帷幕灌漿壓力變化內在原因及其穩定性控制方法探討

甘俊祥

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330025)

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

不同地質環境下的灌漿方案是有所區別的，選擇合適的灌漿壓力、孔深以及水灰比等均關系到灌漿施工質量的好壞[5- 6]，因此需要對灌漿方案進行綜合的審核和評估，以達到經濟合理、安全可靠的目的[7]。其中，灌漿壓力的反饋和調節是關系到灌漿質量的重要一環，當前，許多帷幕灌漿工程仍然采用人工調節的方式，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分析，有利于對灌漿壓力的穩定性控制[8- 11]。

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

1 灌漿壓力的綜合設計原則

1.1 灌漿壓力與巖體滲流擴散性、變形性關系

水泥基漿液在壓力作用下會沿著巖體裂隙通道進行流動，并呈現兩相流動狀態。流動規律和分布狀態受裂隙自身和過流面的物理力學特性、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雜的。由于不同的地質構造條件會導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使用的灌漿壓力。

一般而言，當巖體在鉆孔徑向壓力作用下會承受相應的劈拉應力，當大于自身抗拉強度時，就會形成水利劈裂效應；有壓水泥漿體在巖體裂隙中流動時，會使巖壁受到壓縮應力而發生原始裂隙的進一步擴大，形成擴縫效應；當施加的灌漿壓力適當時，會明顯改善周圍巖體的致密性，形成壓力擠密效應。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—裂隙內靜水壓力大小,MPa；P1—灌漿孔內壓力值,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—壓應力損失量，MPa；P—壓力表上顯示的壓力值，MPa。

在實際工程設計中，主要通過3種方法確定灌漿壓力：經驗值計算法、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，達不到預期灌漿防滲效果。

因此，灌漿壓力應該遵循以下綜合設計原則：①詳細分析壩基地質結構和灌漿地層的構造，借鑒經驗公式和法則，對取值范圍進行初步的規劃(經驗選取)；②根據壩型、壩高和防滲目標，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，根據灌漿壓力、注入量、密度、抬動情況合理調整壓力值，保證灌漿安全、經濟、穩定和高效(適時調整)，如圖1所示。

圖1 帷幕灌漿的綜合設計原則

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

通過灌漿壓力總結設計原則，在一定程度上解決了灌漿壓力目標值，但在實際灌漿工程中，對于灌漿壓力的穩定性控制才是最為關鍵的，由于各種原因造成了灌漿壓力波動性較大，穩定差，對灌漿施工安全和質量構成一定影響。根據工程經驗和相關研究人員研究結果，作者認為造成灌漿壓力波動的內在原因主要包括：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，使得孔內漿液的運動情況發生不可預知變化，造成灌漿壓力變化；②設備流量特性和運行開度：調節閥是灌漿設備的重要組成部分，調節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，形成水擊現象，進而引起灌漿壓力的波動變化。

2.2 復合式(TS-FPID法)控制算法

通過建立灌漿管理系統平衡方程并求解，即可得到灌漿壓力波動的量化控制值，再通過信號轉變，將其反映在調節閥的開度當中，可實現對壓力波動的控制，從而保持灌漿壓力的穩定性。因此，作者提出復合式(基于T-S的模糊PID)控制算法，具有動態性、獨立性、穩定性和適用范圍廣等一系列優點，基本設計理論為：當灌漿壓力偏大時，系統自動采用T-S模糊控制，加速辨識和提高灌漿響應速度；當灌漿壓力偏小時，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、砂巖粉砂質泥巖為主，構造以節理、斷層等結構面為主；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 灌漿壓力穩定性分析

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

表1 各灌漿段灌漿壓力取值

圖3 現場灌漿壓力設定與實測值對比

4 結論

首先對灌漿壓力與壩基巖體滲流性、變形性的關系進行了分析，提出了灌漿壓力的綜合設計原則；基于現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，并提出了相應的復合式控制算法，在灌漿工程實踐中得以驗證，認為其可以保證良好的精度和穩定性。