水電工程水泥灌漿智能控制方法與系統(tǒng)

樊啟祥，黃燦新，蔣小春，王克祥，黃 偉，楊 寧

（1. 中國三峽建設(shè)管理有限公司，北京 100038；2. 成都中大華瑞科技有限公司，四川 成都 610093）

1 研究背景

水泥灌漿是水利水電工程基礎(chǔ)加固和防滲處理的重要措施，穩(wěn)定可靠的灌漿工藝質(zhì)量事關(guān)工程全生命期運行安全［1-2］。作為隱蔽工程的基礎(chǔ)灌漿一直是水利水電工程領(lǐng)域質(zhì)量管理的核心與焦點。為提升灌漿質(zhì)量控制水平，國內(nèi)外學(xué)者和工程師們一直在探索更加先進的灌漿技術(shù)。

水電灌漿技術(shù)從人與機的相互作用角度，主要可分兩個階段：（1）第一個階段，主要依賴人的控制。早期的水電工程灌漿作業(yè)全過程靠人工控制、人工記錄。到20 世紀(jì)七八十年代，國外開始采用灌漿自動記錄儀對灌漿密度、流量等參數(shù)進行記錄，1980年代末，我國開始引進國外灌漿記錄儀，例如瑞典的Craelius 和VOPL、瑞士的Hany、法國的Lutz 等記錄儀，之后中國水電基礎(chǔ)局與天津大學(xué)成功研制出我國第一臺灌漿自動記錄裝置并通過技術(shù)鑒定［3］。而后，GJY 型灌漿記錄儀的成功研發(fā)標(biāo)志著灌漿記錄自動化的真正開始［4］，如Taylor 等［5］提出一種輕便、可靠、低能耗、使用標(biāo)準(zhǔn)軟件的簡易商用灌漿監(jiān)測系統(tǒng)；Choquet 等［6］將注漿性能參數(shù)的自動監(jiān)測與巖土工程監(jiān)測相結(jié)合，降低復(fù)雜注漿工程的風(fēng)險。近10年來，數(shù)字灌漿技術(shù)取得了長足進展，如Bruce［7］研發(fā)了灌漿工程中數(shù)字系統(tǒng)，具有實時性、真實性、快速性等優(yōu)點，同時可生成數(shù)字地形模型；閆福根等［8］研發(fā)應(yīng)用的基于B/S 結(jié)構(gòu)的三維交互式灌漿可視化系統(tǒng)；樊啟祥等［9］研發(fā)了數(shù)字灌漿技術(shù)，通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)灌漿記錄儀在線監(jiān)控和灌漿數(shù)據(jù)自動傳輸，成果在線分析及建設(shè)各方實時共享。以上技術(shù)進步體現(xiàn)在灌漿參數(shù)的記錄方式與灌漿成果的通訊傳輸方式上，但灌漿工藝過程中的配漿、變漿、壓力控制及灌漿工藝等仍然由人工手動操作，主要存在以下問題：配漿變漿精度低、響應(yīng)慢，壓力流量控制響應(yīng)慢、易超壓，升壓、變漿等過程缺少時程控制，灌漿數(shù)據(jù)傳輸及灌漿成果易受干擾，灌漿特殊情況判定和處理依賴個人經(jīng)驗，灌漿數(shù)據(jù)的全面性不足，灌漿設(shè)備及管線布置凌亂等。（2）第二個階段，灌漿工藝過程通過機器智能控制。此階段關(guān)鍵是針對第一階段人工灌漿手動調(diào)控的不足。為消除人工灌漿質(zhì)量控制風(fēng)險，降低灌漿人力資源成本，消除過程作業(yè)的不確定性與不可靠性，將灌漿工藝及過程控制技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)、智能化技術(shù)緊密結(jié)合，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+灌漿工程”，實現(xiàn)配漿自動化、壓力-流量-變漿-抬動智能控制及灌漿工藝過程質(zhì)量控制的智能化。此階段開創(chuàng)性的工作是三峽集團在烏東德和白鶴灘水電工程水泥灌漿工藝過程智能控制的創(chuàng)新實踐，這項稱為智能灌漿的創(chuàng)新是在溪洛渡300 m 級高拱壩建設(shè)數(shù)字灌漿的基礎(chǔ)上，遵循“全面感知、真實分析、實時控制”的閉環(huán)智能控制理論，對灌漿現(xiàn)場過程監(jiān)控方法及系統(tǒng)［10］、工程施工智能控制成套技術(shù)與建設(shè)項目智能化管理［11］等進行了研究。王超等［12］提出了PLC 灌漿壓力及灌漿關(guān)鍵參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

本文首先提出適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件的水泥灌漿三區(qū)五階段智能控制方法及系統(tǒng)，實現(xiàn)一鍵式水泥灌漿閉環(huán)智能控制，然后介紹水泥灌漿智能控制系統(tǒng)在烏東德特高拱壩中的應(yīng)用效果。

2 水泥灌漿智能控制模型iGCM 與實時控制方法

2.1 水泥灌漿智能控制模型iGCM《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5148-2017）［13］明確人工控制在不超過最大壓力和最大流量條件下可采用分級升壓或一次升壓。灌漿強度值GIN（Grouting Intensity Number）法按P（灌漿壓力）×V（累計注入漿量）為恒定值控制，升壓時程和壓力與流量過程控制關(guān)系尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［14-15］。圖1為水電工程基礎(chǔ)處理水泥灌漿智能控制模型iGCM（Intelligent Grouting Control Model），核心概念是把單位時間內(nèi)作用于一個灌漿段上的實時灌漿能量，即灌漿壓力P 與單位注入率Q 的乘積（單位：MPa·L/min），作為灌漿過程的控制指標(biāo)，可概括為水泥灌漿三區(qū)、五段、壓力-流量-密度-時間（P-Q-C-t）實時聯(lián)動智能控制。相比于傳統(tǒng)的灌漿控制理論，iGCM 理論的升壓時程、壓力與流量過程控制關(guān)系更加明確，避免了漿液的浪費與長時間的低壓灌漿。

圖1 水泥灌漿三區(qū)五段智能控制模型iGCM

iGCM 中的PQ 是包含上限值PQmax臨和下限值PQmin臨的區(qū)間控制范圍， PQmax臨為避免出現(xiàn)有害巖體破壞或漿液擴散太遠造成漿液浪費臨界值，PQmin臨為避免灌漿不充分或長時間低壓灌漿臨界值，這個區(qū)間稱為穩(wěn)定灌漿范圍。灌漿施工中，可根據(jù)灌漿生產(chǎn)性試驗確定PQmin臨、PQmax臨，也可以根據(jù)灌漿生產(chǎn)性試驗確定的設(shè)計灌漿壓力Pd，結(jié)合地質(zhì)勘探孔、物探孔或先導(dǎo)孔等資料根據(jù)經(jīng)驗選擇α= PQmin臨/Pd、β= PQmax臨/Pd。通過PQmin臨、PQmax臨，最大允許注入率Qmax及設(shè)計壓力Pd，將iGCM 分為3 個區(qū)間（圖1）。Ⅰ區(qū)為快速升壓區(qū)，即灌漿開始應(yīng)盡快升壓至PQ 控制范圍，避免小注入率長時間低壓灌漿；Ⅱ區(qū)為穩(wěn)定灌漿區(qū)，壓力升至PQmax臨后開始穩(wěn)壓，至PQ 下降到PQmin臨再次升壓，在PQ 控制范圍內(nèi)達到灌漿結(jié)束條件；Ⅲ區(qū)為灌漿風(fēng)險區(qū)，該區(qū)易發(fā)生巖體抬動造成結(jié)構(gòu)破壞，或超灌漿液造成浪費。

iGCM 中的五段是注入率大的地層下從初始灌漿到屏漿的連續(xù)完整過程。根據(jù)壓力-流量-密度的調(diào)節(jié)規(guī)律，將從大吸漿量灌漿到穩(wěn)定灌漿，直至屏漿的全過程，劃分為A-B-C-D-E 五個階段（圖1），分別對應(yīng)著不同地層的灌漿特性。（1）A 階段為無壓無回、大注入率階段；（2）B 階段為最大注入率控制階段，如圖1中直線A、B 的交點分別為P1（最小管路壓力）、Qmax，AB 段根據(jù)最大允許注入率Qmax確定，根據(jù)經(jīng)驗一般取30 L/min；（3）C 階段以PQmax臨和PQmin臨的穩(wěn)定灌漿范圍進行區(qū)間控制；（4）D 階段為設(shè)計壓力下的小注入率灌漿階段；（5）E 階段為屏漿結(jié)束階段，直線DE 根據(jù)灌漿設(shè)計壓力Pd確定。實際灌漿過程將從模型的原點（P=0、Q=0、C=C0，C0為開灌水灰比）出發(fā)，根據(jù)地層吸漿情況，經(jīng)過不同階段，最終收斂到E 區(qū)（P=Pd、Q＜1、C=Cn，Cn為終灌水灰比）。在明確灌漿設(shè)計參數(shù)，如設(shè)計壓力、開灌水灰比、變漿標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)束條件的基礎(chǔ)上，建立P-Q-C-t 聯(lián)動實時控制方法，實現(xiàn)了灌漿路徑的智能尋優(yōu)和灌漿工藝的智能控制。

2.2 P-Q-C-t 聯(lián)動實時控制方法灌漿控制模型中，A、B、C、D、E 五段采用不同的P-Q-C-t 聯(lián)動控制方法，如表1。例如，C 段對應(yīng)的灌漿特征為穩(wěn)定灌漿階段，P-Q-C-t 聯(lián)動控制方法為按P-Q控制升壓，壓力升至PQmax臨，穩(wěn)壓至流量降低到PQmin臨，再升壓至PQmax臨，直至達到灌漿結(jié)束條件。某一比級下，當(dāng)PQ 值不變，注入量達300 L 或連續(xù)灌注30 min 則變漿。實踐中，先按PQ 值（αPd～βPd）控制升壓過程（式1）及變漿過程（式2）。當(dāng)PQ 值改變不顯著，且某級漿液注入率達300 L或連續(xù)灌注30 min，就變濃一級水灰比。變漿過程可根據(jù)質(zhì)量守恒定律，計算變漿所需原漿量Vo和清水量Vw，通過閥門啟閉時間并考慮閥門關(guān)閉延遲時間來控制加水和加漿量，管道內(nèi)原漿流量Qo，清水流量Qw。

式中：K 為升壓速率，一般取1 MPa/min；P 為設(shè)定壓力，MPa；t 為時間，min；Vo、Vw分別為變漿所需原漿量和清水量，L；Qo、Qw分別為變漿時管道內(nèi)加原漿和加清水流量，L/min。

表1 灌漿模型中P-Q-C-t 聯(lián)動實時控制方法

在已有工程實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場試驗，烏東德及白鶴灘水電工程實踐中把PQ 上限值設(shè)為12Pd、下限值設(shè)為8Pd，最大注入率按30 L/min 控制。iGCM 模型和P-Q-C-t 聯(lián)動實時控制方法是對中國水泥灌漿技術(shù)和經(jīng)驗的系統(tǒng)總結(jié)與提升，是對夏可風(fēng)灌漿功率法的發(fā)展［16］，是對灌漿工藝全過程各參數(shù)的定量實時控制，為水泥灌漿智能控制的實現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

2.3 正常灌漿與特殊情況灌漿一體化常態(tài)化控制針對水電工程復(fù)雜地質(zhì)條件下水泥灌漿中經(jīng)常出現(xiàn)的涌水、抬動、劈裂、注入率陡降、失水回濃和大注入量等特殊情況，結(jié)合特殊情況灌漿工藝流程標(biāo)準(zhǔn)化和灌漿工藝狀態(tài)自動切換方法，形成了正常灌漿和特殊情況灌漿一體化的智能灌漿工藝控制流程（圖2），通過對灌漿壓力、單位注入率、漿液密度、漿液溫度、巖體抬動以及灌漿歷時的聯(lián)動管理，明確了正常灌漿工藝和不同特殊情況處理的轉(zhuǎn)換變量及執(zhí)行優(yōu)先級別。在正常灌漿過程中，通過對P-Q-C-t 聯(lián)動智能控制，實現(xiàn)正常灌漿的全過程自動處理。通過監(jiān)測灌漿參數(shù)是否超出閾值，實時判別灌漿狀況，自動確定特殊情況種類，并根據(jù)相應(yīng)閾值及優(yōu)先級，按對應(yīng)的特殊情況進行自動處理，執(zhí)行相應(yīng)的處理流程，實現(xiàn)了特殊情況灌漿的一體化、常態(tài)化。優(yōu)先級順序為涌水→抬動→劈裂→注入率陡降→失水回濃→大注入量。同時，考慮灌漿施工過程的復(fù)雜性，智能灌漿也擬定了智能處理、人工干預(yù)、停機保護的三級響應(yīng)策略。

圖2 正常灌漿和特殊情況灌漿處理工藝流程

水電工程水泥灌漿作業(yè)為隱蔽工程，水文地質(zhì)條件一般較為復(fù)雜，按裂隙寬度或滲流通道大小可分為5 類（T1，T2，T3，T4 和T5）。不同類型地質(zhì)條件下，在達到灌漿結(jié)束條件前，灌漿歷程是不同的（表2）。對于不同注入率的地層，表2中5 類灌漿歷程對應(yīng)著不同地質(zhì)條件的巖體吸漿情況。根據(jù)灌漿中實時監(jiān)測的P、Q、C 值，結(jié)合判定閾值自動選擇與地質(zhì)條件相適應(yīng)的灌漿控制歷程（ABCDE，BCDE、CDE、DE 或E），或根據(jù)地質(zhì)勘探孔或先導(dǎo)孔、物探孔，確定巖體透水率，再行選擇與地質(zhì)條件相適應(yīng)的灌漿控制歷程（ABCDE，BCDE、CDE、DE 或E），從而適應(yīng)各種復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境下水泥灌漿的施工需要。

表2 5 類地層灌漿歷程

3 水泥灌漿智能控制系統(tǒng)與工藝流程

圖3 水泥灌漿智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

水泥灌漿智能控制系統(tǒng)研發(fā)基于“全面感知、真實分析、實時控制”的閉環(huán)控制理論，利用工程現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過本文提出的iGCM 模型及P-Q-C-t 實時聯(lián)動控制方法，對灌漿工藝過程進行智能分析和控制，確保水泥灌漿的可靠性、穩(wěn)定性和真實性，確保灌漿質(zhì)量。水泥灌漿智能控制系統(tǒng)架構(gòu)及功能模塊如圖3，系統(tǒng)由智能灌漿單元機iGC（Intelligent Grouting Cell）及智能灌漿管理云平臺iGM（Intelligent Grouting Management）兩部分組成，具有自動化、集成化、智能化及可操作性強等特點。

3.1 智能灌漿單元機iGCiGC 實質(zhì)上是集成式的智能灌漿系統(tǒng)成套設(shè)備［17］，由控制柜（配漿變漿控制、壓力控制）、傳感器柜（壓力計、流量計、高壓閥門）、數(shù)據(jù)處理中心（工藝控制系統(tǒng)、灌漿數(shù)據(jù)記錄、通信傳輸系統(tǒng)）、一體式配漿桶（壓差式密度計、溫度計、進漿閥及進水閥）等4 部分獨立組成。集合感知、分析和控制等各功能于一體，將灌漿工藝智能控制系統(tǒng)、壓力自動控制系統(tǒng)、自動配漿系統(tǒng)和灌漿數(shù)據(jù)處理中心集中在一個平臺，實現(xiàn)智能控制。智能灌漿單元機有集成式（圖4）和分體式（圖5）［18］。考慮灌漿施工復(fù)雜性，智能灌漿單元機擬定了智能、人工、停機三種響應(yīng)策略，具有“智能模式”和“手動模式”，以應(yīng)對復(fù)雜灌漿環(huán)境。智能模式一鍵啟動，實現(xiàn)裂隙沖洗、壓水、配漿、變漿、灌漿和封孔等全過程智能控制。手動模式人工轉(zhuǎn)動壓力閥門控制壓力，人工控制加水、加漿，自動記錄灌漿參數(shù)。

圖4 集成式智能灌漿單元機iGC 的系統(tǒng)組成

圖5 智能灌漿單元機2.0 版分體式

圖6 iGM 與相關(guān)管理系統(tǒng)的關(guān)系

iGC 系統(tǒng)在自動配漿變漿方面，研制的單層配漿桶集漿液參數(shù)感知、自動排污于一體。通過配漿桶和回漿桶的雙密度計壓差法，解決了漿液密度測量不精確、灌漿孔吸漿量對配漿擾動以及加水、加漿延時導(dǎo)致配漿不準(zhǔn)等問題，實現(xiàn)了30 ～200 L 補漿量的動態(tài)調(diào)控，減少了棄漿。基于“無級配漿實現(xiàn)方法”和“小體積動態(tài)配漿方法”等，開發(fā)了無級動態(tài)配漿算法，在回漿管路增設(shè)密度計測量返漿密度，解決了最小可測液位下棄漿量大的難題。

3.2 智能灌漿管理云平臺iGM依托構(gòu)建的水電工程復(fù)雜環(huán)境下的通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實時管理灌漿單元機的運行狀態(tài)，通過灌漿參數(shù)、灌漿成果、灌漿進度、灌漿設(shè)備、計量、數(shù)據(jù)通訊等專業(yè)管理模塊，自動采集施工鉆孔、沖洗、壓水、灌漿和封孔全過程數(shù)據(jù)，在線分析灌漿成果數(shù)據(jù)，自動生成工序驗收報表，進行特殊情況自動預(yù)報警。iGM 與相關(guān)管理系統(tǒng)的關(guān)系及功能模塊如圖6，主要包含桌面端云平臺iGM 和智能灌漿移動端APP。iGM 應(yīng)用API 技術(shù)可將iGM 內(nèi)數(shù)據(jù)實時交互至其它的水電管理系統(tǒng)，如三峽集團的TGPMS 和iDam2.0 系統(tǒng)，實現(xiàn)灌漿設(shè)計成果集成、灌漿質(zhì)量管理、灌漿進度和費用的協(xié)同管理及灌漿施工全過程分析的可視化管理。

iGM 的桌面系統(tǒng)采用boot Strap + SpringMVC + Spring + Mybatis 技術(shù)進行框架設(shè)計，集灌漿全過程參數(shù)在線采集、過程監(jiān)控預(yù)警與分析反饋評價為一體。桌面系統(tǒng)實時遠程監(jiān)控灌漿設(shè)備運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常情況自動報警預(yù)警，實現(xiàn)灌漿施工全過程數(shù)字化管理，促進灌漿數(shù)據(jù)在參建各方及時流轉(zhuǎn)，指導(dǎo)灌漿施工，提升灌漿過程管理和成果統(tǒng)計效率，保證灌漿質(zhì)量。iGM 的移動APP 與iGM 共同應(yīng)用一套用戶與權(quán)限管理體系，通過接口調(diào)用智能灌漿管理系統(tǒng)相關(guān)模塊數(shù)據(jù)，用于灌漿施工過程信息監(jiān)控和異常情況錄入、灌漿過程數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、灌漿設(shè)備調(diào)撥維護在線查詢、灌漿成果防偽查詢、設(shè)備位置和軌跡在線查詢等，實現(xiàn)灌漿現(xiàn)場業(yè)務(wù)便捷化、移動化、扁平化管理。

圖7 正常灌漿裂隙沖洗、壓水、灌漿和封孔智能控制算法流程

3.3 灌漿工藝智能控制流程及預(yù)警控制按照水電工程水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范，智能灌漿工藝智能控制方法和系統(tǒng)可以適用于除灌漿孔鉆孔作業(yè)之外的水泥灌漿施工作業(yè)的裂隙沖洗、壓水試驗（單點法、簡易壓水）、灌漿和封孔4 工序，以及配漿、管占、升壓、穩(wěn)壓、屏漿和管路清洗6 過程；實時監(jiān)測灌漿壓力、灌漿注入率、漿液密度、地層抬動、漿液溫度及灌漿歷時6 個參數(shù)，開發(fā)了正常灌漿裂隙沖洗、壓水、灌漿和封孔的智能控制算法（圖7）。

iGC 能夠?qū)酀{過程中的特殊情況，如抬動、劈裂進行識別、預(yù)警、報警并采取相應(yīng)的措施。例如，應(yīng)對抬動的工作過程為：（1）通過分析灌漿過程中抬動儀數(shù)據(jù)，根據(jù)累計抬動量的大小將抬動分為抬動預(yù)警和抬動報警兩種情況并進行相應(yīng)處理：（2）抬動預(yù)警發(fā)生時系統(tǒng)進行泄壓觀察，若泄壓后抬動情況有所緩解，可繼續(xù)按原設(shè)計壓力升壓灌漿；（3）抬動報警發(fā)生時立即泄壓觀察，若抬動情況有所緩解可繼續(xù)以0.8Pd升壓灌漿至正常結(jié)束，繼續(xù)灌漿期間若再次抬動報警立即結(jié)束灌漿。iGC 通過分析流量和壓力的流壓比關(guān)系，可以準(zhǔn)確判別地層劈裂情況，并根據(jù)系統(tǒng)選項采取相應(yīng)措施進行處理，若系統(tǒng)設(shè)定不自動處理劈裂僅報表標(biāo)記，此時出現(xiàn)劈裂情況，不做其他處理；若系統(tǒng)設(shè)定自動處理劈裂，系統(tǒng)將執(zhí)行泄壓觀察后繼續(xù)升壓灌漿，若劈裂再次發(fā)生立即停機結(jié)束灌漿。

4 應(yīng)用效果評價

2015年3月—2017年7月，智能灌漿系統(tǒng)在烏東德工程開展了8 次現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗，針對不同的現(xiàn)場工況，完善了系統(tǒng)的硬件和軟件。自2017年1月起，系統(tǒng)開始在烏東德工程全面應(yīng)用，完成大壩固結(jié)灌漿超過4.0 萬m，最大壓力達2.5 MPa；大壩和地下廠房完成帷幕灌漿約3000 m，最大壓力6 MPa。2017年10月，系統(tǒng)在白鶴灘工程全面推廣使用，完成大壩固結(jié)灌漿約5000 m，最大壓力達3.0 MPa；完成地下廠房帷幕灌漿約8000 m，最大壓力6.0 MPa。到2018年8月，系統(tǒng)已經(jīng)全面應(yīng)用于烏東德、白鶴灘固結(jié)灌漿和帷幕灌漿中，共投入設(shè)備57 套，完成固結(jié)灌漿7.6 萬m（Pmax=3.0 MPa）、帷幕灌漿3.3 萬m（Pmax=6.0 MPa），質(zhì)量合格率100%。

烏東德工程右岸高程850 m 廊道帷幕灌漿施工中，智能灌漿的實時過程線與人工灌漿過程線的對比見圖8，其中，圖8（a）（b）為人工灌漿的過程曲線，壓力的波動較大；圖8（c）（d）為智能灌漿過程曲線，壓力過程及PQ 聯(lián)動控制過程平穩(wěn)。智能灌漿與人工調(diào)壓相比，6 MPa 高壓灌漿，壓力控制誤差≤5 %；壓力振幅小于設(shè)計值20%，響應(yīng)時間＜1s，調(diào)節(jié)時間＜5s，且能杜絕超壓。

圖8 智能灌漿實時過程線與人工灌漿過程線對比

同時該系統(tǒng)顯著降低灌漿施工綜合成本。以烏東德工程為例，2018年3月—7月，水泥灌漿智能控制與人工灌漿棄漿量的對比分析見表3。結(jié)果顯示，用水量降低20%，水泥損耗量降低15%，用工減少20%。

表3 烏東德水泥灌漿智能控制與人工灌漿棄漿量對比分析（2018.3.16—7.25）

與人工配漿相比，iGC 在密度測量方面，提出了密度計零點、滿度自率定方法，核心為在配漿桶內(nèi)設(shè)微壓差密度測量傳感器，排空桶內(nèi)液體進行零點率定，充水進行滿度率定，提高工效精度由3%提高到1.5%。在流量測量方面，提出了小注入率下流量計自率定新方法，解決小注入率下流量計誤差導(dǎo)致提前屏漿或長時間不能屏漿的情況，核心為當(dāng)注入率小于3 L/min 時，監(jiān)測配漿桶漿液下降量，對流量計進行率定。研發(fā)了方便拆裝的流量測量裝置，優(yōu)化流量計結(jié)構(gòu)并縮短測量管長度，將法蘭連接變成高壓管螺紋連接，清理時間縮短50%，體積和重量減小60%。高壓專用電動閥門方面，提出了高可靠性閥門控制方法，核心為建立閥門參數(shù)模型，用軟件法辨識閥門位置，解決了接觸式閥門測量傳感器受環(huán)境影響的問題，成本節(jié)省30 ，使用壽命提高300%，易損件更換時間縮短50%。抬動監(jiān)測方面，用防水防塵高精度激光測距儀在線實時監(jiān)測抬動值，量程擴大3 倍，精度提高50%，穩(wěn)定性提高3 倍。灌漿泵功率22 000 W，智能單元機設(shè)備功率增加170 W，功率增加0.87%。系統(tǒng)實現(xiàn)了灌漿行業(yè)智能化、陽光化作業(yè)，提升了灌漿技術(shù)、設(shè)備和管理水平，有效保證了灌漿質(zhì)量，為工程全生命期安全提供了基本保障。

水泥灌漿智能控制系統(tǒng)的先進性體現(xiàn)在壓力控制系統(tǒng)可實現(xiàn)無人操作、精準(zhǔn)控壓，自動配漿系統(tǒng)可實現(xiàn)動態(tài)配漿、快速變漿，工藝控制系統(tǒng)可實現(xiàn)一鍵啟動、灌至結(jié)束、無人操作、專人值守。灌漿基層作業(yè)人員評價，智能灌漿單元機大大減輕了工作量、配漿調(diào)壓高效精準(zhǔn)、安全性高、改善了作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié)論

本文面向復(fù)雜水文地質(zhì)條件下水泥灌漿核心工藝過程控制，創(chuàng)建了智能灌漿三區(qū)五段控制模型iGCM 及P-Q-C-t 實時聯(lián)動控制方法，構(gòu)建了水電工程水泥灌漿智能控制技術(shù)體系，通過灌漿壓力P、注入率Q、漿液密度C、巖體抬動值ΔH、漿液溫度T 及灌漿歷時t 的實時聯(lián)動智能控制，實現(xiàn)了水泥灌漿一體化智能識別和控制。

以iGCM，P-Q-C-t 控制方法及正常灌漿與特殊情況灌漿一體化、常態(tài)化控制算法為基礎(chǔ)，研發(fā)了在線智能水泥灌漿信息采集、分析、控制的成套設(shè)備，實現(xiàn)了水泥灌漿工藝一鍵式閉環(huán)智能控制和灌漿設(shè)計、灌漿質(zhì)量、計量結(jié)算、物資核銷的協(xié)同管理；形成了正常灌漿和特殊情況灌漿一體化的智能灌漿工藝控制流程，達到水泥灌漿“四工序、六過程、五類地層”的全工藝過程智能控制。

通過在烏東德、白鶴灘兩個工程的全面應(yīng)用，智能灌漿系統(tǒng)保證了灌漿工藝過程控制和灌漿作業(yè)的可靠性和穩(wěn)定性，提高了精度，有效確保了灌漿工程質(zhì)量，同時大大降低了水泥材料損耗率，減少了廢水廢漿排放量，節(jié)省了人工物力，推動了灌漿施工智能化，提升了灌漿技術(shù)、設(shè)備和管理水平，為水利水電基礎(chǔ)處理工程節(jié)能降耗減排，改善水泥灌漿工程現(xiàn)場文明施工形象面貌，創(chuàng)建“綠色工程”提供了有利的技術(shù)支撐，推廣和應(yīng)用價值巨大。

智能灌漿是灌漿技術(shù)與現(xiàn)代通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)的深度融合，是水電工程灌漿行業(yè)的革命性變革。下一階段智能灌漿發(fā)展方向是實現(xiàn)從制漿到灌漿的一體化智能控制，做到按需制漿，提高漿液質(zhì)量，減少漿液損失；在現(xiàn)有智能灌漿單元機的基礎(chǔ)上，進行灌漿泵的智能化設(shè)計和聯(lián)合管理；實現(xiàn)地質(zhì)勘探和先導(dǎo)孔鉆探及灌漿孔施工過程中水文地質(zhì)情況的在線實測耦合，建立相應(yīng)分析模型，優(yōu)化水泥灌漿工藝流程，智能調(diào)整灌漿工藝，以增強基礎(chǔ)灌漿處理的針對性、有效性和經(jīng)濟性，進一步推動水泥灌漿行業(yè)向全面智能化方向發(fā)展。