巖石壩基灌漿壓力波動(dòng)機(jī)理及其穩(wěn)定性自動(dòng)控制方法研究.pdf

1、當(dāng)前我國(guó)進(jìn)入了水利水電工程大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，作為大壩基礎(chǔ)施工主要加固手段的灌漿技術(shù)得到了大范圍的推廣運(yùn)用。由于建壩高度的不斷升級(jí)，灌漿加固壩基巖體以形成抗?jié)B透能力強(qiáng)、耐久性好的基礎(chǔ)防滲帷幕變得尤為關(guān)鍵。灌漿工程因是隱蔽工程，其施工質(zhì)量和灌漿效果難以進(jìn)行直觀檢測(cè)，必須要借助于對(duì)灌漿施工參數(shù)的分析來(lái)評(píng)定。由于受到壓力波動(dòng)、漿液流變特性和巖體裂隙幾何結(jié)構(gòu)特征等諸多因素的影響，灌漿質(zhì)量檢測(cè)和控制的自動(dòng)化程度不高。尤其灌漿壓力的反饋控制仍

2、然采取人工調(diào)節(jié)以致其控制精度和控制響應(yīng)時(shí)間無(wú)法滿足工程實(shí)際的需要，且容易因操作失誤致使灌漿壓力超限而造成巖體張拉破壞、地層抬動(dòng)變形，引起工程安全事故。
　　基于以上情況，本文采取理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，通過(guò)總結(jié)和歸納漿液在大壩基巖裂隙中的滲流特性來(lái)了解灌漿控制機(jī)理;通過(guò)分析和總結(jié)巖體變形效應(yīng)及灌漿壓力的計(jì)算方法來(lái)提出灌漿壓力的綜合設(shè)計(jì)原則;基于對(duì)灌漿壓力波動(dòng)機(jī)理的探討、灌漿管路流體力學(xué)數(shù)學(xué)建模和自動(dòng)控制分析，設(shè)計(jì)研發(fā)了灌漿壓力自動(dòng)

3、控制系統(tǒng)(GPAC系統(tǒng));通過(guò)室內(nèi)模擬灌漿試驗(yàn)和糯扎渡水電站壩基帷幕灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行控制性能的驗(yàn)證和灌漿效果評(píng)價(jià)，以改進(jìn)和完善系統(tǒng)。論文的研究工作主要包括以下內(nèi)容:
　　(1)討論和總結(jié)灌漿壓力的組成及其經(jīng)驗(yàn)取值法、壩基帷幕灌漿壓力的逆推計(jì)算法和灌漿試驗(yàn)確定最大灌漿壓力法（包括常規(guī)壓水試驗(yàn)和水力階撐試驗(yàn)）;根據(jù)灌漿壓力過(guò)大引起的水力劈裂效應(yīng)、擴(kuò)縫效應(yīng)和壓力擠密效應(yīng)，詳細(xì)分析這些巖體變形效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理及有利、可控的巖體變形發(fā)

4、生時(shí)相應(yīng)灌漿壓力的計(jì)算方法。綜合上述，提出了灌漿壓力的綜合設(shè)計(jì)原則與確定方法。
　　(2)從灌漿管路系統(tǒng)的流量壓降關(guān)系和漿液的流變特性出發(fā)，探討了管路系統(tǒng)中灌漿壓力的波動(dòng)機(jī)理，認(rèn)為:灌漿孔內(nèi)地層的阻尼特性、調(diào)節(jié)閥的流量特性和運(yùn)行開(kāi)度以及灌漿泵的脈動(dòng)特性是造成循環(huán)式灌漿管路系統(tǒng)內(nèi)灌漿壓力波動(dòng)變化的主要影響因素。根據(jù)灌漿管路漿液一維流動(dòng)模型的流量壓降關(guān)系建立了管路系統(tǒng)的靜態(tài)平衡控制方程組;根據(jù)可壓縮流體的非定常流動(dòng)，對(duì)灌漿管道中的瞬變

5、流動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)瞬變分析，建立其基本微分方程，運(yùn)用特征線法進(jìn)行網(wǎng)格劃分和有限差分，根據(jù)邊界條件，用Newton-Raphson算法求其數(shù)值解，用一系列代表灌漿管道、管路設(shè)備、灌漿孔和調(diào)節(jié)閥的非線性代數(shù)方程組來(lái)簡(jiǎn)化和描述整個(gè)灌漿管路，并研究管路中基本組成部件的阻尼系數(shù)的計(jì)算方法，從而得出灌漿壓力穩(wěn)定性控制的量化計(jì)算控制量，進(jìn)而提出灌漿管路中灌漿壓力穩(wěn)定性的流體力學(xué)模型，為編制灌漿壓力穩(wěn)定性計(jì)算軟件提供了數(shù)學(xué)模型和控制參數(shù)。
　　(3)根

6、據(jù)常規(guī)PID控制和模糊控制的算法原理與控制器設(shè)計(jì)，分析和論述各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性。根據(jù)灌漿壓力波動(dòng)的特點(diǎn)、自動(dòng)控制的精度要求和反應(yīng)時(shí)間要求，將常規(guī)PID控制和模糊控制結(jié)合起來(lái)使用，提出具有參數(shù)自整定和控制規(guī)則自適應(yīng)特點(diǎn)的復(fù)合式控制算法即基于T-S模型的模糊PID控制算法(TS-FPID算法)。
　　(4)從軟件界面、基本功能和硬件組成等方面詳細(xì)介紹基于TS-FPID控制算法和灌漿管路系統(tǒng)流體力學(xué)模型的灌漿壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)(GPAC系

7、統(tǒng))。GPAC系統(tǒng)上層軟件采用SIEMENS WINCC V7和STEP7軟件開(kāi)發(fā)，控制系統(tǒng)底層采用SIEMENS S7-400系列可編程序控制器，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS DP協(xié)議。
　　(5)根據(jù)實(shí)際灌漿工況布設(shè)灌漿管路進(jìn)行室內(nèi)模擬灌漿試驗(yàn)，包括:灌漿泵脈動(dòng)特性試驗(yàn)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥阻尼系數(shù)試驗(yàn)、灌漿壓力自動(dòng)控制試驗(yàn)等。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)灌漿壓力在0～5MPa內(nèi)變化時(shí)，GPAC系統(tǒng)可在5～6s響應(yīng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制，并將控制精

8、度保持在壓力設(shè)定值的5％以內(nèi)，穩(wěn)定性良好，達(dá)到了壓力波動(dòng)幅度的設(shè)計(jì)控制目標(biāo)。在糯扎渡水電站壩基帷幕灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，運(yùn)用GPAC系統(tǒng)對(duì)灌漿壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋控制?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)的灌漿效果顯著，巖體裂隙和滲水通道被漿液充分填塞，巖體力學(xué)性能得到很大改善，巖層整體性更好，試驗(yàn)區(qū)防滲性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的防滲標(biāo)準(zhǔn)。GPAC系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)時(shí)間短、穩(wěn)定性好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于人工控制，具有良好的工程經(jīng)濟(jì)性和安全性，可以在其他工程實(shí)踐中推廣