巖石壩基灌漿壓力波動機理及其穩(wěn)定性自動控制方法研究.pdf

1、當前我國進入了水利水電工程大規(guī)模開發(fā)建設的關鍵時期，作為大壩基礎施工主要加固手段的灌漿技術得到了大范圍的推廣運用。由于建壩高度的不斷升級，灌漿加固壩基巖體以形成抗?jié)B透能力強、耐久性好的基礎防滲帷幕變得尤為關鍵。灌漿工程因是隱蔽工程，其施工質(zhì)量和灌漿效果難以進行直觀檢測，必須要借助于對灌漿施工參數(shù)的分析來評定。由于受到壓力波動、漿液流變特性和巖體裂隙幾何結構特征等諸多因素的影響，灌漿質(zhì)量檢測和控制的自動化程度不高。尤其灌漿壓力的反饋控制仍

2、然采取人工調(diào)節(jié)以致其控制精度和控制響應時間無法滿足工程實際的需要，且容易因操作失誤致使灌漿壓力超限而造成巖體張拉破壞、地層抬動變形，引起工程安全事故。
　　基于以上情況，本文采取理論與實踐相結合的方法，通過總結和歸納漿液在大壩基巖裂隙中的滲流特性來了解灌漿控制機理;通過分析和總結巖體變形效應及灌漿壓力的計算方法來提出灌漿壓力的綜合設計原則;基于對灌漿壓力波動機理的探討、灌漿管路流體力學數(shù)學建模和自動控制分析，設計研發(fā)了灌漿壓力自動

3、控制系統(tǒng)(GPAC系統(tǒng));通過室內(nèi)模擬灌漿試驗和糯扎渡水電站壩基帷幕灌漿現(xiàn)場試驗對該系統(tǒng)進行控制性能的驗證和灌漿效果評價，以改進和完善系統(tǒng)。論文的研究工作主要包括以下內(nèi)容:
　　(1)討論和總結灌漿壓力的組成及其經(jīng)驗取值法、壩基帷幕灌漿壓力的逆推計算法和灌漿試驗確定最大灌漿壓力法（包括常規(guī)壓水試驗和水力階撐試驗）;根據(jù)灌漿壓力過大引起的水力劈裂效應、擴縫效應和壓力擠密效應，詳細分析這些巖體變形效應的發(fā)生機理及有利、可控的巖體變形發(fā)

4、生時相應灌漿壓力的計算方法。綜合上述，提出了灌漿壓力的綜合設計原則與確定方法。
　　(2)從灌漿管路系統(tǒng)的流量壓降關系和漿液的流變特性出發(fā)，探討了管路系統(tǒng)中灌漿壓力的波動機理，認為:灌漿孔內(nèi)地層的阻尼特性、調(diào)節(jié)閥的流量特性和運行開度以及灌漿泵的脈動特性是造成循環(huán)式灌漿管路系統(tǒng)內(nèi)灌漿壓力波動變化的主要影響因素。根據(jù)灌漿管路漿液一維流動模型的流量壓降關系建立了管路系統(tǒng)的靜態(tài)平衡控制方程組;根據(jù)可壓縮流體的非定常流動，對灌漿管道中的瞬變

5、流動進行動態(tài)瞬變分析，建立其基本微分方程，運用特征線法進行網(wǎng)格劃分和有限差分，根據(jù)邊界條件，用Newton-Raphson算法求其數(shù)值解，用一系列代表灌漿管道、管路設備、灌漿孔和調(diào)節(jié)閥的非線性代數(shù)方程組來簡化和描述整個灌漿管路，并研究管路中基本組成部件的阻尼系數(shù)的計算方法，從而得出灌漿壓力穩(wěn)定性控制的量化計算控制量，進而提出灌漿管路中灌漿壓力穩(wěn)定性的流體力學模型，為編制灌漿壓力穩(wěn)定性計算軟件提供了數(shù)學模型和控制參數(shù)。
　　(3)根

6、據(jù)常規(guī)PID控制和模糊控制的算法原理與控制器設計，分析和論述各自的優(yōu)點和局限性。根據(jù)灌漿壓力波動的特點、自動控制的精度要求和反應時間要求，將常規(guī)PID控制和模糊控制結合起來使用，提出具有參數(shù)自整定和控制規(guī)則自適應特點的復合式控制算法即基于T-S模型的模糊PID控制算法(TS-FPID算法)。
　　(4)從軟件界面、基本功能和硬件組成等方面詳細介紹基于TS-FPID控制算法和灌漿管路系統(tǒng)流體力學模型的灌漿壓力自動控制系統(tǒng)(GPAC系

7、統(tǒng))。GPAC系統(tǒng)上層軟件采用SIEMENS WINCC V7和STEP7軟件開發(fā)，控制系統(tǒng)底層采用SIEMENS S7-400系列可編程序控制器，系統(tǒng)網(wǎng)絡采用PROFIBUS DP協(xié)議。
　　(5)根據(jù)實際灌漿工況布設灌漿管路進行室內(nèi)模擬灌漿試驗，包括:灌漿泵脈動特性試驗、電動調(diào)節(jié)閥阻尼系數(shù)試驗、灌漿壓力自動控制試驗等。試驗結果表明:當灌漿壓力在0～5MPa內(nèi)變化時，GPAC系統(tǒng)可在5～6s響應時間內(nèi)實現(xiàn)壓力自動控制，并將控制精

8、度保持在壓力設定值的5％以內(nèi)，穩(wěn)定性良好，達到了壓力波動幅度的設計控制目標。在糯扎渡水電站壩基帷幕灌漿現(xiàn)場試驗中，運用GPAC系統(tǒng)對灌漿壓力進行實時檢測和反饋控制。現(xiàn)場試驗結果表明，試驗區(qū)的灌漿效果顯著，巖體裂隙和滲水通道被漿液充分填塞，巖體力學性能得到很大改善，巖層整體性更好，試驗區(qū)防滲性能達到了設計要求的防滲標準。GPAC系統(tǒng)控制精度高、響應時間短、穩(wěn)定性好，遠遠優(yōu)越于人工控制，具有良好的工程經(jīng)濟性和安全性，可以在其他工程實踐中推廣