水利水電工程灌漿施工技術控制過程的探討

謝 盛

(江西省水利水電建設有限公司， 江西 南昌 330025)

水利水電工程灌漿施工技術控制過程的探討

謝 盛

(江西省水利水電建設有限公司， 江西 南昌 330025)

隨著水利水電工程施工技術的不斷進步，人們對基礎灌漿施工及技術控制等方面的要求也日益增強，更加注重多項指標參數的技術性分析及其與灌漿技術的互相適應性。本文結合水利水電工程灌漿施工技術的運用現狀，從灌漿質量子系統控制、工程費用子系統控制及環境效應子系統控制等方面出發對水利水電工程灌漿施工技術控制過程進行相關探討。

水利水電工程； 灌漿技術； 施工； 控制過程

1 灌漿施工控制概述

水利水電工程基礎灌漿施工技術是全面化、綜合化技術的運用，在灌漿施工過程中既要考慮技術的整體性運用，又要結合地基的硬度、穩定性及抗滲性等實際情況，嚴格按照施工程序，實現工程既定目標。傳統的水利水電工程灌漿施工控制理論(模型)只是從子結構范疇進行考慮，并未充分考慮系統因子，所以無法解決計算精度與系統復雜程度之間的矛盾，而由于水利水電工程施工條件的限制，其施工過程要求灌漿施工控制理論與方法的最簡化，即灌漿施工控制理論與技術的復雜性并不等同于精確性。

為了解決計算精度與系統復雜程度之間的矛盾，必須將灌漿工程視為若干子結構所構成的復雜系統，而灌漿施工控制理論則是求解該復雜系統所采用的方法與策略的統稱，其既包括漿液在灌漿載體中滲流等作用規律的理論表達、模型化及優化技術，又包括因果反饋與工程分析等環節?？傊仨毑捎米顑灮瓌t與工程分析相結合的方法進行整個系統的控制，而對于各子系統則可以采用漿液滲流理論及方法加以處理，整個灌漿系統的最優控制要求各子系統的最優解必須滿足以下耦合方程：

式中Xi——進入Ri子系統的輸入向量；Yi——退出Ri子系統的輸出向量；Cij——耦合矩陣；U——非調控的系統輸入向量；Mi——決策變量m的子向量；ai——模型參數向量a的子向量。

將灌漿系統最優化運行的分析與工程實際結合起來，將系統分析中所獲得的最佳施工控制策略相關理論從工程的角度加以驗證，并考慮模型運行中系統將發生的變化，并將新的變量重新輸入灌漿系統模型進行反饋分析與驗證并判別系統的穩定性。

2 灌漿質量子系統控制

灌漿質量子系統控制分為灌入能力、可塑性及強度特性等因素的控制，首先根據控制目標選擇漿材，并結合灌漿定理預測可能的地質條件、漿材屬性及施工工藝，而后在壩基或混凝土壩體等的滲流場進行反復試驗，以求實現最優選擇。灌漿定理主要包括尺寸效應定理、劈裂定向定理、劈裂判別定理和吸滲反應定理等。

2.1 尺寸效應定理

在滲透灌漿的情況下，漿材顆粒尺寸(d)應小于接受灌漿的介質縫隙(Df)或孔隙尺寸R，這便是漿材對孔隙的尺寸效應[1]。公式表示為

如果考慮群粒堵塞作用對灌漿縫隙(或孔隙)的累加影響，則上式也可以取等號。在粒狀漿液情況下，其滲流形態既受到上述尺寸效應影響，同時也受到以下流變效應的綜合影響。

2.2 劈裂判別定理

通常采用數值法或曲線法進行灌漿載體性質的判別，并推求灌漿載體發生水力劈裂的條件。其中數值法的原理是分析鉆孔水壓試驗結果，可能出現三種情況：流量與水頭呈線性關系，則裂隙中的水表現為層流狀態，灌漿載體不會出現水力劈裂；流量與水頭呈二次方根函數關系，則裂隙中的水表現為紊流狀態，灌漿載體的裂隙由于發生了阻塞而被壓密；流量與水頭呈正向變動關系且流量增長更快，則由于填充物增加而使裂隙變形進而導致滲流斷面逐漸擴大。

曲線法的原理是根據鉆孔水壓試驗結果，并通過繪制Q=f(P)曲線，判別劈裂的性質[2]。如下圖所示，當P與Q呈線性關系，則灌漿載體未發生水力劈裂[圖(a)]，而隨著壓力的增大，流量的增加引起灌漿載體裂隙的塑性變形[圖(b)]，若流量增大是可逆的，則這種變形可能是彈性變形[圖(c)]。

灌漿施工水壓試驗曲線示意圖

3 工程費用子系統控制

在工程費用子系統中，必須實現灌漿凈效益最大化及灌漿與施工控制費用的最小化，即在一定的施工約束條件下，充分考慮工程施工控制工藝與方法的運用，并對全部灌漿系統進行科學管理、運籌帷幄，盡可能減少水利水電工程灌漿施工的負效益，實現最優解。

假設灌漿施工控制目標已知，要想實現最優策略下負效益最小化，則必須實行施工最優化控制，具體用公式表示如下：

i=1,2,…,m

并滿足：

rs-r(xi)=0

約束條件：

P>Ps

非負條件

xi>0

式中M——灌漿施工費用，即工程負效益，元；X——決策變量；Ci(xi)——負效益費用函數，其可能的情況參見表1；

xi——影響負效益的決策變量；

r——漿液設計擴散半徑，cm；

r(xi)——漿液實際擴散半徑，cm；

P、Ps——實際施工灌漿壓力與設計灌漿壓力，MPa。

表1 負效應費用函數情況

4 環境效應子系統控制

環境效應評價因子主要包括氣溫、風速、溫濕度、降水量、地下水、水化學、有害氣體、污染源、廢渣、廢液等，這些評價因子除了會對灌漿全過程產生不利影響外，還會對人類生命健康及環境等帶來不利影響。關于環境效應控制質量指標體系詳見表2。

表2 環境質量指標級別值劃分

為了計算質量指標與影響程度之間的定量關系，需要建立變量方程。令初始時間為0，評價時間為t，灌漿施工的環境效應質量狀態評分為E(t)，未灌漿時間為E1(t)，灌漿時間為E2(t)，則灌漿施工所引起的環境質量變化用下式表示：

ΔE(t)=E(t)-E(0)

在時間t內，灌漿與未灌漿所引起的環境質量變化程度為

ΔER(t)=E2(t)-E1(t)

從時間動態角度，在時間[0，t]內，灌漿施工對生態環境所可能帶來的最大影響程度是使其質量最理想或最惡劣，即E(t)=10或E(t)= 0，所以D(t)=10-E(0)是正面影響(最有利影響)的限度值，而C(t)=0-E(0)=-E(0)是負面影響(最不利)的限度值，則絕對影響程度I(t)可以表示為

或

相對影響程度R(t)為

或

影響時效IT(t)為

假設灌漿施工對環境質量變化過程影響歷時的長短及隨時間變化的積累作用為影響時效，則其為灌漿施工過程對環境質量變化的時間積分值，單位為質量·年。

5 結 論

綜上所述，水利水電工程灌漿施工過程控制作為一個復雜的控制系統涉及到方方面面的工作，為了加強灌漿過程施工控制，必須從灌漿質量子系統控制、工程費用子系統控制及環境效應子系統控制等方面出發，選擇恰當的參數、控制手段及方法，切實保證灌漿施工工程各個環節的可控，提高水利水電工程灌漿施工工作效率。

[1] 董煒,周升舟.水利水電工程灌漿施工技術[J].價值工程,2010(4):237-238.

[2] 王昆華.水利水電工程灌漿施工技術的探討[J].建材與裝飾,2012(6):66-68.

Discussion on the control process of water conservancy and hydropower project grouting construction technology

XIE Sheng

(Jiangxi Water and Hydropower Construction Co., Ltd., Nanchang 330025, China)

People’s requirements on foundation grouting construction, technical control, etc. are also growing along with the constant progress of water conservancy and hydropower project construction technology. Technical analysis on many indicator parameters and its mutual adaptability to grouting technology are more focused. In the paper, the application status of grouting construction technology in water conservancy and hydropower projects are combined. The control process of water conservancy and hydropower project grouting construction technology are discussed from the aspects of grouting quality subsystem control, engineering cost subsystem control and environment effect subsystem control, etc.

water conservancy and hydropower projet; grouting technology; construction; control process

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.001

TV543

B

1005-4774(2017)08- 0001- 03