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)在國內(nèi)外得到越來越廣泛的應(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，在灌漿工程實踐運(yùn)用過程中還存在理論落后于實踐，灌漿施工參數(shù)測控技術(shù)自動化程度不高的情況，裂隙巖體灌漿壓力對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。本論文通過理論與實踐相結(jié)合分析研究了灌漿壓力對灌漿效果的影響及其確定方法，通過數(shù)學(xué)建模，設(shè)計制造

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)試驗和現(xiàn)場應(yīng)用等方法對該系統(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，給出了兩者對灌漿效果的影響，并在灌漿壓力理論計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)驗選取法、理論計算法、灌漿試驗法和綜合選取法

3、等，其中理論計算法主要研究了裂隙巖體灌漿壓力反推計算法和水力劈裂理論計算法；灌漿試驗法主要為常規(guī)壓水試驗、現(xiàn)場灌漿試驗、水力階撐試驗等。 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特性等。詳細(xì)研究了灌漿管路系統(tǒng)內(nèi)流體流動的靜態(tài)平衡方程和動態(tài)分析計算方法，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，慣性因子的計算，單管混合問題的特征線差分法等，整個灌漿管路可以轉(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)計思路。 分析研究了灌漿管路系統(tǒng)中各個管道元件阻尼系數(shù)的計算方法，為調(diào)節(jié)灌漿壓力穩(wěn)定性計算提供量化的計控制量，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，粘度隨時間變化的牛頓流體，純賓漢流體和粘度隨時間變化的賓漢流體等流體形式在裂隙中的流動規(guī)律；③研究三缸單作用往復(fù)泵(灌漿泵)的瞬間流量脈動變化規(guī)律及P-Q特性；④從調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)與動態(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、專家系統(tǒng)的設(shè)計思想，將模糊控制算法和常規(guī)PID控制算法結(jié)合起來使用，構(gòu)成一套完整的具有智能特點算法。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，信號模擬，歷史趨勢曲線和歷史數(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，通過GYPC控制系統(tǒng)使壓力波動在5-12秒之內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)置壓力值0.15MPa以內(nèi)，這個指標(biāo)在國內(nèi)是領(lǐng)先的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于人工調(diào)節(jié)，滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需要。 本項目建立的室內(nèi)灌漿壓力穩(wěn)定性控制模擬試驗臺是國內(nèi)首創(chuàng)的，可以很好地對灌漿技術(shù)管路中的流體流動特性進(jìn)行多種試驗。完成了灌漿泵和調(diào)節(jié)閥的流量特性試驗，在模擬灌漿孔不穩(wěn)定及其他因素造成灌漿壓力波動的情況下，

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)的試驗研究；首次應(yīng)用系統(tǒng)的觀點，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象，采用模擬灌漿施工的方法，提高了試驗研究仿真性。 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)了國內(nèi)空白，可推廣應(yīng)用到工程實際當(dāng)中。同時采用大循環(huán)灌漿方式，灌漿時還應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)場地質(zhì)實際情況進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)灌漿壓力，來獲得最佳灌漿