楊房溝水電站智能灌漿控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

肖 鏵， 宋 崔 蓉， 水 小 寧

(1.中國(guó)水利水電第七工程局成都水電建設(shè)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(tǒng)經(jīng)歷了從上世紀(jì)初50年代的人工記錄對(duì)灌漿施工的簡(jiǎn)單應(yīng)用后，過(guò)渡到上世紀(jì)80年末引進(jìn)國(guó)外的灌漿記錄儀，再到中國(guó)水電基礎(chǔ)局與天津大學(xué)成功研制的我國(guó)第一臺(tái)灌漿自動(dòng)記錄儀并通過(guò)技術(shù)鑒定[1]，逐步實(shí)現(xiàn)了灌漿數(shù)據(jù)的采集和可視化管理[2]。近年來(lái)智能灌漿蓬勃發(fā)展，方興未艾，正是基于李曉超[3]提出的基礎(chǔ)處理體系事前、事中、事后的智能控制理論并經(jīng)過(guò)不斷摸索實(shí)踐，形成了當(dāng)前智能灌漿發(fā)展格局。

伴隨著新基建政策的加持，5G技術(shù)、人工智能和大數(shù)據(jù)建設(shè)等新技術(shù)與傳統(tǒng)灌漿的融合發(fā)展已成為未來(lái)發(fā)展的主要方向。我國(guó)知名灌漿專家夏可風(fēng)曾指出；實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)灌漿技術(shù)升級(jí)的內(nèi)涵是灌漿工藝精細(xì)化、灌漿數(shù)據(jù)信息化[4]。然而，傳統(tǒng)的灌漿技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)灌漿質(zhì)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(dòng)化水平階段。為此，迫切需要對(duì)智能灌漿控制系統(tǒng)開展有針對(duì)性的研究。筆者以楊房溝工程為例，對(duì)智能灌漿控制系統(tǒng)開展的研究進(jìn)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(nèi)的雅礱江中游河段上，是雅礱江中游河段一庫(kù)七級(jí)開發(fā)中的第六級(jí)。楊房溝水電站的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站總裝機(jī)容量為1 500 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為375 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)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(duì)兩岸壩肩巖體質(zhì)量要求較高。鑒于左、右岸壩肩巖體內(nèi)小斷層及節(jié)理裂隙較發(fā)育，且因其承載力、變形模量和抗?jié)B特性直接關(guān)系到大壩的安全，因此對(duì)其進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理。固結(jié)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(shè)置了16條橫縫、17個(gè)壩段。楊房溝水電站固結(jié)灌漿量達(dá)13萬(wàn)m，帷幕灌漿16萬(wàn)m，回填灌漿7萬(wàn)m2，接縫灌漿34 155m2。

楊房溝水電站作為國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)EPC水電項(xiàng)目，其廠壩基礎(chǔ)灌漿均由總承包部基礎(chǔ)工區(qū)實(shí)施，良好的外部氛圍為多點(diǎn)多面多類型智能灌漿施工創(chuàng)造了條件。

2 智能灌漿控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為使楊房溝水電站智能灌漿控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在統(tǒng)籌設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)技術(shù)上重點(diǎn)考慮了以下兩個(gè)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(tǒng)技術(shù)的瓶頸，常因高壓螺桿磨損無(wú)法頂著高壓閥而誘發(fā)壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致壓力控制波動(dòng)而采用人工操作電磁閥代替自動(dòng)控制，因此，對(duì)于灌漿壓力的控制是從控制方法和閥門材質(zhì)展開設(shè)計(jì)研究。(2)輸漿精準(zhǔn)調(diào)度。傳統(tǒng)輸漿調(diào)度中，漿液指令的傳達(dá)與接收仍通過(guò)電鈴、對(duì)講機(jī)和電話方式聯(lián)系。目前，楊房溝水電站已基本實(shí)現(xiàn)輸漿的自動(dòng)分配，但其與依靠制-輸-配智能管理系統(tǒng)計(jì)算漿液需求、按需輸漿以達(dá)到減少漿液浪費(fèi)的計(jì)劃仍存在不小的差距。因此，輸漿精準(zhǔn)調(diào)度設(shè)計(jì)是其很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1 智能灌漿控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)

智能灌漿控制系統(tǒng)主要由地質(zhì)編錄與灌漿反饋系統(tǒng)、智能灌漿控制系統(tǒng)組成，亦涵蓋了故障診斷專家反饋系統(tǒng)、專家智庫(kù)系統(tǒng)，涉及算法、信息、機(jī)械等專業(yè)，具有專業(yè)性強(qiáng)和多專業(yè)強(qiáng)耦合的特征。

地質(zhì)編錄與灌漿反饋系統(tǒng)[5]利用社會(huì)通信系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)大環(huán)境傳輸媒質(zhì)，小環(huán)境采用LoRa建立作業(yè)空間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，選擇二維碼技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)格式作為數(shù)據(jù)采集方式，通過(guò)鉆孔地質(zhì)資料采集端(地質(zhì)構(gòu)造、圍巖類別及級(jí)別)、巖體聲波值和彈性模量采集端、透水率采集端、灌漿規(guī)范或設(shè)計(jì)要求控制值采集端及其它灌漿孔的基本參數(shù)采集端獲得相關(guān)數(shù)據(jù),將鉆孔地質(zhì)資料編錄數(shù)據(jù)、巖體聲波值數(shù)據(jù)、透水率數(shù)據(jù)、灌漿規(guī)范或設(shè)計(jì)要求控制值數(shù)據(jù)及其它灌漿孔的基本參數(shù)數(shù)據(jù)編錄至地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)地質(zhì)與施工多維信息系統(tǒng)中的信息處理中心進(jìn)行線性回歸及多元統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行分析，建立各類地質(zhì)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(zhì)構(gòu)造、圍巖類別之間的函數(shù)關(guān)系，模擬形成各類地質(zhì)特征空間分布關(guān)系的三維空間圖，推測(cè)各部位的地質(zhì)情況，有針對(duì)性的尋求錨固張拉及基礎(chǔ)灌漿最優(yōu)且具有個(gè)性控制的相關(guān)控制參數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化張拉和灌漿控制過(guò)程。

智能灌漿控制系統(tǒng)由集成化制漿設(shè)備與智能灌漿單元共同構(gòu)成，其中制漿與灌漿之間輸漿指令的傳達(dá)主要由自動(dòng)輸漿技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而臥式散裝水泥罐集成自動(dòng)制漿裝置[6]是將雙軸逆向制漿機(jī)、臥式灰罐、輸漿泵、輸料機(jī)等設(shè)備整合在一起，并將各部件上的稱重計(jì)量傳感器和操作平臺(tái)組合在一塊，通過(guò)PLC編程控制實(shí)現(xiàn)人機(jī)一體化。智能灌漿系統(tǒng)主要由儲(chǔ)漿桶至配漿桶濃漿供給功能、自動(dòng)配漿功能、控制端(包括數(shù)據(jù)采集、記錄、分析、控制輸出)、智能調(diào)壓裝置、密度檢測(cè)裝置組成。

智能灌漿控制系統(tǒng)灌漿作業(yè)前(事前)，運(yùn)用地質(zhì)編錄與灌漿反饋系統(tǒng)為施工作業(yè)提供技術(shù)支撐，利用深度學(xué)習(xí)算法以及線性回歸及多元統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行分析，建立起單位注灰量與透水率、聲波值、巖芯三率、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖類別之間的函數(shù)關(guān)系，推演施工部位的地質(zhì)情況、模擬優(yōu)化施工參數(shù)和施工過(guò)程；灌漿作業(yè)時(shí)(事中)，運(yùn)用PAD手持終端一鍵啟動(dòng)智能灌漿控制系統(tǒng)，制漿-輸漿-配漿-灌漿全流程信息數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、各環(huán)節(jié)參數(shù)智能控制、過(guò)程中特殊工況處理自動(dòng)啟用故障診斷專家反饋系統(tǒng)、三維矩陣仿生智能學(xué)習(xí)算法對(duì)其進(jìn)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(yè)后(事后)，地質(zhì)編錄與灌漿反饋系統(tǒng)實(shí)施數(shù)據(jù)歸集管理，并對(duì)該范圍的灌漿成果進(jìn)行分析總結(jié)，形成各類數(shù)據(jù)成果報(bào)表。同時(shí)，可按照參建各方要求，根據(jù)前期施工資料，利用數(shù)字孿生技術(shù)、BIM展現(xiàn)還原施工過(guò)程，對(duì)異常情況進(jìn)行模擬分析。

2.2 智能灌漿控制系統(tǒng)拓展功能的設(shè)計(jì)

(1)PQ五線多階導(dǎo)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(shí)時(shí)控制方法，運(yùn)用能量守恒定律，將單位時(shí)間內(nèi)作用于一個(gè)灌漿段上的實(shí)時(shí)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(guò)程的控制指標(biāo)，計(jì)算出能量上限值PQmax值和PQmin值的區(qū)間控制范圍，將智能控制模型劃分為三個(gè)區(qū)間；同時(shí)，將灌漿伊始到屏漿全過(guò)程按壓力-流量-密度調(diào)節(jié)規(guī)律劃分為五個(gè)階段，根據(jù)灌漿特征采取聯(lián)動(dòng)控制方法，即水泥灌漿三區(qū)五段智能控制方法。

PQ五線多階導(dǎo)智能仿生控制方法根據(jù)流量(Q)與壓力(P)的關(guān)系，通過(guò)半量化方式將灌漿壓力進(jìn)行分階段控制，為灌漿過(guò)程中的壓力控制提供了理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)操作依據(jù)，使灌漿過(guò)程中的壓力更符合預(yù)期。

PQ五線多階導(dǎo)智能控制仿生算法(圖1)主要用于對(duì)壓力進(jìn)行即時(shí)調(diào)整控制，使灌漿過(guò)程中的壓力與預(yù)期值盡量一致并滿足施工要求。

圖1 PQ五線多階導(dǎo)曲線圖

壓力調(diào)節(jié)在灌漿系統(tǒng)中具有非常重要的作用。當(dāng)孔內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定壓力值時(shí)，需要調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，以達(dá)到穩(wěn)定壓力的目的。調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可變的節(jié)流元件，根據(jù)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(diào)節(jié)閥的壓力損失；ξQ為調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)；ω為流體的平均速度；ρ為流體密度；P1,P2為調(diào)節(jié)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(jiǎn)稱流量，單位L/min；F為調(diào)節(jié)閥流通截面積。

聯(lián)立式(1)、(2)，可以得到調(diào)節(jié)閥流量方程：

(3)

式中A為與各個(gè)參數(shù)選擇量綱有關(guān)的常量。

根據(jù)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(guān)系。

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

在現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)如何在灌漿過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整缺乏明確的指導(dǎo)方法。PQ五線多階導(dǎo)智能控制仿生算法中，在一個(gè)灌漿段全部灌漿過(guò)程中保持GIN是一常數(shù)值。在一個(gè)灌漿段內(nèi)，能量的消耗近似等于灌漿壓力P和單位段長(zhǎng)累計(jì)注入量V的乘積，即P×V為常數(shù)值，在時(shí)間通常為一個(gè)固定值的情況下，可以將灌漿強(qiáng)度值直接轉(zhuǎn)化為灌漿壓力P與注入量Q的一個(gè)關(guān)系，定義為常數(shù)δ，該常數(shù)值只與工程定義下的GIN值和灌漿時(shí)間有關(guān)。

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(shù)規(guī)范》(DL/T 5148-2017)明確人工控制在不超過(guò)最大壓力和最大流量條件下可采用分級(jí)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(gè)允許的壓力最大值Pmax和流量最大值Qmax，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置第一減小量ΔA和第二減小量ΔB，根據(jù)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(shí)，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(shè)置四個(gè)壓力點(diǎn)P1-P4和對(duì)應(yīng)的流量點(diǎn)Q1-Q4。

Q3=(1-ΔB)Qmax

Q4=Qmax；

P3=(1-ΔA)Pmax

P4=Pmax

將灌漿的階段根據(jù)壓力大小分為5個(gè)階段:A、B、C、D、E。如圖1所示，針對(duì)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(shí)，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(jù)公式(4)和壓力變化對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)流量。

實(shí)際操作中，如果持續(xù)15 min或累計(jì)注入量達(dá)到300 L后，若壓力仍然無(wú)明顯變化，可以執(zhí)行變漿操作。

B段：P1≤P≤P2。

此時(shí)，壓力P較小，一般P≤0.3 MPa。

采用持續(xù)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(shè)立最大值，如Q≤30 L/min。持續(xù)15 min或累計(jì)注入量達(dá)到300 L，若壓力無(wú)明顯變化則執(zhí)行變漿操作。

C段：P2≤P≤P3。

此時(shí)為穩(wěn)定灌漿階段，壓力穩(wěn)定，流量穩(wěn)定。

采用PQ控制，注入率穩(wěn)定，當(dāng)注入量增大時(shí)，灌漿壓力會(huì)逐漸上升，待壓力升到P3時(shí)，控制灌漿壓力穩(wěn)定在P3附近使注入率Q持續(xù)減小到Q≤5 L/min。

D段：P3≤P≤Pmax。

壓力接近設(shè)計(jì)壓力Pmax，穩(wěn)定壓力P，逐步調(diào)節(jié)使流體體積流量Q≤3 L/min。

E段：P=Pmax

壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力Pmax，穩(wěn)定壓力P，使流體體積流量Q≤1 L/min，持續(xù)30 min后灌漿結(jié)束。

PQ五線多階段智能控制仿生算法通過(guò)半量化方式分區(qū)域?qū)酀{壓力實(shí)施調(diào)節(jié)，為灌漿過(guò)程中的壓力控制提供了理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)操作手段，提高了灌漿過(guò)程的可控性并使實(shí)際完成得到的灌漿壓力控制更容易符合預(yù)期。

(2)輸漿精準(zhǔn)調(diào)度。肖鏵[8]指出：在制漿系統(tǒng)工況機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸漿的目的。在楊房溝水電站，劉貴軍等人研究的自動(dòng)輸漿及沖洗技術(shù)，利用分漿電磁閥實(shí)現(xiàn)了上述功能，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖洗輸漿管路的功能，減輕了施工強(qiáng)度。輸漿精準(zhǔn)調(diào)度系統(tǒng)可利用流壓關(guān)系分析下一時(shí)間段的漿液需求，以達(dá)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(jìn)行說(shuō)明：6 min制漿1 000 L，將制好的濃漿送入濃漿儲(chǔ)漿桶中，實(shí)時(shí)測(cè)量濃漿桶中的實(shí)時(shí)重量Vn，該濃漿可以通過(guò)8個(gè)可開關(guān)的閥門送漿至1到8#配漿系統(tǒng)。

從制漿系統(tǒng)到各灌漿站配漿系統(tǒng)存在不同的距離和不同的輸送時(shí)間，通過(guò)制漿系統(tǒng)可獲取輸漿實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)；

假設(shè)各灌漿站配漿系統(tǒng)每個(gè)時(shí)刻的稀漿重量為Vx，i0≤i≤8。

各灌漿站配漿系統(tǒng)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(guò)關(guān)系式計(jì)算出：

濃漿變稀漿的水和濃漿的比例為：

同時(shí),可以認(rèn)為各灌漿站配漿系統(tǒng)中的水是絕對(duì)滿足需求的(通俗的說(shuō)就是不停水)，在上述前提下各灌漿站配漿系統(tǒng)能夠制漿Vx,i(t)×(Px,i(t)+1)/(Pn+1)。假如配漿系統(tǒng)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(tǒng)配置稀漿需要200 L/3 min，再放入稀漿儲(chǔ)漿桶。鑒于灌漿的變漿條件為從稀漿到濃漿，剛開灌時(shí)，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(shè)該孔稀漿用量大)，因此確定以6 min時(shí)間作為預(yù)判時(shí)間。根據(jù)不同水灰比和灌漿壓力，均以6 min為預(yù)判時(shí)間，決定是否再繼續(xù)配置稀漿，還是濃漿。

公式中t為時(shí)段編號(hào)，每時(shí)段為6 min；i為稀漿站編號(hào)；j為稀漿種類編號(hào)。

模型：

Zt∈{0,1}

Zt+1(若第t時(shí)段關(guān)機(jī)且濃漿有剩余，則t+1時(shí)段不能開機(jī)，一定要先用完剩余的濃漿或?qū)⑵錀壍?。

最后，采用二階段魯棒優(yōu)化算法，根據(jù)各個(gè)時(shí)刻稀漿的需求量制漿后再送漿，可以實(shí)現(xiàn)漿液需求提前預(yù)判、供需精準(zhǔn)的目的。

3 智能灌漿控制系統(tǒng)具有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

(1)促進(jìn)灌漿工程質(zhì)量提升。智能灌漿控制系統(tǒng)的成功研究，可實(shí)現(xiàn)隱蔽工程可視化、質(zhì)量控制追溯清晰化、規(guī)范施工服務(wù)流程、降低不良質(zhì)量成本、提高一次性報(bào)檢合格率，提升項(xiàng)目劃分優(yōu)良率、增強(qiáng)參建各方滿意度的目的，為建設(shè)精品工程、樣板工程提供了保障。

(2)提升灌漿工程的技術(shù)水平。智能灌漿控制系統(tǒng)的成功研究，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，將自動(dòng)化施工提升至智能化施工，勢(shì)必顛覆傳統(tǒng)的人工操作灌漿作業(yè)，促進(jìn)灌漿技術(shù)整體水平的提升。

(3)提高灌漿施工的安全性。通過(guò)智能灌漿控制系統(tǒng),可以切實(shí)有效地提高制漿、輸漿、灌漿安全施工水平。利用地質(zhì)與施工多維信息系統(tǒng)搜集相關(guān)信息，模擬實(shí)現(xiàn)不同地層條件下的灌漿最優(yōu)施工參數(shù)，為后續(xù)安全施工提供保障。

(4)促進(jìn)節(jié)能低碳技術(shù)的應(yīng)用與推廣。智能灌漿控制系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)制-輸-配-灌(漿)漿的智能化控制、按需精準(zhǔn)供輸漿以及可視化的生產(chǎn)運(yùn)行管理，充分發(fā)揮灌漿集成的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)節(jié)能低碳技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

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