水利水电工程灌浆施工技术控制过程的探讨

谢 盛

(江西省水利水电建设有限公司， 江西 南昌 330025)

水利水电工程灌浆施工技术控制过程的探讨

谢 盛

(江西省水利水电建设有限公司， 江西 南昌 330025)

随着水利水电工程施工技术的不断进步，人们对基础灌浆施工及技术控制等方面的要求也日益增强，更加注重多项指标参数的技术性分析及其与灌浆技术的互相适应性。本文结合水利水电工程灌浆施工技术的运用现状，从灌浆质量子系统控制、工程费用子系统控制及环境效应子系统控制等方面出发对水利水电工程灌浆施工技术控制过程进行相关探讨。

水利水电工程； 灌浆技术； 施工； 控制过程

1 灌浆施工控制概述

水利水电工程基础灌浆施工技术是全面化、综合化技术的运用，在灌浆施工过程中既要考虑技术的整体性运用，又要结合地基的硬度、稳定性及抗渗性等实际情况，严格按照施工程序，实现工程既定目标。传统的水利水电工程灌浆施工控制理论(模型)只是从子结构范畴进行考虑，并未充分考虑系统因子，所以无法解决计算精度与系统复杂程度之间的矛盾，而由于水利水电工程施工条件的限制，其施工过程要求灌浆施工控制理论与方法的最简化，即灌浆施工控制理论与技术的复杂性并不等同于精确性。

为了解决计算精度与系统复杂程度之间的矛盾，必须将灌浆工程视为若干子结构所构成的复杂系统，而灌浆施工控制理论则是求解该复杂系统所采用的方法与策略的统称，其既包括浆液在灌浆载体中渗流等作用规律的理论表达、模型化及优化技术，又包括因果反馈与工程分析等环节。总之，必须采用最优化原则与工程分析相结合的方法进行整个系统的控制，而对于各子系统则可以采用浆液渗流理论及方法加以处理，整个灌浆系统的最优控制要求各子系统的最优解必须满足以下耦合方程：

式中Xi——进入Ri子系统的输入向量；Yi——退出Ri子系统的输出向量；Cij——耦合矩阵；U——非调控的系统输入向量；Mi——决策变量m的子向量；ai——模型参数向量a的子向量。

将灌浆系统最优化运行的分析与工程实际结合起来，将系统分析中所获得的最佳施工控制策略相关理论从工程的角度加以验证，并考虑模型运行中系统将发生的变化，并将新的变量重新输入灌浆系统模型进行反馈分析与验证并判别系统的稳定性。

2 灌浆质量子系统控制

灌浆质量子系统控制分为灌入能力、可塑性及强度特性等因素的控制，首先根据控制目标选择浆材，并结合灌浆定理预测可能的地质条件、浆材属性及施工工艺，而后在坝基或混凝土坝体等的渗流场进行反复试验，以求实现最优选择。灌浆定理主要包括尺寸效应定理、劈裂定向定理、劈裂判别定理和吸渗反应定理等。

2.1 尺寸效应定理

在渗透灌浆的情况下，浆材颗粒尺寸(d)应小于接受灌浆的介质缝隙(Df)或孔隙尺寸R，这便是浆材对孔隙的尺寸效应[1]。公式表示为

如果考虑群粒堵塞作用对灌浆缝隙(或孔隙)的累加影响，则上式也可以取等号。在粒状浆液情况下，其渗流形态既受到上述尺寸效应影响，同时也受到以下流变效应的综合影响。

2.2 劈裂判别定理

通常采用数值法或曲线法进行灌浆载体性质的判别，并推求灌浆载体发生水力劈裂的条件。其中数值法的原理是分析钻孔水压试验结果，可能出现三种情况：流量与水头呈线性关系，则裂隙中的水表现为层流状态，灌浆载体不会出现水力劈裂；流量与水头呈二次方根函数关系，则裂隙中的水表现为紊流状态，灌浆载体的裂隙由于发生了阻塞而被压密；流量与水头呈正向变动关系且流量增长更快，则由于填充物增加而使裂隙变形进而导致渗流断面逐渐扩大。

曲线法的原理是根据钻孔水压试验结果，并通过绘制Q=f(P)曲线，判别劈裂的性质[2]。如下图所示，当P与Q呈线性关系，则灌浆载体未发生水力劈裂[图(a)]，而随着压力的增大，流量的增加引起灌浆载体裂隙的塑性变形[图(b)]，若流量增大是可逆的，则这种变形可能是弹性变形[图(c)]。

灌浆施工水压试验曲线示意图

3 工程费用子系统控制

在工程费用子系统中，必须实现灌浆净效益最大化及灌浆与施工控制费用的最小化，即在一定的施工约束条件下，充分考虑工程施工控制工艺与方法的运用，并对全部灌浆系统进行科学管理、运筹帷幄，尽可能减少水利水电工程灌浆施工的负效益，实现最优解。

假设灌浆施工控制目标已知，要想实现最优策略下负效益最小化，则必须实行施工最优化控制，具体用公式表示如下：

i=1,2,…,m

并满足：

rs-r(xi)=0

约束条件：

P>Ps

非负条件

xi>0

式中M——灌浆施工费用，即工程负效益，元；X——决策变量；Ci(xi)——负效益费用函数，其可能的情况参见表1；

xi——影响负效益的决策变量；

r——浆液设计扩散半径，cm；

r(xi)——浆液实际扩散半径，cm；

P、Ps——实际施工灌浆压力与设计灌浆压力，MPa。

表1 负效应费用函数情况

4 环境效应子系统控制

环境效应评价因子主要包括气温、风速、温湿度、降水量、地下水、水化学、有害气体、污染源、废渣、废液等，这些评价因子除了会对灌浆全过程产生不利影响外，还会对人类生命健康及环境等带来不利影响。关于环境效应控制质量指标体系详见表2。

表2 环境质量指标级别值划分

为了计算质量指标与影响程度之间的定量关系，需要建立变量方程。令初始时间为0，评价时间为t，灌浆施工的环境效应质量状态评分为E(t)，未灌浆时间为E1(t)，灌浆时间为E2(t)，则灌浆施工所引起的环境质量变化用下式表示：

ΔE(t)=E(t)-E(0)

在时间t内，灌浆与未灌浆所引起的环境质量变化程度为

ΔER(t)=E2(t)-E1(t)

从时间动态角度，在时间[0，t]内，灌浆施工对生态环境所可能带来的最大影响程度是使其质量最理想或最恶劣，即E(t)=10或E(t)= 0，所以D(t)=10-E(0)是正面影响(最有利影响)的限度值，而C(t)=0-E(0)=-E(0)是负面影响(最不利)的限度值，则绝对影响程度I(t)可以表示为

或

相对影响程度R(t)为

或

影响时效IT(t)为

假设灌浆施工对环境质量变化过程影响历时的长短及随时间变化的积累作用为影响时效，则其为灌浆施工过程对环境质量变化的时间积分值，单位为质量·年。

5 结 论

综上所述，水利水电工程灌浆施工过程控制作为一个复杂的控制系统涉及到方方面面的工作，为了加强灌浆过程施工控制，必须从灌浆质量子系统控制、工程费用子系统控制及环境效应子系统控制等方面出发，选择恰当的参数、控制手段及方法，切实保证灌浆施工工程各个环节的可控，提高水利水电工程灌浆施工工作效率。

[1] 董炜,周升舟.水利水电工程灌浆施工技术[J].价值工程,2010(4):237-238.

[2] 王昆华.水利水电工程灌浆施工技术的探讨[J].建材与装饰,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