灌浆控制技术在水利水电工程施工中的应用

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　　 摘要：控制好水利水电工程灌浆施工技术涉及的范围广泛，要想将灌浆过程的施工做好，就必须先将一系列的施工控制做好，并在施工过程中，采用科学、合理的参数和施工技术，以达到预期的灌浆施工目的。
　　关键词：水利水电工程；灌浆技术；施工技术；控制技术
　　Abstract: the control of water conservancy and electricity grouting technology involved in the construction of the range, to do the construction process of the grouting, we must first will be a series of construction control well, and in the process of construction, the scientific and reasonable parameters and construction technology, is expected to reach the grouting construction purpose.
　　Keywords: water conservancy and hydropower projects; Grouting technology; Construction technology; Control technology
　　
　　
　　中图分类号：TV文献标识码：A 文章编号：
　　
　　1引言
　　如何对灌浆施工技术质量进行有效地控制是水利水电工程建设时不得不考虑的问题。传统的控制模型往往从子结构的范畴去思考施工过程中所遇到的问题，以至不能协调解决计算精度与系统复杂程度之间的矛盾性问题。在施工过程中，由于工期短以及施工人员理论水平不高等局限性问题，往往需要一些简单并且比较实用的施工控制理论和方法。而灌浆系统结构的一些不确定因素，可能就会导致使分析结果的失真性问题的发生。
　　2水利水电工程灌浆施工技术及控制
　　2.1施工技术控制概念结构
　　(1)将灌浆工程看成包含几个子结构的、一个复杂的系统，灌浆施工控制理论即是在某种“最优化”意义下求解该系统的方法和策略的统称。它除了包含浆液的灌浆载体中渗流和相互作用规律的数学表述、模型化和最优化技术外，还补充了公理化、因果反馈和工程分析等内容。
　　(2)对整个系统的运筹采用最优性准则和工程分析相结合的方式，而对各个子系统则主要采用一般的浆液渗流理论和最优化方法处理。各子系统之间用耦合变量连接，并利用先松弛一个或更多最优化的必要条件以使其独立。全系统的最优控制不一定要求各子系统的全部最优化，子系统的最优解必须满足耦合方程：
　　Xi= ∑ Cij Yi, i=1,2,3,n
　　 （1）
　　Yi=Hi(Xi, Ui, Mi, ai)，i=1,2,3,n
　　式中Xi 为从其他子系统进入子系统 Ri 的输入向量； Yi为子系统 Ri的输出向量； Cij为耦合矩阵； Ui为系统输入向量 (非调控的 )U的子向量；Mi 为决策变量m的子向量； ai 为模型参数向量 a的子向量。
　　(3)在全系统运行最优化分析的基础上进行工程分析。它包括以下两个方面： ①将由最优化分析获得的施工控制策略和决策变量用工程的观点检查分析,以验证其技术的可能性。②考虑在系统运行一段时间后 ,即在灌浆过程中 ,系统状态将发生变化,从而系统的输出亦将改变,为此,将新的状态变量输入灌浆控制数学模型进行反馈分析和灵敏度分析 ,以判别系统的稳定性。
　　2.2灌浆质量子系统控制
　　灌浆质量子系统主要包括灌入能力、可塑性以及强度特性等。其控制目标因水利枢纽工程性质与设计施工要求而变。其控制方法：根据预定的控制目标进行浆材选择,并参照下述的灌浆定理预测和协调地质条件、浆材性质及施工技术工艺之间的关系,以及在坝基或混凝土坝体中的渗流场、温度场诸反应,使其达到最优选择。其灌浆定理概括如下：
　　(1)尺寸效应定理。对于渗透灌浆,浆材颗粒尺寸d必须小于被灌介质缝隙Dp或孔隙的尺寸R,即必须满足浆材对孔 (缝)隙的尺寸效应：
　　Dp
　　R= ＞1 （2）
　　d
　　为考虑群粒的堵塞作用的累加影响,式 (2)在被用于施工控制时,要求：
　　Dp
　　R= ≥3 （3）
　　d
　　注意，若为粒状浆液，其渗流状态除受尺寸效应控制外，同时也受下述流变效应控制。
　　(2)劈裂定向定理。采用劈裂灌浆方式进行灌浆时，劈裂现象必然会首先发生在载体中垂直最小主应力的平面上。
　　(3)劈裂判别定理。劈裂灌浆可以采用数值法和Q =f(P)曲线法来表示灌浆载体中发生水力劈裂的条件并判别其性质。
　　Q=f (P)曲线法——根据钻孔压水试验结果，按照图1中的曲线形式判别劈裂性质： P与Q呈直线关系，灌浆载体未发生水力劈裂，见图1(a)；流量随压力不可逆地增大，载体裂隙发生了冲刷或塑性变形，见图1(b)；流量的增大是可逆的，载体裂隙发生了弹性变形，见图1(c)。
　　
　　图1几种典型的压水试验曲线示意图
　　 (4)吸渗反应定理。化学浆液对低透介质的渗透主要不是压渗作用，而是由于浆液对载体的润湿能力和亲和力，即所谓吸渗作用。浆液对载体的润湿，以其接触角来表示，若接触角θ>90°，浆液是载体的润湿相，亲和力F>0，有吸渗作用；若θ<90°，则无吸渗作用，浆液必须藉外加压力才能迫其灌入。
　　2.3工程费用子系统控制
　　在这个系统中，用最优化分析解决问题，即在本系统的运筹中，施工控制策略要使灌浆的净效益最大，而灌浆和施工控制费用尽可能地小。笔者将后者视作是负效益。为了尽可能地减少这种负效益，必须在一定的自然规律和施工条件的约束下，按照最优化原则，结合工程分析考虑施工控制工艺和方法，对整个灌浆系统进行科学的管理注意，这里不提负效益最小，而只要求负效益尽可能减少。这是由于在灌浆工程情况下，最优解并不一定是理想的运用方法。
　　假定施工控制的目标为已知，那么，在最优运用的策略下满足施工控制要求，就会使负效益为最小。这个问题可具体表述为：
　　M=F(X)=min{∑Ci(Xi)} (4)
　　x∈x；i=1,2,……m并满足：设- r（xi）=0(5)
　　Xil≤Xi≤Xiu
　　约束条件： P＞P设t＞t设 。非负条件： xi＞0
　　中M为灌浆工程费用,即负效益,元； X为决策变量； Ci (xi )为负效益费用函数,其类型中的主要内容列于表1； xi 为决定负效益分量大小的决策变量； r设为浆液设计扩散半径, cm； r(xi )为浆液实际扩散半径cm； xi1, xiu为决策变量xi的上、下限； P, P设为施工实际灌浆压力及设计灌浆压力,MPa； t,设t为实际灌浆历时及设计灌浆历时,h。
　　2.4环境效应子系统控制
　　灌浆施工工程对环境效应的影响评价遵循国家对水利枢纽工程建设要求的长远的观点、时代的观点、生态学的观点、经济的观点和全流域的观点。特别需要强调的是灌浆工程对其总体目标——自然环境、人文社会环境等的需要以确立其价值,并以此为确定权值、评价值的重要依据。
　　环境效应子系统的评价因子为：气温、湿度风速、降水量、雾、水质、水温、地下水、水化学、污染带 (源)、施工中飘尘、有害气体、生活与生产污染物及水体污染、运输、爆破及施工机械噪声、施工及弃液、弃渣对景观破坏及灌浆全过程和建成后长期对人员健康与邻近建筑物安全的影响等。
　　(1)环境效应控制质量指标级别值的划分采用“质量指标级别值划分表”,见表1。
　　表 1质量指标级别值划分表
　　
　　
　　(2)环境效应影响程度级别值划分采用“影响程度级别值划分表 ”,见表3。
　　表 2影响程度级别值划分表
　　
　　
　　
　　 (3)质量指标与影响程度和时效的定量关系。设评价初始时间为0,评价的任一时间为 t,灌浆工程给环境效应的质量状态评分为E (t),未灌浆时用 E1（t)表示；灌浆时用E2 (t)表示。于是,环境质量变化为：
　　△E(t)=E(t)一E(0) (6)
　　在时间 t内,灌浆与不灌浆的环境质量变化则为：
　　△ER (t)=E2 (t)一 E1 (t) (7)
　　现在讨论绝对影响程度I(t)。
　　从生态环境受影响的时间动态看,在时间[0, t]内,灌浆工程对生态环境的最大影响程度是使其质量达到最理想或最恶劣,即E(t)=10或E(t)=0。因而D (t)=10- E (0)为有利 (正面)影响的限度值； C(t)=0-E (0)= -E (0)为不利(负面)影响的限度值。也就是说,若△E (t)=D(t),表明极端有利 (正面)影响；若△E (t)=D(t)表明极端不利 (负面)影响 若△E(t)=0则无影响。
　　影响时效在这里系指灌浆工程对环境质量变化的过程和经历时间的长短,以及影响随时间的积累作用 ,它定义为灌浆工程对环境质量变化的时间积分 ,其单位为“质量年 ”。
　　3结束语
　　总之，灌浆施工过程是一个复杂的系统工程，灌浆质量的好坏直接影响水利水电工程的成败。鉴于灌浆施工技术种类较多，应根据工程的实际情况选取具体的参数、控制手段和施工技术，保证水利水电工程的整体施工质量。
　　
　　
　　参考文献：
　　［1］ 水利水电工程施工技术(第2版). 中国水利水电出版社.2010-3
　　［2］ 最新水利水电灌浆工程施工工艺与技术标准实用手册.安徽文化音像出版社.2004
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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