CN109083208A - 三区五段智能灌浆模型及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三区五段智能灌浆控制模型，其特征在于：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；以及公开了一种基于三区五段智能灌浆控制模型的控制方法，包括：建立三区五段智能灌浆模型；通过检测灌浆中的实时压力和流量，得到PQ值，判断PQ值在模型中的对应阶段，沿控制线最终达到E区。本发明通过三区五段智能灌浆控制模型确定最佳灌浆区，并且根据每个区的特点实施相应的灌浆控制；将灌浆控制历程分为五个阶段，每个阶段进行分别灌浆控制，对于不同的地层选择不同的灌浆历程；实现各类地质情况灌浆的智能控制。

Description

三区五段智能灌浆模型及控制方法

技术领域

本发明涉及灌浆工艺领域，尤其是一种三区五段智能灌浆模型及控制方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种三区五段智能灌浆模型及控制方法，通过构建三区五段智能灌浆模型，将灌浆过程分成三个区，确定最佳灌浆区，并且根据每个区的特点实施相应的灌浆控制；同时根据地层的不同，将灌浆控制历程分为五个阶段，每个阶段进行分别灌浆控制，对于不同的地层选择不同的灌浆历程；实现各类地质灌浆的智能控制。

本发明采用的技术方案如下：

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。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明三区五段智能灌浆控制模型的结构示意图。

图2是实施例中地层存在一定裂隙或一定渗漏通道的灌浆控制历程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1，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；

I区，实时PQ值小于最优值，落在包络线的左下方，I区容易造成裂隙的提前堵塞，过早拒浆；因此需快速通过；

II区，实时PQ值落在包络线上，此时为最优灌浆过程，由于压力和流量的波动，PQ值设定为一范围；

III区，实时PQ值大于最优值，落在包络线的右上方，长时间容易产生抬动或超灌，尽量避免发生；

通过实时检测灌浆过程的PQ值与最优PQ值对比，并自动调节修正实时PQ值，从而达到智能控制灌浆过程；

A阶段：灌浆注入量大于孔管占浆后仍无压无回(或压力＜0.1Pd)，一般为地层存在大渗漏通道，采用越级变浆；

B阶段：注入率在30L/min左右，压力可达到0.1Pd以上，PQ值没有达到最优PQ值，即压力小于PQ(设)/30，控制流量在30L/min，按每级300L逐级变浆；

C阶段：注入率小于30L/min，PQ值能达到最优PQ值，按P～Q控制灌浆，如某比级浆液灌注300L或30min而PQ不变，加浓一级，直到进入D阶段；

D阶段：当压力达Pd，注入率在1-10L/min范围内，PQ值连续减少直到E阶段；若PQ值30min内不变，密度连续递增，换新浆，延续30min结束；

E阶段：当压力达Pd，注入率小于等于1L/min，屏浆，延续规定时间结束。

在实施例中，所述快速升压I区和最佳灌浆II区以最优PQ值下限为界，最优PQ值下限的大小为αPd，αPd应避免灌浆不充分或长时间低压灌浆；所述最佳灌浆II区和灌浆风险III区以最优PQ值上限为界，最优PQ值上限的大小为βPd，βPd应避免地表抬动或浆液扩散太远造成浆液浪费；α、β的取值根据地层条件取值。

实施例二：

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：绘制灌浆过程控制图，建立P、Q、C之间的控制关系；

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确定直线A、B，一般取30L/min；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确定直线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，包络线就是灌浆过程控制线，按给定的最大压力、最大流量、最优PQ值自动生成智能灌浆控制图。

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，具体包括：

快速升压I区：快速升压至最优PQ值控制范围，避免小注入率情况长时间低压灌浆；

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：为易发生抬动造成结构破坏或超灌造成浆液浪费的区域，应快速降至最优PQ值控制范围；

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；所述特大注入量处理：最浓比级后注入量达N1kg/m待凝；

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，选择30L/min，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，即PQ值在20％之内波动，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；对变浆后Q/p减小50％，恢复开灌水灰比进行灌注；

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300L或30min，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300L或30min，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，注入率小于等于1L/min，屏浆，延续规定时间结束。

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。

实施例三：

与实施例二相比，本实施例中，在建立三区五段智能灌浆模型后，根据地质勘探孔或先导孔、物探孔，确定岩体透水率等地质条件，选择灌浆控制历程：如表1所示：

表1五类地层灌浆历程

在表一中，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。

如图2，在类型三的地层存在一定裂隙或一定渗漏通道的灌浆历程图中，给出了灌浆中的的压力曲线、PQ曲线、注入率曲线和密度曲线，反映了灌浆中的压力、PQ、注入率和密度变化；在灌浆的升压时程控制中，灌浆设定的压力P＝Kt，K为升压速率，K一般取1MPa/min；在配浆、补浆、变浆的时程控制中，根据公式T＝Vo/Qo+Vw/Qw，计算变浆所需原浆量Vo和清水量Vw，T为时间，Q为流量，Qo为管道内原浆流量，Qw为清水流量；通过阀门启闭时间控制加水和加浆量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.三区五段智能灌浆控制模型，其特征在于：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：灌浆累计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。

2.如权利要求1所述的三区五段智能灌浆控制模型，其特征在于：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。

3.基于三区五段智能灌浆控制模型的控制方法，其特征在于：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。

4.如权利要求3所述的基于三区五段智能灌浆控制模型的控制方法，其特征在于：还包括：根据地质勘探孔或先导孔、物探孔，确定岩体透水率和地质条件，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。

5.如权利要求3所述的基于三区五段智能灌浆控制模型的控制方法，其特征在于：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。

6.如权利要求5所述的基于三区五段智能灌浆控制模型的控制方法，其特征在于：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。

7.如权利要求3所述的基于三区五段智能灌浆控制模型的控制方法，其特征在于：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：严格控制进入的范围。

8.如权利要求7所述的基于三区五段智能灌浆控制模型的控制方法，其特征在于：所述五个阶段的灌浆控制方法：

A阶段的灌浆控制方法：调节泵的输出排量，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，延续设计结束时间Tend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。