智能水泥灌浆系统

完成单位：中国三峡建工（集团）有限公司、成都中大华瑞有限公司

主要完成人：樊启祥、杨宗立、黄灿新、蒋小春、牟荣峰、杨宁、乔雨、黄伟

一、研发背景

基础灌浆作为隐蔽工程，工程质量靠过程保证。现行《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T 5148-2012)明确灌浆结束条件，灌浆升压过程采用分级升压或一次升压；隆巴迪提出的GIN(grouting Intensity Number)灌浆法，未明确灌浆过程控制，(GIN值(P×V只是结束条件)；隆巴迪在04年认识到过程控制的重要性，对其工艺进行了改良，提出了灌浆过程中流量控制的观点，但是纵观国内外主要的灌浆控制，灌浆结束条件清晰明确，但对灌浆过程控制方法没有明确的描述。

我国西部地区水能资源丰富，目前水利水电工程仍处于建设高峰期，且多为高坝大库，工程多处高山峡谷，地质条件复杂，对大坝地基处理和防渗形成了严峻的挑战，水泥灌浆是水利水电工程基础及防渗处理的一个重要手段，目前国内普遍使用的自动记录仪仅能实现灌浆过程“三参数”记录，且模拟电信号易受外界干扰和篡改，灌浆过程均为人工控制，个体差异大，质量参差不齐，浆液弃损严重，施工形象不佳。如何在保证灌浆质量的前提下降低灌浆综合成本、改善施工形象、实现自动化规范化工厂作业，研究与灌浆自动化相适应的新设备、新工法、新管理模式，是亟待解决的问题。

本项目紧密围绕国家“十三五”水利水电工程建设的需要，跟随国家科技创新战略发展的进程，依托三峡集团十三五重大科研项目“智能水泥灌浆系统”和乌东德工程等国家重点水利水电工程项目，针对水泥灌浆数据精确采集、工艺精准控制、管理标准化等难题，历经近3年的科技创新与实践，采用多学科交叉方法，通过市场调研、室内试验、现场试验相结合，在材料、设备、工艺、信息化、自动化、智能控制等多方面开展了系统研究与工程应用，实现了从人工控制灌浆到由程序自动控制灌浆的巨大转变，对灌浆工程效益和质量控制具有巨大大现实意义。

二、发明团队介绍

乌东德水电站作为千万千瓦级巨型工程，为保证枢纽工程基础处理质量，打造滴水不漏的地下长城，经集团公司研究决策启动大坝工程智能灌浆科研项目实施性研究，乌东德大坝智能灌浆是三峡集团落实国家工程安全和长期工程质量，建设一流水电的自我自觉行动，是落实长江大保护的实实在在的行动。乌东德大坝工程智能灌浆项目研发团队由集团公司原副总经理樊启祥牵头组织研发，成都中大华瑞有限公司提供软件技术支持，团队内正高级职称有4人，高级工程师有8人，工程师6人，团队始终坚持以乌东德十三五创新型示范工程为目标，以特高拱坝智能化建设为依托，实施智能灌浆建设。历经三年多科技攻关，团队成功研发三区五段智能灌浆模型及控制方法，实现灌浆作业阳光化，智能化。

表1  智能灌浆项目研发团队

三、成果(专利)简介

本发明三区五段智能灌浆控制模型，包括快速升压I区、稳定灌浆II区、灌浆风险III区，以及A、B、C、D、E五个阶段；

所述快速升压I区的实时PQ值小于最优PQ值；所述稳定灌浆II区的实时PQ值等于最优PQ值；所述灌浆风险III区实时PQ值大于最优PQ值；所述A、B、C、D、E五个阶段依次进行；

所述A阶段：灌浆注入量大于孔管占浆后仍无压无回；

所述B阶段：注入率为预设最大允许注入率Qmax，压力达到0.1Pd以上，PQ值小于最优PQ值；

所述C阶段：注入率小于预设最大允许注入率Qmax，PQ值达到最优PQ值；

所述D阶段：压力达到灌浆设计压力值Pd，注入率在结束流量Qend-β围内；

所述E阶段：压力达到灌浆设计压力值Pd，注入率小于等于Qend。

以上结构，由于在裂隙性质和浆液一定的情况下，影响浆液扩散范围和产生抬动的主要因素，是作用于灌浆段上的实时能量；单位时间内作用于一个灌浆段上的实时灌浆能量，用作用于灌浆段上的实时灌浆压力和灌浆注入体积的乘积PQ表示；当灌浆实时能量达到最优PQ值，为最佳灌浆过程；确定最佳灌浆过程能够实现以最佳的参数对裂隙进行灌注。

作为优选，所述快速升压I区和稳定灌浆II区之间为最优PQ值下限，最优PQ值下限的大小为αPd；

所述稳定灌浆II区和灌浆风险III区之间为最优PQ值上限，最优PQ值上限的大小为βPd。

本发明基于三区五段智能灌浆控制模型的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：建立三区五段智能灌浆模型；

步骤二：检测灌浆中的实时压力和流量，计算实时PQ值，判断PQ值在三区五段智能灌浆模型中对应的阶段；

步骤三：根据三区五段智能灌浆模型中对应的阶段的灌浆控制方法进行灌浆控制；

步骤四：从PQ值对应的阶段开始，按照五个阶段的顺序依次进行灌浆控制，灌浆控制轨迹最终到达E阶段。

作为优选，还包括：根据地质勘探孔或先导孔、物探孔，确定岩体透水率，根据地质条件，选择灌浆控制历程：若孔段地层存在宽大裂隙或大的渗漏通道，选择从A阶段开始的灌浆控制历程；若地层存在较大裂隙或较大渗漏通道，选择从B阶段开始的灌浆控制历程；若地层存在一定裂隙或一定渗漏通道，选择从C阶段开始的灌浆控制历程；若地层裂隙细微紧密，选择从D阶段开始的灌浆控制历程；若地层致密，基本不吃浆，选择从E阶段开始的灌浆控制历程。

作为优选，所述三区五段智能灌浆模型的建立方法：绘制灌浆过程控制图，建立P、Q、C之间的控制关系。

作为优选，所述灌浆过程控制图的绘制方法：以灌浆注入率Q为纵坐标，以灌浆压力P为横坐标建立坐标系；以设定的最大允许注入率Qmax绘制直线A、B；直线A、B的交点坐标为(P1、Qmax)，P1为最小管路压力；以灌浆设计压力值Pd绘制直线D、E；以βPd作为最优PQ值上限，绘制PQ值曲线；以αPd作为最优PQ值下限，绘制PQ值曲线；将直线A、B、D、E，以及PQ值双曲线相交连成包络线。

作为优选，所述三区五段智能灌浆模型包括三个区和五个阶段；每个区和阶段具有不同的灌浆控制方法。

作为优选，所述步骤三具体包括：三个区的灌浆控制方法和五个阶段的灌浆控制方法；所述三个区的灌浆控制方法包括：

快速升压I区：快速升压至最优PQ值控制范围；

稳定灌浆II区：压力升至最优PQ值上限后开始稳压，直至注入率下降到最优PQ值下限再次升压，在最优PQ值控制范围达到结束条件；

灌浆风险III区：下降至最优PQ值控制范围。

作为优选，所述五个阶段的灌浆控制方法：

A阶段的灌浆控制方法：调节输出排量，限流为预设值；若预设时间内灌浆控制不进入B阶段，采用越级变浆；若最浓级浆液注入量已达预设量仍达不到B阶段标准，待凝或特大注入量处理；

B阶段的控制方法：调节压力P，使得注入率Q为预设最大允许注入率Qmax，压力达到0.1Pd以上，按每级300L逐级变浆，直至进入C阶段；若预设时间内灌浆控制PQ轨迹无显著移动，变浆；若已达最浓比级，注入量达到预设值，待凝或特大注入量处理；

C阶段的控制方法：按PQ控制升压，压力升至PQ上限，稳压至流量降低到PQ下限再升压至PQ上限，直至进入D阶段；若注入量达预设量或预设时间，灌浆控制PQ轨迹无显著移动，加浓一级，直到进入D阶段；

D阶段的控制方法：保持P为灌浆设计压力值Pd，直至进入E阶段；若注入量达预设量或预设时间，灌浆控制PQ轨迹无显著移动，密度连续递增，换新浆，延续30min结束；

E阶段的控制方法：保持P为灌浆设计压力值Pd，屏浆，延续规定时间结束。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明将灌浆过程分为三个区，以PQ最优值为界，分别为I、II、III区，并对应不同区的特点，分别进行相应的控制；能够确定最佳灌浆II区，防止控制过程中出现有害的岩体(结构物)破坏，防止小注入率低压久灌，实现以最佳的参数对裂隙进行灌注。

2.灌浆地质条件一般较为复杂，按裂隙宽度或渗流通道大小可分为五类，不同类型地质条件下，在达到灌浆结束条件前，灌浆控制历程不一样；将灌浆控制历程分为五个阶段，在不同的阶段中采用不同的控制方法，并且对于不同的地层选择适合的灌浆控制历程，能够满足不同地层的灌浆控制需求。

3.三区五阶段智能灌浆控制模型中包含了不同地层、不同灌浆过程的灌浆控制方法，明确了灌浆过程的控制，能够实现灌浆作业的全过程智能控制。

四、成果（专利）转化情况介绍

智能水泥灌浆单元机自2015年4月开始研发，2016年底形成V1.2版智能灌浆单元机，2017年1月第一批12台单元机（V1.2版）用于乌东德大坝坝基固结灌浆，开展智能灌浆系统规模化生产性试验。

已完成乌东德大坝固结灌浆9#坝段岸坡段、10#坝段全坝段及11#坝段1单元共计约6000m固结灌浆，灌浆压力最大2.5MPa，质量检查情况优良。已完成7MPa高压灌浆模拟试验。

结合乌东德左右岸帷幕灌浆生产开展高压灌浆试验，同时对人工控制灌浆和智能控制灌浆进行优化改进完善，于2018年全面定型，智能灌浆成套设备开始大规模生产近100台设备，全面应用于乌东德水电站，并推广至白鹤滩水电站，由此走向市场化运营阶段，并向乌弄龙、加查等水电站进行推广，逐步向铁路等工程进行市场转化，同时根据环境和需求进一步改进和研发新产品，完成智能水泥灌浆的全行业覆盖，逐步形成全行业智能化生产的局面。

五、经济效益与社会效益介绍

1.直接经济效益

（1）节约成本。采用智能灌浆设备比人工控制的平均降低成本20元/m，乌东德、白鹤滩预计可综合节约成本约178×20=3560 万元。

（2）提前发电增效，智能灌浆高效施工，进度提前2.5个月，项目增效占比3%，则创造效益（383+618）×2.5/12×0.3×3%=18769万元；

（3）减少缺陷处理费用：水垫塘、地下电站、大坝铸就地下长城，目前高效运行，减少施工期及运行期缺陷处理费用（1128×5+60×100）×20%=2328万；

（4）推广至其他工程增加收益约8250万；

综合以上因素，项目成果直接经济效益可以达到32907万元。

2.社会效益

智能灌浆系统可推动整个水泥灌浆行业由半机械化向自动化及智能化迈进，推动行业向标准化和规范化发展，提高水泥灌浆效率，提升水泥灌浆工程质量，降低水泥灌浆管理成本，把水泥灌浆中隐性的成本变成施工单位合理的收入。

本系统的研发可以带动水泥浆液有关的传感器技术和自动控制技术在水泥浆液有关的领域取得突破性的进展。

本系统的开发需要水泥灌浆、机电、金属结构、自动化、成本控制等多专业人才协作完成，可以培养一批高素质相关技术开发和管理人才。