壓力變化；②設(shè)備流量特性和運行開度：調(diào)節(jié)閥是灌漿設(shè)備的重要組成部分，調(diào)節(jié)閥在運行時開度不同，其前后壓差也不同，進而引起灌漿壓力變化；③灌漿泵的脈動特性：灌漿泵在運行過程中，會造成壓力脈動，使流量突變，形成水擊現(xiàn)象，進而引起灌漿壓力的波動變化。

2.2 復(fù)合式(TS-FPID法)控制算法

通過建立灌漿管理系統(tǒng)平衡方程并求解，即可得到灌漿壓力波動的量化控制值，再通過信號轉(zhuǎn)變，將其反映在調(diào)節(jié)閥的開度當(dāng)中，可實現(xiàn)對壓力波動的控制，從而保持灌漿壓力的穩(wěn)定性。因此，作者提出復(fù)合式(基于T-S的模糊PID)控制算法，具有動態(tài)性、獨立性、穩(wěn)定性和適用范圍廣等一系列優(yōu)點，基本設(shè)計理論為：當(dāng)灌漿壓力偏大時，系統(tǒng)自動采用T-S模糊控制，加速辨識和提高灌漿響應(yīng)速度；當(dāng)灌漿壓力偏小時，自動切換到OID程序控制，以消除靜差、提高精度，TS-FPID法原理如圖2所示。

圖2 TS-FPID法原理示意圖

3 工程實例分析

3.1 工程概況

某電站位于云南瀾滄江，正常蓄水位812m，裝機容量5852MW。壩基處主要以花崗巖、花崗斑巖、石英脈、砂巖粉砂質(zhì)泥巖為主，構(gòu)造以節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面為主；壩基處的地下水位變幅較大，一般在8～2m，最大變幅達到17.26m。帷幕灌漿孔深入基巖約70m，孔距為2m，排距為1.5m，分3序。

3.2 灌漿壓力穩(wěn)定性分析

根據(jù)灌漿壓力綜合設(shè)計原則，最終確定各灌漿段的灌漿壓力取值，見表1。為了實時監(jiān)控灌漿時的壓力變化情況，保證灌漿過程中壓力的穩(wěn)定性，使用GPAC系統(tǒng)(一種以TS-FPID法的壓力控制系統(tǒng))對灌漿壓力進行全過程自動控制。以某一試驗孔第六段現(xiàn)場灌漿監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，得到了灌漿壓力設(shè)定值、實測值以及波動幅度比的關(guān)系，如圖3所示。從圖3中可以看到，在60min的灌漿過程里，不同的壓力設(shè)定值與實測壓力值相差不大，波動幅度均在2.5%內(nèi)，可見以TS-FPID控制算法的系統(tǒng)能夠使灌漿壓力精度大大提高，且均在5s之內(nèi)完成壓力的自我調(diào)整和控制，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工控制的最佳指標(biāo)，滿足了灌漿施工的現(xiàn)場要求，可顯著提高灌漿施工質(zhì)量。

表1 各灌漿段灌漿壓力取值

圖3 現(xiàn)場灌漿壓力設(shè)定與實測值對比

4 結(jié)論

首先對灌漿壓力與壩基巖體滲流性、變形性的關(guān)系進行了分析，提出了灌漿壓力的綜合設(shè)計原則；基于現(xiàn)場灌漿壓力很難控制這一問題，對灌漿壓力的波動原因進行了分析，并提出了相應(yīng)的復(fù)合式控制算法，在灌漿工程實踐中得以驗證，認(rèn)為其可以保證良好的精度和穩(wěn)定性。