三參數(shù)灌漿自動記錄儀在水利工程中的應(yīng)用

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行直觀的檢查，常常要借助于對施工過程參數(shù)的分析來評定。因此，灌漿工程中常常要求對施工過程參數(shù)進行檢測，并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)繪制大量的圖表以便工程技術(shù)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(shè)計要求進行，也要實時檢測和控制灌漿過程中的主要參數(shù)(流量、壓力、水灰比等)。因此，灌漿施工過程參數(shù)的及時、準確測量是保證灌漿質(zhì)量的前提條件。傳統(tǒng)的人工檢測和讀數(shù)已無法滿足高效、高質(zhì)量的灌漿要求。國家已規(guī)定:大、中型水利工程必須采用灌漿數(shù)據(jù)自動記錄儀，用以保證灌漿質(zhì)量。

國內(nèi)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(chǔ)工程局科學(xué)研究所與天津大學(xué)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(tǒng)，中南大學(xué)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(shù)鑒定，隨后產(chǎn)品不斷改進，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。實踐證明該種灌漿自動記錄儀具有優(yōu)良的可靠性、合理的性價比和良好的技術(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(jù)有關(guān)規(guī)范和設(shè)計文件的要求，需進行現(xiàn)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(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層位巖溶強烈發(fā)育，在該層位中溶洞、地下暗河等均有發(fā)育。在庫首左岸，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)灌漿自動記錄儀

2.1 自動記錄儀的組成和性能

LJ-4型三參數(shù)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(jiān)測，具有以下特點:

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(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(shù)，并具有關(guān)鍵參數(shù)超限聲光報警功能。是國內(nèi)唯一實現(xiàn)三參數(shù)、大循環(huán)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(shè)置參數(shù)、工作狀態(tài)參數(shù)和中間處理結(jié)果(如累計灌漿量、累計水泥量、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)存在機外數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(guī)范規(guī)定的大部分圖表。從而大大簡化和規(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、監(jiān)理對灌漿工程的科學(xué)管理，對確保灌漿工程質(zhì)量有著極其重要的意義。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

1)測量范圍和精度:

a.流量。

測量范圍:大/小循環(huán):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(yōu)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(yōu)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(yōu)于0.5%。

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

3)主機重量:約15 kg。

3 應(yīng)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(yīng)用情況

LJ-4型灌漿自動記錄儀在設(shè)計時充分考慮了儀器主要應(yīng)用于水利施工工程，所以具有獨特的適應(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說，該設(shè)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(yīng)用情況

在對各施工單位的技術(shù)服務(wù)中發(fā)現(xiàn):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(guī)范規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，工作基本無故障。但由于施工現(xiàn)場的惡劣工作環(huán)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(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。針對這種情況，通過現(xiàn)場培訓(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(xiàn)有灌漿規(guī)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(xiàn)有灌漿規(guī)范是在兼顧手記和自記儀的情況下制定的，故使用自動記錄儀后，可根據(jù)工地實際情況適當(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(nèi)部直通光滑、直接進行電測量，響應(yīng)速度快、檢測部無運動部件，不會發(fā)生滴漏現(xiàn)象、計量精度高、內(nèi)襯可采用聚四氟乙烯塑料和氧化鋁陶瓷，具有很強的抗腐蝕性等優(yōu)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(jù)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(jīng)過電極表面存在一個摩擦過程，由此會產(chǎn)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(zhuǎn)換器無法有效地處理如此的干擾，輕者導(dǎo)致測量值不穩(wěn)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(fù)運動的驅(qū)使而產(chǎn)生的，經(jīng)連續(xù)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(fù)運動特性及調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)，使得灌漿壓力在灌漿通道內(nèi)呈脈動傳遞，LJ-4型灌漿壓水測控系統(tǒng)中，壓力參數(shù)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(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)、超壓性能等十分優(yōu)越，有效克服了這種脈動干擾。

3)密度:密度參數(shù)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(zhì)的影響，需要從泵、裝置位置等地方進行改進，經(jīng)過改進，避免壓力和流速的波動，從而保證一個穩(wěn)定的測量環(huán)境，進而保證密度的測量精度。

4 結(jié)語

灌漿記錄儀的使用是灌漿技術(shù)的一大進步。目前國內(nèi)灌漿工程的檢測技術(shù)已達到了較高的水平。但與其他行業(yè)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(huán)境差。同時，灌漿受操作人員技術(shù)水平與施工經(jīng)驗等人為因素的影響，質(zhì)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(shù)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(fā)揮的巨大作用和顯現(xiàn)的優(yōu)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(yīng)用領(lǐng)域。

2)施工操作人員必需經(jīng)過培訓(xùn)，嚴格按操作規(guī)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(huán)境對記錄儀的影響。

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