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摘要：施工质量的好坏是决定水利水电工程成败的关键因素之一, 一个优质的建设工程是实施严格具有先进质量管理的结果,本文对水利水电工程中的灌浆施工控制问题进行了分析,提出了施工质量控制方法和措施。
关键词：水利水电工程；灌浆施工；质量控制
Abstract: The quality of the construction quality is a key factor in determining the success of water resources and hydropower engineering, a good quality construction project is the results to implement strictly of the advanced quality management, this paper analyzes the grouting of water conservancy and hydropower engineering control problem, provide the construction quality control methods and measures.Key words: water resources and hydropower engineering; grouting; quality control
中图分类号：F407.9文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1.引言
在水利水电工程的灌浆施工控制中,往往存在着以下问题:
1.1传统的控制模型或方法舍弃了许多系统因子,而且在大多数情况下只从子结构的范畴考虑问题,因此,无法协调控制(计算)精度与系统复杂程序之间的矛盾。
1.2工程实践中要求施工控制理论和方法尽可能简单实用,这是由于施工条件的局限性(工期短、现场人员理论水平不高以及造价限制等)所造成的。从另一方面讲,控制技术或理论的复杂性并不等于精确性。
1.3由于灌浆系统的结构存在不确定性,导致系统分析结果可能失真。
因此,要完善灌浆的施工控制就必须做好理论基础工作,建立合理的施工控制概念结构。
2.施工控制概念结构
2.1将灌浆工程看作是一个包含几个子结构的、复杂的系统,灌浆施工控制理论即是在某种“最优化”意义下求解该系统的方法和策略的统称。它除了包含浆液的灌浆载体中渗流和相互作用规律的数学表述、模型化和最优化技术外,还补充了公理化、因果反馈和工程分析等内容。
2.2对整个系统的运筹采用最优性准则与工程分析相结合的方式,而对各个子系统则主要采用一般的浆液渗流理论和最优化方法处理。各子系统之间用耦合变量连接,并利用先松弛1个或更多的最优化的必要条件以使其独立。全系统的最优控制不一定要求各子系统全部最优化,子系统的最优解必须满足耦合方程:
(i=1,2…,n)
(i=1,2…,n)
式中: Xi ———其他子系统进入子系统Ri的输入向量;
Yi ———子系统Ri 的输出向量;
Cij———耦合矩阵;
Ui———系统输入向量(非调控的) U的子向量;
Mi ———决策变量m 的子向量;
αi———模型参数向量α的子向量。
2.3在全系统运行最优化分析的基础上进行工程分析。它包括以下两个方面: ①将由最优化分析获得的施工控制策略和决策变量采用工程的观点进行检查分析,以验证其技术的可能性; ②考虑在系统运行一段时间后,即在灌浆过程中,系统状态将发生变化,因而系统的输出也将改变,为此,将新的状态变量输入灌浆控制数学模型进行反馈分析和灵敏度分析,以判别系统的稳定性。
3.灌浆质量子系统的控制
灌浆质量子系统主要包括灌入能力、可塑性以及强度特性等,其控制目标因水利枢纽工程的性质与设计施工要求而定。其控制方法是:根据预定的控制目标进行浆材选择,并参照下述的几个灌浆定理预测和协调地质条件、浆材性质及施工技术工艺之间的关系,以及在坝基或混凝土坝体中的渗流场、温度场诸反应,使其达到最优选择。
3.1尺寸效应定理。对于渗透灌浆,浆材的颗粒尺寸d必须小于被灌介质缝隙Dp 或孔隙的尺寸R ,即必须满足浆材对孔(缝)隙的尺寸效应。
(2)
考虑到群粒的堵塞作用的累加影响,当(2)式应用于施工控制时,要求: 。若为粒状浆液,其渗流状态除受尺寸效应控制外,同时也受下述流变效应控制。
3.2劈裂定向定理。采用劈裂灌浆方式进行灌浆时,劈裂现象必然会首先发生在载体中垂直最小主应力的平面上。
3.3劈裂判别定理。劈裂灌浆可以采用数值法和Q = f ( p)曲线法来表示灌浆载体中发生水力劈裂的条件并判别其性质。
采用数值法对钻孔压水试验结果进行分析,可区分3类情况:当流量与水头呈线性关系时,水在裂隙中呈层流状态,灌浆载体中未发生水力劈裂;流量与水头呈平方根函数时,渗流呈紊流状态,可能裂隙中发生了阻塞或裂隙中的充填料被压密;当流量的增长高于水流的增长时,表明渗流断面已被扩大,这是由于载体劈裂、裂隙充填物被冲走或裂隙变形等原因所致。
Q = f ( p)曲线法是根据钻孔压水试验结果,按照图1中的曲线形式来判别劈裂性质:若p与Q 呈直线关系,灌浆载体未发生水力劈裂,见图1 ( a) ;若流量随压力不可逆地增大,则载体裂隙发生了冲刷或塑性变形,见图1 ( b) ;若流量的增大是可逆的,则载体裂隙发生了弹性变形,见图1 ( c) 。
图1几种典型的压水试验曲线示意图
3.4吸渗反应定理。化学浆液对低透介质的渗透主要不是压渗作用,而是由于浆液对载体的润湿能力和亲和力,即所谓的吸渗作用。浆液对载体的润湿以其接触角θ来表示, 若接触角θ> 90°,浆液是载体的润湿相,亲和力F > 0,有吸渗作用;若θ<90°,则无吸渗作用,浆液必须借助外加压力才能迫使其灌入。
4.工程费用子系统的控制
在這个系统中是用最优化分析解决问题,即在本系统的运筹中,施工控制策略要使灌浆的净效益最大,而灌浆和施工控制费用尽可能地小,笔者将后者视作是负效益。为了尽可能地减少这种负效益,必须在一定的自然规律和施工条件的约束下,按照最优化原则,结合工程情况考虑施工控制工艺和方法,对整个灌浆系统进行科学的管理。需要注意的是,这里只要求负效益尽可能减少,而不是负效益最小。这是因为对于灌浆工程而言,最优解并不一定是理想的运用方法。假定施工控制的目标为已知,那么,在最优运用的策略下满足施工控制要求,就会
使负效益为最小。这个问题可具体表述为:
M = F (X ) =min{( xi ) } ( xi ∈x; i = 1, 2, ⋯, m )
(3)
并满足: r设- r( xi ) = 0 ( x ≤xi ≤x) (4)
约束条件: P > P设
t > t设(5)
非负条件: xi > 0(6)
式中:M ———灌浆工程费用(即负效益) ,元;
X ———决策变量;
Ci ( xi ) ———负效益费用函数,其类型中的主要内容列于表1;
xi ———决定负效益分量大小的决策变量;
r设———浆液设计扩散半径, cm;
r( xi ) ———浆液实际扩散半径, cm;
x, x ———决策变量xi 的上、下限;
P, P设———施工实际灌浆压力及设计灌浆压力,MPa;
t, t设 ———实际灌浆历时及设计灌浆历时, h。
表1负效益费用函数表
5.结语
总而言之，灌浆施工的过程控制是一个复杂的控制系统。要做好灌浆过程控制,首先要做好以上的工作,然后在施工过程中选取具体的参数、控制手段和方法,才能使灌浆这一隐蔽工程做到可控,从而达到预期的灌浆施工的目的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：水利水电工程；灌浆施工；质量控制
Abstract: The quality of the construction quality is a key factor in determining the success of water resources and hydropower engineering, a good quality construction project is the results to implement strictly of the advanced quality management, this paper analyzes the grouting of water conservancy and hydropower engineering control problem, provide the construction quality control methods and measures.Key words: water resources and hydropower engineering; grouting; quality control
中图分类号：F407.9文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1.引言
在水利水电工程的灌浆施工控制中,往往存在着以下问题:
1.1传统的控制模型或方法舍弃了许多系统因子,而且在大多数情况下只从子结构的范畴考虑问题,因此,无法协调控制(计算)精度与系统复杂程序之间的矛盾。
1.2工程实践中要求施工控制理论和方法尽可能简单实用,这是由于施工条件的局限性(工期短、现场人员理论水平不高以及造价限制等)所造成的。从另一方面讲,控制技术或理论的复杂性并不等于精确性。
1.3由于灌浆系统的结构存在不确定性,导致系统分析结果可能失真。
因此,要完善灌浆的施工控制就必须做好理论基础工作,建立合理的施工控制概念结构。
2.施工控制概念结构
2.1将灌浆工程看作是一个包含几个子结构的、复杂的系统,灌浆施工控制理论即是在某种“最优化”意义下求解该系统的方法和策略的统称。它除了包含浆液的灌浆载体中渗流和相互作用规律的数学表述、模型化和最优化技术外,还补充了公理化、因果反馈和工程分析等内容。
2.2对整个系统的运筹采用最优性准则与工程分析相结合的方式,而对各个子系统则主要采用一般的浆液渗流理论和最优化方法处理。各子系统之间用耦合变量连接,并利用先松弛1个或更多的最优化的必要条件以使其独立。全系统的最优控制不一定要求各子系统全部最优化,子系统的最优解必须满足耦合方程:
(i=1,2…,n)
(i=1,2…,n)
式中: Xi ———其他子系统进入子系统Ri的输入向量;
Yi ———子系统Ri 的输出向量;
Cij———耦合矩阵;
Ui———系统输入向量(非调控的) U的子向量;
Mi ———决策变量m 的子向量;
αi———模型参数向量α的子向量。
2.3在全系统运行最优化分析的基础上进行工程分析。它包括以下两个方面: ①将由最优化分析获得的施工控制策略和决策变量采用工程的观点进行检查分析,以验证其技术的可能性; ②考虑在系统运行一段时间后,即在灌浆过程中,系统状态将发生变化,因而系统的输出也将改变,为此,将新的状态变量输入灌浆控制数学模型进行反馈分析和灵敏度分析,以判别系统的稳定性。
3.灌浆质量子系统的控制
灌浆质量子系统主要包括灌入能力、可塑性以及强度特性等,其控制目标因水利枢纽工程的性质与设计施工要求而定。其控制方法是:根据预定的控制目标进行浆材选择,并参照下述的几个灌浆定理预测和协调地质条件、浆材性质及施工技术工艺之间的关系,以及在坝基或混凝土坝体中的渗流场、温度场诸反应,使其达到最优选择。
3.1尺寸效应定理。对于渗透灌浆,浆材的颗粒尺寸d必须小于被灌介质缝隙Dp 或孔隙的尺寸R ,即必须满足浆材对孔(缝)隙的尺寸效应。
(2)
考虑到群粒的堵塞作用的累加影响,当(2)式应用于施工控制时,要求: 。若为粒状浆液,其渗流状态除受尺寸效应控制外,同时也受下述流变效应控制。
3.2劈裂定向定理。采用劈裂灌浆方式进行灌浆时,劈裂现象必然会首先发生在载体中垂直最小主应力的平面上。
3.3劈裂判别定理。劈裂灌浆可以采用数值法和Q = f ( p)曲线法来表示灌浆载体中发生水力劈裂的条件并判别其性质。
采用数值法对钻孔压水试验结果进行分析,可区分3类情况:当流量与水头呈线性关系时,水在裂隙中呈层流状态,灌浆载体中未发生水力劈裂;流量与水头呈平方根函数时,渗流呈紊流状态,可能裂隙中发生了阻塞或裂隙中的充填料被压密;当流量的增长高于水流的增长时,表明渗流断面已被扩大,这是由于载体劈裂、裂隙充填物被冲走或裂隙变形等原因所致。
Q = f ( p)曲线法是根据钻孔压水试验结果,按照图1中的曲线形式来判别劈裂性质:若p与Q 呈直线关系,灌浆载体未发生水力劈裂,见图1 ( a) ;若流量随压力不可逆地增大,则载体裂隙发生了冲刷或塑性变形,见图1 ( b) ;若流量的增大是可逆的,则载体裂隙发生了弹性变形,见图1 ( c) 。
图1几种典型的压水试验曲线示意图
3.4吸渗反应定理。化学浆液对低透介质的渗透主要不是压渗作用,而是由于浆液对载体的润湿能力和亲和力,即所谓的吸渗作用。浆液对载体的润湿以其接触角θ来表示, 若接触角θ> 90°,浆液是载体的润湿相,亲和力F > 0,有吸渗作用;若θ<90°,则无吸渗作用,浆液必须借助外加压力才能迫使其灌入。
4.工程费用子系统的控制
在這个系统中是用最优化分析解决问题,即在本系统的运筹中,施工控制策略要使灌浆的净效益最大,而灌浆和施工控制费用尽可能地小,笔者将后者视作是负效益。为了尽可能地减少这种负效益,必须在一定的自然规律和施工条件的约束下,按照最优化原则,结合工程情况考虑施工控制工艺和方法,对整个灌浆系统进行科学的管理。需要注意的是,这里只要求负效益尽可能减少,而不是负效益最小。这是因为对于灌浆工程而言,最优解并不一定是理想的运用方法。假定施工控制的目标为已知,那么,在最优运用的策略下满足施工控制要求,就会
使负效益为最小。这个问题可具体表述为:
M = F (X ) =min{( xi ) } ( xi ∈x; i = 1, 2, ⋯, m )
(3)
并满足: r设- r( xi ) = 0 ( x ≤xi ≤x) (4)
约束条件: P > P设
t > t设(5)
非负条件: xi > 0(6)
式中:M ———灌浆工程费用(即负效益) ,元;
X ———决策变量;
Ci ( xi ) ———负效益费用函数,其类型中的主要内容列于表1;
xi ———决定负效益分量大小的决策变量;
r设———浆液设计扩散半径, cm;
r( xi ) ———浆液实际扩散半径, cm;
x, x ———决策变量xi 的上、下限;
P, P设———施工实际灌浆压力及设计灌浆压力,MPa;
t, t设 ———实际灌浆历时及设计灌浆历时, h。
表1负效益费用函数表
5.结语
总而言之，灌浆施工的过程控制是一个复杂的控制系统。要做好灌浆过程控制,首先要做好以上的工作,然后在施工过程中选取具体的参数、控制手段和方法,才能使灌浆这一隐蔽工程做到可控,从而达到预期的灌浆施工的目的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。