三参数灌浆自动记录仪在水利工程中的应用

谢斌 隆威

(中南大学地球科学与信息物理工程学院，湖南长沙 410083)

0 引言

灌浆工艺是处理水电工程基础存在地质结构缺陷的一种常用手段。由于灌浆工程是隐蔽工程，其施工质量和灌浆效果难以进行直观的检查，常常要借助于对施工过程参数的分析来评定。因此，灌浆工程中常常要求对施工过程参数进行检测，并根据检测数据绘制大量的图表以便工程技术人员进行分析，资料整理工作非常繁琐。同时，为了保证灌浆施工严格按照设计要求进行，也要实时检测和控制灌浆过程中的主要参数(流量、压力、水灰比等)。因此，灌浆施工过程参数的及时、准确测量是保证灌浆质量的前提条件。传统的人工检测和读数已无法满足高效、高质量的灌浆要求。国家已规定:大、中型水利工程必须采用灌浆数据自动记录仪，用以保证灌浆质量。

国内灌浆记录研制自动记录仪始于20世纪90年代初，由中国水利水电基础工程局科学研究所与天津大学电力及自动化工程系，研制出J系列智能灌浆记录仪和多路灌浆检测系统，中南大学从1994年开始进行自动记录仪的研制。1997年研制出了GY-I型自动记录仪，并通过了技术鉴定，随后产品不断改进，形成了GY系列及其后续的LJ系列产品。曾先后在湖南省江娅水电站坝基帷幕灌浆施工、三峡永久船闸南岸帷幕灌浆、引子渡电站、清江高坝洲、水布娅电站等工程中应用。实践证明该种灌浆自动记录仪具有优良的可靠性、合理的性价比和良好的技术服务。在黔中水利枢纽一期工程左岸帷幕灌浆中就采用了LJ-4型灌浆压水测控系统。

1 工程概况及地质条件

黔中水利枢纽一期工程由水源工程、输配水一期工程组成。防渗帷幕采用“坝基及两岸近坝段+左岸远端”的方案。左岸帷幕灌浆工程地质条件复杂，大坝水头高，帷幕灌浆工程量大，设计灌浆下限及边界最终根据先导孔资料确定，初定帷幕下限的最大深度达215 m。分成四层灌浆，即ZⅠ，ZⅡ，ZⅢ，ZⅣ层，帷幕线总长5 308.784 m。根据有关规范和设计文件的要求，需进行现场灌浆试验，以验证、选择合理的帷幕灌浆施工工艺和施工参数。

左岸帷幕沿线地层主要有三叠系永宁镇组第一段～第三段(T1yn1-3)，永宁镇组第一段(T1yn1)、第三段(T1yn3)岩性为灰岩，属中硬岩;永宁镇组第二段(T1yn2)岩性为灰色薄～中厚层泥质灰岩、钙质泥岩夹灰岩。平寨坝址主要的岩溶透水层为T1yn1中～厚层灰岩和T1yn3薄～中厚层灰岩，T1yn1中溶洞、地下暗河等均有发育等;T1yn3层位岩溶强烈发育，在该层位中溶洞、地下暗河等均有发育。在库首左岸，T1yn2-3和 T1yn2-1泥岩因下伏 T1yn1灰岩局部岩溶发育引起的溶蚀塌陷，连续性在局部地段受到破坏，隔水可靠性降低。

2 三参数灌浆自动记录仪

2.1 自动记录仪的组成和性能

LJ-4型三参数灌浆自动记录仪由主机、进浆流量变送器、返浆流量变送器和压力变送器以及水灰比传感器组成。主要用于水工建筑物和工民建地基处理工程中灌浆过程的施工监测，具有以下特点:

1)其主要功能包括普通法灌浆(循环式和纯压式)，粘土灌浆，GIN法灌浆，压水试验(单段及五段);

2)仪器可测量、显示、打印灌浆实时流量、压力、水灰比基本三参数，并具有关键参数超限声光报警功能。是国内唯一实现三参数、大循环在线测量的仪器;

3)灌浆过程中仪器可随时通过按键查询设置参数、工作状态参数和中间处理结果(如累计灌浆量、累计水泥量、浆液浓度等);

4)灌浆结束后，可绘制出各种清晰的数据曲线，并能将此段灌浆原始数据转存在机外数据转存器中，由灌浆工程资料管理软件自动录入到微机中，生成94，2001规范规定的大部分图表。从而大大简化和规范了施工单位的内业工作，也极大的方便了业主、设计、监理对灌浆工程的科学管理，对确保灌浆工程质量有着极其重要的意义。

2.2 主要技术参数

1)测量范围和精度:

a.流量。

测量范围:大/小循环:0～100 L/min;测量精度:主机测量及显示分辨率0.1 L，测水时精度通常优于0.1%。

b.压力。

测量范围:0～10 MPa;测量精度:主机测量及显示分辨率0.01 MPa;压力传感器测量精度优于0.2%，并可分档测量瞬时压力的平均值和峰值。

c.水灰比。

测量范围:浆液比重为1～3;水灰比为0.5～5;测量精度优于0.5%。

2)电源、工频:220 V±10%自带交流稳压电源，主机耗电量为100 VA。

3)主机重量:约15 kg。

3 应用实例

3.1 在黔中水利枢纽一期工程左岸帷幕灌浆工程中的应用情况

LJ-4型灌浆自动记录仪在设计时充分考虑了仪器主要应用于水利施工工程，所以具有独特的适应工地恶劣施工条件的能力。故在黔中水利枢纽工程中广泛采用了该仪器，就一期工程左岸帷幕灌浆工程来说，该设备使用情况见表1。

表1 LJ-4型灌浆自动记录仪在本工程中的应用情况

在对各施工单位的技术服务中发现:LJ-4型灌浆自动记录仪硬件部分故障很少，特别是主机，在灌浆规范规定的温度范围内，工作基本无故障。但由于施工现场的恶劣工作环境和使用时缺乏必要的维护，如夏季阳光直射显示屏，引起主机工作不稳定，显示异常。另外在使用初期都有不同程度的断线故障，一定程度上影响了仪器的正常使用。针对这种情况，通过现场培训和专业维修培训，大大减少了故障发生率，并使现场维护人员具有了一般故障处理能力。由于自动记录仪对流量压力测量的精度比较高，按现有灌浆规范，在实际使用中，自动记录每段灌浆时间比手工记录的要长，考虑到现有灌浆规范是在兼顾手记和自记仪的情况下制定的，故使用自动记录仪后，可根据工地实际情况适当调整。

3.2 灌浆效果分析

1)流量:流量参数的检测采用了电磁流量计(EMF)，它具有测量不受流体温度、压力、密度、粘度的影响、电磁流量计内部直通光滑、直接进行电测量，响应速度快、检测部无运动部件，不会发生滴漏现象、计量精度高、内衬可采用聚四氟乙烯塑料和氧化铝陶瓷，具有很强的抗腐蚀性等优点。

因水泥浆液中常含一些气泡。EMF属于流速型的流量方式，气泡在管道圆截面中所占据的面积百分率，几乎就等同于气泡对流量测量的影响量。此外由于气泡经过电极表面存在一个摩擦过程，由此会产生尖峰脉冲干扰电势，其值远大于正常的流量信号。通常电磁流量转换器无法有效地处理如此的干扰，轻者导致测量值不稳定，严重时仪表根本无法工作，如果把EMF安装在灌浆泵的吸入端，吸入端的浆液中常会混入成泡状流的小气泡，故EMF一般要安装在泵的排出端。EMF最好垂直安装，浆液自下而上流动。水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要垂直于地平线，因为处于底部的电极易被沉积物覆盖，顶部电极易被水泥浆液中的偶存气泡擦过遮住电极表面。

2)压力:灌浆压力通常是由灌浆泵活塞往复运动的驱使而产生的，经连续流动的浆体的传递而进入受灌地层，由于活塞泵的这一往复运动特性及调压阀的调节，使得灌浆压力在灌浆通道内呈脉动传递，LJ-4型灌浆压水测控系统中，压力参数的检测采用了扩散硅压阻式压力变送器，典型精度为0.25%FS，以4 mA的供电电流就可得到900 mV的信号电压。同时，线性度、长期稳定性、动态响应、超压性能等十分优越，有效克服了这种脉动干扰。

3)密度:密度参数由差压式密度传感器提供，其测量精度主要受压力波动和水泥浆性质的影响，需要从泵、装置位置等地方进行改进，经过改进，避免压力和流速的波动，从而保证一个稳定的测量环境，进而保证密度的测量精度。

4 结语

灌浆记录仪的使用是灌浆技术的一大进步。目前国内灌浆工程的检测技术已达到了较高的水平。但与其他行业相比，灌浆施工的自动化程度仍然较低。我国的灌浆工程施工基本上是属于劳动密集型，效率低、环境差。同时，灌浆受操作人员技术水平与施工经验等人为因素的影响，质量难以得到保证。自动灌浆则可有效地防止上述问题。为保证灌浆参数的准确性，减少记录仪的维修频率，降低施工成本，保证正常的施工进度，使用时必须注意以下问题:

1)LJ系列灌浆自动记录仪通过不断改进更新，在各水利水电施工过程中发挥的巨大作用和显现的优越性，说明该仪器先进性和实用性很强，在水利水电工程中具有广泛的应用领域。

2)施工操作人员必需经过培训，严格按操作规程进行操作，保证仪器的测量精度和准确性。

3)在使用过程中要有专人定期维护压力、水灰比和流量传感器，防止记录仪受潮和碰撞，避免粉尘、潮湿、电磁强的恶劣环境对记录仪的影响。

［1］ 徐力生，陈 伟，彭环云，等.二参数小循环灌浆的测量原理及其弊端［J］.水利技术监督，2004(4):47-50.

［2］ 王金发，高鸣安，罗 熠.GJY型灌浆自动记录仪及其在三峡工程中的应用［J］.人民长江，1999(9):9-10.

［3］ 郭万福.三参数灌浆自动仪在拉西瓦水电站灌浆过程中的应用［J］.青海电力，2009(1):34-36.

［4］ 徐力生，刘 毅.灌浆自动记录系统中差压式密度传感器的缺陷分析及改进意见［J］.理论研究，2009(5):29-30.

［5］ 彭振斌，陈 伟.电磁流量计在灌浆工程中的研究与应用［J］.仪表技术与传感器，2007(10):10-15.

［6］ 徐力生，陈 伟，彭环云，等.三参数、大循环灌浆自动记录仪的技术特点及发展趋势［J］.水利规划与设计，2004，20(3):79-82.

［7］ 徐力生，胡芳龙.灌浆工程中一种性能优良的压力变送器的研制与应用［J］.水利技术监督，2005，22(6):60-62.

［8］ 张景秀.坝基防渗与灌浆技术［M］.第2版.北京:中国水利水电出版社，2002.