裂隙巖體灌漿壓力及其穩(wěn)定性控制方法研究.pdf

1、隨著目前地下工程建設(shè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大和水利工程的不斷興起，灌漿技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是由于灌漿工程屬于隱蔽工程，使得灌漿技術(shù)的發(fā)展至今為止還不很成熟，在灌漿工程實(shí)踐運(yùn)用過(guò)程中還存在理論落后于實(shí)踐，灌漿施工參數(shù)測(cè)控技術(shù)自動(dòng)化程度不高的情況，裂隙巖體灌漿壓力對(duì)灌漿效果影響的研究還不成熟，灌漿壓力反饋穩(wěn)定性控制有待研究就是其中之一。本論文通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合分析研究了灌漿壓力對(duì)灌漿效果的影響及其確定方法，通過(guò)數(shù)學(xué)建模，設(shè)計(jì)制造

2、等研發(fā)了GYPC灌漿壓力穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方法對(duì)該系統(tǒng)的基本性能、作用機(jī)理和存在的不足進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。論文取得的主要研究成果如下： 筆者分析研究了灌漿壓力偏大造成的裂隙巖體劈裂效應(yīng)和擴(kuò)縫效應(yīng)的作用機(jī)理和數(shù)學(xué)模型，給出了兩者對(duì)灌漿效果的影響，并在灌漿壓力理論計(jì)算法中分析了壓力偏小造成灌漿失敗的原因。灌漿壓力的確定至今沒(méi)有統(tǒng)一的方法，筆者分別研究總結(jié)了灌漿壓力的經(jīng)驗(yàn)選取法、理論計(jì)算法、灌漿試驗(yàn)法和綜合選取法

3、等，其中理論計(jì)算法主要研究了裂隙巖體灌漿壓力反推計(jì)算法和水力劈裂理論計(jì)算法；灌漿試驗(yàn)法主要為常規(guī)壓水試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)、水力階撐試驗(yàn)等。 影響灌漿壓力穩(wěn)定性的因素很復(fù)雜，筆者從管路系統(tǒng)的液動(dòng)特性出發(fā)，具體分析了影響灌漿壓力穩(wěn)定性的因素：灌漿孔地層的阻尼特性，調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行狀況和灌漿泵的泵量液動(dòng)特性等。詳細(xì)研究了灌漿管路系統(tǒng)內(nèi)流體流動(dòng)的靜態(tài)平衡方程和動(dòng)態(tài)分析計(jì)算方法，根據(jù)水泥漿液的納維-斯托克斯(N-S)方程，采用特征線法建立了灌漿

4、壓力穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)模型，其中包括劃分網(wǎng)格，差分格式的收斂條件，慣性因子的計(jì)算，單管混合問(wèn)題的特征線差分法等，整個(gè)灌漿管路可以轉(zhuǎn)化為一系列描述管道，設(shè)備，灌漿孔和調(diào)節(jié)閥的非線性代數(shù)方程組，筆者采用牛頓迭代法進(jìn)行求解。建立的流體力學(xué)模型為灌漿壓力穩(wěn)定性控制軟件的編制提供了流體力學(xué)理論基礎(chǔ)和具體的設(shè)計(jì)思路。 分析研究了灌漿管路系統(tǒng)中各個(gè)管道元件阻尼系數(shù)的計(jì)算方法，為調(diào)節(jié)灌漿壓力穩(wěn)定性計(jì)算提供量化的計(jì)控制量，其中包括：①研究粘性漿液在灌漿

5、管路中存在的沿程阻力(或稱摩擦阻力)和局部阻力及其阻尼系數(shù)的計(jì)算方法；②裂隙灌漿中孔壁為粗糙的可灌漿的有巖縫的巖層，研究漿液分別按照純牛頓流體，粘度隨時(shí)間變化的牛頓流體，純賓漢流體和粘度隨時(shí)間變化的賓漢流體等流體形式在裂隙中的流動(dòng)規(guī)律；③研究三缸單作用往復(fù)泵(灌漿泵)的瞬間流量脈動(dòng)變化規(guī)律及P-Q特性；④從調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性出發(fā)，研究了其線性特性、等百分比特性及拋物線特性等流量特性，并給出了每種特性下壓力與流量的關(guān)系。 運(yùn)用

6、專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，將模糊控制算法和常規(guī)PID控制算法結(jié)合起來(lái)使用，構(gòu)成一套完整的具有智能特點(diǎn)算法。研制了基于Fuzzy-PID復(fù)合控制算法和流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型的GYPC灌漿壓力穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，其中上位系統(tǒng)采用WINCC6.0+STEP7軟件開(kāi)發(fā)，下位系統(tǒng)采用SIEMENSS7-500系列PLC，上位系統(tǒng)包括工藝流程，參數(shù)設(shè)置，信號(hào)模擬，歷史趨勢(shì)曲線和歷史數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)打印等基本功能。 GYPC灌漿壓力穩(wěn)定性控制系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)是：壓力

7、穩(wěn)定性的控制原理是建立在管網(wǎng)流體力學(xué)平衡方程的基礎(chǔ)上，具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)GYPC控制系統(tǒng)使壓力波動(dòng)在5-12秒之內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)置壓力值0.15MPa以內(nèi)，這個(gè)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)是領(lǐng)先的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于人工調(diào)節(jié)，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。 本項(xiàng)目建立的室內(nèi)灌漿壓力穩(wěn)定性控制模擬試驗(yàn)臺(tái)是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的，可以很好地對(duì)灌漿技術(shù)管路中的流體流動(dòng)特性進(jìn)行多種試驗(yàn)。完成了灌漿泵和調(diào)節(jié)閥的流量特性試驗(yàn)，在模擬灌漿孔不穩(wěn)定及其他因素造成灌漿壓力波動(dòng)的情況下，

8、采用GYPC灌漿壓力穩(wěn)定性控制系統(tǒng)進(jìn)行了使壓力值穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)的試驗(yàn)研究；首次應(yīng)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，把灌漿管路主要組成部分之間的相互聯(lián)系與影響作為研究對(duì)象，采用模擬灌漿施工的方法，提高了試驗(yàn)研究仿真性。 GYPC控制系統(tǒng)在裂隙巖體帷幕灌漿工程應(yīng)用的結(jié)果表明，系統(tǒng)的控制原理正確，方法可行，效果優(yōu)良，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，可推廣應(yīng)用到工程實(shí)際當(dāng)中。同時(shí)采用大循環(huán)灌漿方式，灌漿時(shí)還應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)實(shí)際情況進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)灌漿壓力，來(lái)獲得最佳灌漿