关键参数自适应灌浆测控系统的研制与应用
王超，徐力生，徐蒙，姚翠霞，杨宏
(中南大学 地球科学与信息物理学院，有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083)
摘要：针对灌浆技术参数测量精度不高、稳定性较差，灌浆压力控制严重依赖人工操作等问题，基于传感器技术、微机技术和自动控制技术，将硬件和软件相结合，研制自适应灌浆测控系统。该系统采用压阻式压力传感器、电磁流量计、自主设计的自循环差压密度计和容栅传感器分别对灌浆压力、流量、密度和地层抬动值这4个关键技术参数进行高精度、动态检测，并利用PLC模块根据灌浆工况自动控制压力波动、保持其稳定性，继而实现智能化的自适应灌浆。研究结果证明：自适应灌浆测控系统对压力、流量、密度和地层抬动值的检测相对误差分别为2.5%，0.8%，0.5%和4.5%，压力自动控制精度保持在设定值的5%以内，控制响应时间为5~6 s，系统精度高，响应快，稳定性好，能够在高灰尘、潮湿及强磁电干扰的现场施工条件下正常工作。
关键词：灌浆压力；流量；密度；地层抬动值；自适应灌浆
中图分类号：TV53 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)11-4474-09
Development and application of key parameters adaptive grouting detection and control system
WANG Chao, XU Lisheng, XU Meng, YAO Cuixia, YANG Hong
(Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education,
School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: In view of the shortcomings existing in grouting construction such as low precision, poor stability of technical parameters detection and grouting pressure being relied heavily on manual operation, the adaptive grouting detection and control system was developed with hardware/software co-design based on sensor technology, microcomputer technology and automatic control technology. Piezoresistive pressure transducer, electromagnetic flowmeter, self-circulation differential-pressure densimeter with independent design and capacitive transducer were used to dynamically and precisely detect the four key technical parameters including grouting pressure, flow, grout density and ground lifting values respectively in the system. Meanwhile, according to the actual grouting situation, pressure fluctuation could be automatically controlled and kept stable on PLC, then intelligent adaptive grouting could be achieved. Curtain grouting test results show that the relative errors of detection on grouting pressure, flow, grout density and ground lifting values by the system are 2.5%, 0.8%, 0.5% and 4.5%, respectively, whilst grouting pressure fluctuation can be controlled to less than 5% of the set value in 5-6 s. The system with capabilities of high precision, quick response and good stability can be operated normally under dust, damp and strong magnetoelectric interference condition of grouting construction.
Key words: grouting pressure; flow; density; ground lifting values; adaptive grouting
随着修建大坝高度的不断升级和跨越发展，如何有效控制和提高灌浆质量，增强大坝稳定性和安全性，尤其当坝基岩体的防渗性能很差时，提高防渗帷幕的抗渗透能力及耐久性成为当下工程界亟待解决的关键问题之一[1-3]。灌浆施工质量和灌浆效果难以直观地检查，需要借助于对灌浆技术参数的检测和分析来评定[4-5]。当前国内外工程界已经大规模开始使用灌浆自动记录仪对灌浆压力、流量、浆液密度和地层抬动值这4个关键灌浆技术参数进行动态检测，但检测精度和稳定性无法保证；同时，由于自动记录仪仅是单一检测设备，而非智能化控制系统，其无法将检测结果进行反馈分析并自动控制。在当前灌浆施工中，灌浆压力仍采用人工控制，不仅控制精度低、操作反应时间长，而且严重依赖操作人员的工作经验和技能水平，这是灌浆工程安全事故频发的主要原因之一[6]。基于灌浆施工现状，为了实现关键灌浆参数的高精度、动态检测和灌浆压力的反馈自动控制，进而实施智能化灌浆，本文作者结合传感器技术、微机技术和自动控制技术，将软件和硬件设计相结合研制了自适应灌浆测控系统，并在糥扎渡水电站帷幕灌浆试验中对该系统进行应用验证。
1 自适应灌浆测控系统设计
1.1 系统设计与组成
自适应灌浆测控系统由系统主机、传感器设备、可编程逻辑控制器(PLC)、伺服电机、驱动器、减速机、调节阀门组和数据转存器等设备组合而成，系统元件和执行机构基于实际灌浆工况按照预设程序运行，动态检测关键技术参数，并反馈控制灌浆压力。系统基本组成和管网布设如图1所示。系统主要包括以下3个功能模块。
(1) 检测模块。主要由传感器组成，包括压力传感器、电磁流量计、自循环差压密度计和抬动传感器，分别用于检测压力、流量、密度和地层抬动值这4个关键灌浆参数。
(2) 反馈控制模块。主要由S7-400型PLC、三相永磁交流伺服电机(功率为0.75 kW，额定转矩为2.39 N·m)、高解析开放型伺服驱动器、蜗杆减速机(速比为5，中心距为35 mm，举升力为1×104 N，输入功率为0.3 kW，调整压力范围为0~38.5 MPa)和手动调节阀、电动调节阀等组成。
(3) 分析计算模块。它包括：
1) 系统主机。主要由80C196单片机系统、输入通道(接口电路和键盘)、输出通道(显示器、打印机和数据转存器)等组成，主机采用大屏幕微机系统将传感器信号采集、分析、数据处理，并显示实时曲线，控制打印机打印检测数据与实时曲线。
2) 输入通道。传感器分别将压力、流量、浆液密度和地层抬动值转换成电信号。压力、流量和浆液密度信号为模拟量，通过接口输入单片机的A/D口[7]。地层抬动信号转换成脉冲数字信号，通过接口输入单片机的计数器进行计算。键盘经8155并行接口芯片的I/O口将功能选择和参数设置的内容、打印数据格式及相关的打印命令等输入单片机[8]。
图1 自适应灌浆测控系统基本组成和管网布设
Fig.1 Equipment composition and pipeline design of adaptive grouting detection and control system
3) 输出通道。压力、流量、浆液密度和地层抬动信号输入单片机经过处理后，所得数据根据设定的条件和格式分别输出到液晶显示屏、打印机和数据存储器。当压力不足或压力过大时，输出数据给PLC，开始自动控制，稳定压力波动和减小地层抬动值，并声光报警。
1.2 检测与反馈控制
1.2.1 检测设备和原理
(1) 压力检测。采用KELLER压阻式压力传感器，根据单晶硅压阻效应对压力进行检测[9]，测量范围为0~10 MPa，理论检测精度为0.2%。
(2) 流量检测。采用光华K300电磁流量计，测量范围为0~100 L/min。当以水为测量介质时，测量误差小于0.1%。由于灌浆液是电解性液体，其流过电磁流量计管道时，将切割磁力线，于是，在磁场及流动方向的垂直方向上产生感应电势，其值与浆液的流速成正比[10]，故浆液体积流量可用下式得出：
(1)
式中：B为磁感应强度，T；E为感应电势，V；D为切割磁力线的导管液体长度即测量管内径，m。
(3) 密度检测。基于差压法设计了自循环差压密度计，测量范围为1~5 g/cm3。灌浆时，浆液沿垂直的导管流动，导管上安装2个相距为h的压力传感器，测得的2个液柱压力分别为P 1和P2，则浆液密度可根据静压液位测量原理计算得出[11]：
(2)
式中：P 1和P2分别为2个压力传感器测得的液柱静压力，N；
为液体密度，kg/m3；g为测量点的重力加速度，N/kg；H1和H2分别为2个压力传感器距液面的高度，m。
据式(2)所得测量精度容易受到灌浆管道跳变压力和流量变化的影响[12-14]，因此，在系统设计中，将密度计从灌浆主管道中脱离出来，加入特制的电机和泵，与浆桶形成独立于灌浆管道外的自循环测量系统，这样可保证密度及测量环境的相对稳定，成功实现静态液位测量向稳定动态液位测量的转换。自循环差压密度计主要由测量系统、动力系统和连通系统3部分构成，如图2所示。图2中：箭头表示浆液的循环流动线路；测量系统主要由测量管和压力传感器组成；动力系统由电动机和泥浆泵组成；连通系统主要由异形三通、回浆管和分流阀组成。
图2 自循环差压密度计结构示意图
Fig.2 Structure of self-circulation differential-pressure densimeter
(4) 地层抬动值检测。抬动传感器基于鉴相型直线式容栅传感器设计，主要包括定栅和动栅2部分，均由有规律排列的金属铜片组成。定栅在测量过程中位置固定不变，动栅随被测物体同步直线运动[15]。当真空中的介电常数、介质材料的相对介电常数和2块极板之间的距离为定值时，动栅相对定栅位移将与电容有定值比例关系，见式(3)。通过动栅、定栅间电容C的变化，就可实现位移x的精确测量。
(3)
式中：C为发射极电容，F；
为真空中的介电常数，F/mm；
为介质材料的相对介电常数，F/mm；x为动栅相对定栅位移，mm；b为极板厚度，mm；d为两极板之间的距离，mm。
1.2.2 灌浆压力反馈控制分析
灌浆压力易受被灌地层岩性、岩体裂隙几何特征及渗透性、浆液性能和水文地质条件等因素的影响而发生大范围波动[16]，而压力的波动将直接影响地层抬动值、流量和浆液密度的变化，因此，实现压力自动控制是自适应灌浆的关键。如图1所示，为检测灌浆孔的孔底压力，将压力传感器安装在返浆管路上，电动阀的进口端。在灌浆过程中，压力传感器将灌浆压力转换成4~20 mA的电流发送至数据采集控制卡，经过A/V转换后，控制卡将模拟信号转换成数字信号由PLC程序处理。PLC将动态检测的压力值与预先设定的灌浆压力进行对比，出现压力不足和超限的情况时根据设计程序，计算出压力控制的调整量电信号并产生相应的脉冲或模拟信号给伺服电机驱动器，驱动器根据接收的信号驱动伺服电机正转或反转，从而带动压力控制阀阀杆上下移动改变电动阀的开度，主动加压和卸荷，并循环执行，从而达到稳定灌浆孔内压力的目的[17]。
1.3 传感器与系统主机的接口
系统的模拟传感器信号均为4~20 mA的直流电流信号，以提高远距离传输的信号抗干扰能力。由于系统主机内部集成了A/D转换电路，模拟信号可直接通过接口与主机相连。其接口由隔离器、I/V转换器、低通滤波器、保护电路和基准电压等组成，如图3所示。模拟传感器输出的4~20 mA电流信号通过隔离器输入接口电路，经I/V转换器转换成1~5 V的直流电压，再经低通滤波器去掉干扰信号后，输往主机的A/D口。
图3 模拟信号接口电路原理框图
Fig.3 Principle of analog signal interface circuit
脉冲传感器输出高频脉冲信号，通过独立接口输入系统主机的计数器对脉冲进行计数[18]，硬件原理如图4所示。高频脉冲信号通过相敏整流转变成规则的负尖脉冲信号，经光电隔离器耦合后，再经微分电路和单稳态触发器变成单片机能接收的矩形波。
图4 脉冲信号接口电路原理框图
Fig.4 Principle of the pulse signal interface circuit
1.4 软件设计
系统软件人机交互界面良好，采用模块化的结构程序设计方法，设置了完善的子从程序。主程序简单明了，操作人员可根据菜单提示进行所需操作。软件主程序运行流程如图5所示。软件按执行功能可分为以下6个主要模块。
(1) 动态检测模块。动态显示压力、流量、密度和地层抬动值的瞬时值，并后台自动记录和存储灌浆参数的动态检测结果。
(2) 数据处理模块。根据工况计算所需要的压力、流量、浆液密度和灌浆累计量等。
(3) 自动控制模块。压力超限、不足或大范围波动时自动声光报警，根据需要计算压力调整量并自动控制，稳定压力、减小地层抬动值，直至灌浆工况恢复正常。
(4) 压水试验模块。采用3级压力5点法进行灌浆前的压水试验或检查孔的压水试验并根据需要生成试验曲线图。
(5) 通讯模块。实现主机与数据转存器的串行通讯(RS-232C)功能。
(6) 灌浆数据打印模块。从存储器中调出保存的数据，根据DL/T 5148—2012(《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》) [19]自动生成灌浆图表，根据需要打印曲线与表格。
图5 主程序灌浆检测和控制流程图
Fig.5 Grouting detection and control flow chart of main program
2 帷幕灌浆试验
2.1 系统检测与控制性能分析
云南糥扎渡水电站帷幕灌浆试验选用本系统进行灌浆质量检测和控制。糥扎渡水电站采用黏土心墙堆石坝设计，最大坝高达261.5 m，通过基础灌浆加强其坝基防渗帷幕的抗渗透能力及耐久性很重要。帷幕灌浆选定2个试验区，位于右岸距坝轴线上游60~100 m、高程695 m的平台上，基本涵盖了糥扎渡水电站主要岩层和地质构造，具有较强的代表性。试验设有单排帷幕和双排帷幕2种形式。双排孔排距1.5 m，孔距2.0 m，按3个次序施工。单排孔距2.0 m，按3个次序施工，帷幕孔深入基岩70 m，采用小口径钻孔、孔口封闭、无栓塞、自上而下分段灌浆法施工。水泥浆液采用水灰比2:1，1:1和0.5:1。灌浆压力如表1所示。
2.1.1 动态检测结果分析
灌浆廊道内高灰尘、潮湿且磁电干扰强，施工条件恶劣，设备能否正常、稳定工作将经受巨大考验。表2所示为自适应灌浆测控系统在试验中的一组动态检测结果。分析表2可知：在60 min的灌浆过程中，压力在1.0~4.0 MPa内变化，检测相对误差均小于2.5%；流量在0~40 L/min内变化，检测相对误差均小于0.8%；浆液密度在1.100~1.400 g/cm3内变化，检测相对误差均小于0.5%；地层抬动值变化范围为0.005~0.120 mm，未出现抬动值超限的情况，检测相对误差均小于4.5%。4个参数的检测精度都较高、稳定性较好，满足现场灌浆施工的检测精度要求。
表1 各灌浆分段压力取值
Table 1 Design of grouting pressure for different grouting segments
将表2中的实测值进行三次多项式回归分析，可得到压力与流量、密度以及地层抬动值的关系曲线，如图6所示。由图6(a)可知：随着灌浆压力的增大，流量和地层抬动值呈非线性增加，变化趋势较明显。
表2 帷幕灌浆试验动态检测结果
Table 2 Dynamic detection results of curtain grouting experiment
图6 灌浆压力与流量、地层抬动值、密度的关系及三次多项式拟合结果
Fig.6 Relationships between grouting pressure and flow, ground lifting values, density respectively and their fitting results by cubic polynomial
由于采用了自循环差压密度计，密度测量独立于灌浆主管道之外，有效避免了管道跳变压力和流量波动引起的测量误差，而且浆液配比是根据实测密度进行人工反馈控制。结合图6(b)可知：压力波动对密度检测的影响较小，密度变化相对稳定。
2.1.2 反馈控制结果分析
实现压力的反馈控制是系统设计的主要目的。在系统控制下，设定2.0 MPa压力灌浆时灌浆压力的阶跃响应曲线如图7所示。由图7可知：系统自动控制后，压力从初始的0开始快速上升到设定值左右，经过5 s左右的小幅波动后，趋于平衡，稳定停留在2.0 MPa的设定压力值上。这说明系统反馈控制压力的调节时间很短，超调量较小，控制精度较高，稳定性较好。
设定1.0 MPa压力灌浆时，灌浆孔内压力的反馈控制情况如图8所示。分析图8可知：由于灌浆管路内的复杂扰动使灌浆孔内的实际压力发生大范围波动，压力波动幅值为-0.25~0.21 MPa，波动幅度达设定值的25%，孔内压力极不稳定。自适应灌浆测控系统根据设定值1.0 MPa计算输出量，并开始自动控制，在6 s控制响应后，压力的波动被控制在-0.05~0.05 MPa的范围内(压力设定值的5%)，并逐渐趋于稳定。
图9所示为不同灌浆孔段的自适应灌浆控制结果。分析图9可知：在帷幕灌浆过程中，所有孔段的灌浆压力设定在0~5 MPa范围内；随着灌浆压力的逐渐升高，压力波动幅度逐渐增大；在自适应灌浆测控系统的控制下，压力波动的最大值在-0.25～0.25 MPa之内，即压力波动被控制在设定值的5%以内，控制相对误差不超过5%，控制响应时间基本稳定在5~6 s，系统的控制精度达到了设计要求，远远优于人工控制模式的最佳指标(操作反应时间为30~60 s，控制精度为压力设定值的15%~20%)，满足帷幕灌浆的压力控制要求。
图7 系统控制下2.0 MPa灌浆压力阶跃响应曲线
Fig.7 Step response of 2.0 MPa pressure under system control
图8 灌浆压力设定为1.0 MPa时压力波动情况
Fig.8 Changes of pressure fluctuations under grouting pressure of 1.0 MPa
图9 自适应灌浆测控系统控制性能
Fig.9 Control performance of adaptive grouting detection and control system
2.2 灌浆效果评价
帷幕防渗等级越高，其耐久性能越好，因此，保证灌浆达到较好的防渗效果是确保工程质量的关键。帷幕灌浆试验结果见表3。分析表3可知：随着灌浆孔序号的增加，基岩透水率、灌浆单耗均明显递减，小漏量孔段比例提高，大漏量的孔段比例大幅度减小，这表明灌浆形成的幕体结石致密，强度高，基岩透水率达到设计防渗要求。
试验布置了5个压水检查孔，采用自适应灌浆测控系统根据自上而下分段卡塞进行“五点法”压水试验，结果见表4。从表4可见：所有帷幕区基岩段的压水试验透水率均小于1 Lu，合格率为100%，平均防渗效果提高10~60倍。抽芯检查结果也表明岩石采取率高，岩石完整，岩体裂隙均已被明显充填，灌浆效果显著。在灌浆试验中运用自适应灌浆测控系统，不仅提高灌浆质量、节约人力物力，而且有效避免了压力大范围波动导致的工程安全问题。
表3 帷幕灌浆试验结果分序统计
Table 3 Sequence statistics of curtain grouting test results
表4 试验1区WJ-1-2检查孔压水试验结果
Table 4 Water pressure test results of NO.WJ-1-2 inspection hole
3 结论
(1) 密度检测采用自循环差压密度计可以有效避免浆桶液位波动的影响，消除了灌浆管道跳变压力和流量变化所造成的测量误差，测量精确度较高，稳定性良好。
(2) 系统反馈控制模块对灌浆压力的变化有较强的自适应能力，PLC、伺服电机、驱动器和电动调节阀的组合能够主动加压和卸荷，有效控制了灌浆压力的波动。
(3) 在帷幕灌浆试验中，自适应灌浆测控系统对压力、流量、密度和地层抬动值的检测相对误差分别为2.5%，0.8%，0.5%和4.5%，在5~6 s响应时间内可将压力波动自动控制在设定值的5%以内，其检测和控制精度高，响应快，稳定性好，满足现场施工的需要，可推广运用于其他帷幕与固结灌浆工程。
(4) 加强浆液配比自动控制的研究，以自适应控制彻底取代人工调节；同时，根据不同的灌浆工况建立计算机系统专家库，因地制宜实施灌浆方案，这样才能实现智能化、全自动化的自适应灌浆施工。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2013-04-22；修回日期：2013-06-18
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51208514)；国家中小企业创新基金资助项目(12C26214304879)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011QNZT007)
通信作者：徐蒙(1981-)，男，湖南长沙人，讲师，从事地质工程和灌浆工程仪器仪表等研究；电话：13975809372；E-mail: x1950217@126.com
