帷幕灌浆压力变化内在原因及其稳定性控制方法探讨

甘俊祥

(江西省源河工程有限责任公司，江西 南昌 330025)

近年来，我国水利水电建设理论和技术不断完善，一大批世界级的水电站已建成或正在建设中。大坝高度的不断增加要求坝基岩体具有良好的抗渗和耐久性能，因而帷幕灌浆技术的发展和成熟使用便显得格外重要[1- 4]。

不同地质环境下的灌浆方案是有所区别的，选择合适的灌浆压力、孔深以及水灰比等均关系到灌浆施工质量的好坏[5- 6]，因此需要对灌浆方案进行综合的审核和评估，以达到经济合理、安全可靠的目的[7]。其中，灌浆压力的反馈和调节是关系到灌浆质量的重要一环，当前，许多帷幕灌浆工程仍然采用人工调节的方式，往往很容易造成灌浆压力超限而引起岩体张拉破坏以及坝基地层抬动变形等问题，因此，对灌浆压力在施工过程中的波动原因进行详细分析，有利于对灌浆压力的稳定性控制[8- 11]。

本文在前人研究理论和实践的基础上，对灌浆压力波动的内在原因进行了探讨分析，并基于分析结果提出灌浆压力的综合设计原则和复合式控制法，可为工程实践提供理论支撑。

1 灌浆压力的综合设计原则

1.1 灌浆压力与岩体渗流扩散性、变形性关系

水泥基浆液在压力作用下会沿着岩体裂隙通道进行流动，并呈现两相流动状态。流动规律和分布状态受裂隙自身和过流面的物理力学特性、地下水势头等诸多因素的影响，因而其渗流扩散特性是十分复杂的。由于不同的地质构造条件会导致渗流扩散的不确定性，因而很难有有效的方法来计算浆体扩散的最大范围和理应使用的灌浆压力。

一般而言，当岩体在钻孔径向压力作用下会承受相应的劈拉应力，当大于自身抗拉强度时，就会形成水利劈裂效应；有压水泥浆体在岩体裂隙中流动时，会使岩壁受到压缩应力而发生原始裂隙的进一步扩大，形成扩缝效应；当施加的灌浆压力适当时，会明显改善周围岩体的致密性，形成压力挤密效应。因此，需要选择合适的灌浆压力进行灌浆施工。

目前，灌浆压力与岩体渗透、变形特性的关系主要有2种理论：

宾汉流体扩散理论：

(1)

式中，R—水泥基体的扩散半径,m；P0—灌浆压力值,MPa；σ—岩体裂隙宽度,m；τ0—水泥基体的屈服强度,MPa；r0—钻孔的半径值,m。

牛顿流体渗透灌浆理论:

(2)

式中，P—裂隙内静水压力大小,MPa；P1—灌浆孔内压力值,MPa；T—灌浆时间,min；η—水泥基体的初始黏度值。

1.2 灌浆压力综合确定原则

坝基帷幕灌浆的压力值，一般是指作用于灌浆段上的实际压力值，其主要包括3个方面：

PT=P+PS-PR

(3)

式中，PT—灌浆总压力，MPa；PS—水泥基体自重压力，MPa；PR—压应力损失量，MPa；P—压力表上显示的压力值，MPa。

在实际工程设计中，主要通过3种方法确定灌浆压力：经验值计算法、逆推计算法以及试验确定法。一般而言，灌浆压力过大，会造成地面抬动隆起变形破坏，且极不经济；灌浆压力过小，又无法满足浆体填充裂隙的要求，达不到预期灌浆防渗效果。

因此，灌浆压力应该遵循以下综合设计原则：①详细分析坝基地质结构和灌浆地层的构造，借鉴经验公式和法则，对取值范围进行初步的规划(经验选取)；②根据坝型、坝高和防渗目标，采用逆推计算法、劈裂灌浆计算法以及压力扩缝计算法等一系列理论计算法进行详细计算，分灌溉段划分灌浆压力取值(理论计算)；③在具有代表性的地层进行灌浆生产性试验，最终确定最大灌浆压力值(试验验证)；④在灌浆施工过程中，根据灌浆压力、注入量、密度、抬动情况合理调整压力值，保证灌浆安全、经济、稳定和高效(适时调整)，如图1所示。

图1 帷幕灌浆的综合设计原则

2 灌浆压力波动原因及控制方法

2.1 灌浆压力波动机理分析

通过灌浆压力总结设计原则，在一定程度上解决了灌浆压力目标值，但在实际灌浆工程中，对于灌浆压力的稳定性控制才是最为关键的，由于各种原因造成了灌浆压力波动性较大，稳定差，对灌浆施工安全和质量构成一定影响。根据工程经验和相关研究人员研究结果，作者认为造成灌浆压力波动的内在原因主要包括：①灌浆孔下方地层的阻尼特性：由于受灌浆段地层内裂隙走向、开度、连通率、粗糙度、充填物等集合特征的影响，使得孔内浆液的运动情况发生不可预知变化，造成灌浆压力变化；②设备流量特性和运行开度：调节阀是灌浆设备的重要组成部分，调节阀在运行时开度不同，其前后压差也不同，进而引起灌浆压力变化；③灌浆泵的脉动特性：灌浆泵在运行过程中，会造成压力脉动，使流量突变，形成水击现象，进而引起灌浆压力的波动变化。

2.2 复合式(TS-FPID法)控制算法

通过建立灌浆管理系统平衡方程并求解，即可得到灌浆压力波动的量化控制值，再通过信号转变，将其反映在调节阀的开度当中，可实现对压力波动的控制，从而保持灌浆压力的稳定性。因此，作者提出复合式(基于T-S的模糊PID)控制算法，具有动态性、独立性、稳定性和适用范围广等一系列优点，基本设计理论为：当灌浆压力偏大时，系统自动采用T-S模糊控制，加速辨识和提高灌浆响应速度；当灌浆压力偏小时，自动切换到OID程序控制，以消除静差、提高精度，TS-FPID法原理如图2所示。

图2 TS-FPID法原理示意图

3 工程实例分析

3.1 工程概况

某电站位于云南澜沧江，正常蓄水位812m，装机容量5852MW。坝基处主要以花岗岩、花岗斑岩、石英脉、砂岩粉砂质泥岩为主，构造以节理、断层等结构面为主；坝基处的地下水位变幅较大，一般在8～2m，最大变幅达到17.26m。帷幕灌浆孔深入基岩约70m，孔距为2m，排距为1.5m，分3序。

3.2 灌浆压力稳定性分析

根据灌浆压力综合设计原则，最终确定各灌浆段的灌浆压力取值，见表1。为了实时监控灌浆时的压力变化情况，保证灌浆过程中压力的稳定性，使用GPAC系统(一种以TS-FPID法的压力控制系统)对灌浆压力进行全过程自动控制。以某一试验孔第六段现场灌浆监测数据为例，得到了灌浆压力设定值、实测值以及波动幅度比的关系，如图3所示。从图3中可以看到，在60min的灌浆过程里，不同的压力设定值与实测压力值相差不大，波动幅度均在2.5%内，可见以TS-FPID控制算法的系统能够使灌浆压力精度大大提高，且均在5s之内完成压力的自我调整和控制，其稳定性远远高于人工控制的最佳指标，满足了灌浆施工的现场要求，可显著提高灌浆施工质量。

表1 各灌浆段灌浆压力取值

图3 现场灌浆压力设定与实测值对比

4 结论

首先对灌浆压力与坝基岩体渗流性、变形性的关系进行了分析，提出了灌浆压力的综合设计原则；基于现场灌浆压力很难控制这一问题，对灌浆压力的波动原因进行了分析，并提出了相应的复合式控制算法，在灌浆工程实践中得以验证，认为其可以保证良好的精度和稳定性。