裂隙岩体灌浆压力及其稳定性控制方法研究

论文摘要

随着目前地下工程建设发展规模的不断扩大和水利工程的不断兴起,灌浆技术在国内外得到越来越广泛的应用。但是由于灌浆工程属于隐蔽工程,使得灌浆技术的发展至今为止还不很成熟,在灌浆工程实践运用过程中还存在理论落后于实践,灌浆施工参数测控技术自动化程度不高的情况,裂隙岩体灌浆压力对灌浆效果影响的研究还不成熟,灌浆压力反馈稳定性控制有待研究就是其中之一。本论文通过理论与实践相结合分析研究了灌浆压力对灌浆效果的影响及其确定方法,通过数学建模,设计制造等研发了GYPC灌浆压力稳定性控制系统,并结合室内试验和现场应用等方法对该系统的基本性能、作用机理和存在的不足进行系统分析研究。论文取得的主要研究成果如下:笔者分析研究了灌浆压力偏大造成的裂隙岩体劈裂效应和扩缝效应的作用机理和数学模型,给出了两者对灌浆效果的影响,并在灌浆压力理论计算法中分析了压力偏小造成灌浆失败的原因。灌浆压力的确定至今没有统一的方法,笔者分别研究总结了灌浆压力的经验选取法、理论计算法、灌浆试验法和综合选取法等,其中理论计算法主要研究了裂隙岩体灌浆压力反推计算法和水力劈裂理论计算法;灌浆试验法主要为常规压水试验、现场灌浆试验、水力阶撑试验等。影响灌浆压力稳定性的因素很复杂,笔者从管路系统的液动特性出发,具体分析了影响灌浆压力稳定性的因素:灌浆孔地层的阻尼特性,调节阀的运行状况和灌浆泵的泵量液动特性等。详细研究了灌浆管路系统内流体流动的静态平衡方程和动态分析计算方法,根据水泥浆液的纳维-斯托克斯（N-S）方程,采用特征线法建立了灌浆压力稳定性的数学模型,其中包括划分网格,差分格式的收敛条件,惯性因子的计算,单管混合问题的特征线差分法等,整个灌浆管路可以转化为一系列描述管道,设备,灌浆孔和调节阀的非线性代数方程组,笔者采用牛顿迭代法进行求解。建立的流体力学模型为灌浆压力稳定性控制软件的编制提供了流体力学理论基础和具体的设计思路。分析研究了灌浆管路系统中各个管道元件阻尼系数的计算方法,为调节灌浆压力稳定性计算提供量化的计控制量,其中包括:①研究粘性浆液在灌浆管路中存在的沿程阻力（或称摩擦阻力）和局部阻力及其阻尼系数的计算方法;②裂隙灌浆中孔壁为粗糙的可灌浆的有岩缝的岩层,研究浆液分别按照纯牛顿流体,粘度随时间变化的牛顿流体,纯宾汉流体和粘度随时间变化的宾汉流体等流体形式在裂隙中的流动规律;③研究三缸单作用往复泵（灌浆泵）的瞬间流量脉动变化规律及P-Q特性;④从调节阀的静态与动态特性出发,研究了其线性特性、等百分比特性及抛物线特性等流量特性,并给出了每种特性下压力与流量的关系。运用专家系统的设计思想,将模糊控制算法和常规PID控制算法结合起来使用,构成一套完整的具有智能特点算法。研制了基于Fuzzy-PID复合控制算法和流体力学数学模型的GYPC灌浆压力稳定性控制系统,其中上位系统采用WINCC6.0+STEP7软件开发,下位系统采用SIEMENS S7-500系列PLC,上位系统包括工艺流程,参数设置,信号模拟,历史趋势曲线和历史数据查询,数据打印等基本功能。GYPC灌浆压力稳定性控制系统创新点是:压力稳定性的控制原理是建立在管网流体力学平衡方程的基础上,具有精度高、稳定性好等优点,通过GYPC控制系统使压力波动在5-12秒之内稳定在设置压力值0.15MPa以内,这个指标在国内是领先的,远远优越于人工调节,满足现场应用的需要。本项目建立的室内灌浆压力稳定性控制模拟试验台是国内首创的,可以很好地对灌浆技术管路中的流体流动特性进行多种试验。完成了灌浆泵和调节阀的流量特性试验,在模拟灌浆孔不稳定及其他因素造成灌浆压力波动的情况下,采用GYPC灌浆压力稳定性控制系统进行了使压力值稳定在要求范围内的试验研究:首次应用系统的观点,把灌浆管路主要组成部分之间的相互联系与影响作为研究对象,采用模拟灌浆施工的方法,提高了试验研究仿真性。GYPC控制系统在裂隙岩体帷幕灌浆工程应用的结果表明,系统的控制原理正确,方法可行,效果优良,填补了国内空白,可推广应用到工程实际当中。同时采用大循环灌浆方式,灌浆时还应根据工程现场地质实际情况进行控制和调节灌浆压力,来获得最佳灌浆效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 灌浆技术的历史与发展
• 1.2.1 国外灌浆技术的历史与发展
• 1.2.2 国内灌浆技术的历史与发展
• 1.3 裂隙岩体灌浆理论的研究现状
• 1.3.1 岩体结构理论的研究现状
• 1.3.2 灌浆渗流理论的研究现状
• 1.3.3 灌浆加固体强度理论及本构关系研究现状
• 1.4 灌浆过程参数监控技术的发展现状
• 1.5 灌浆压力稳定性控制的重要性
• 1.6 本文研究内容与方法
• 1.6.1 研究内容
• 1.6.2 研究方法
• 第二章 裂隙岩体灌浆压力对灌浆效果影响的研究
• 2.1 灌浆压力的影响及选用原则
• 2.2 裂隙岩体水力劈裂效应对灌浆效果的影响
• 2.2.1 水力劈裂效应
• 2.2.2 水力劈裂模型
• 2.2.3 裂隙岩体水力劈裂效应对灌浆效果的影响
• 2.3 裂隙岩体扩缝效应对灌浆效果的影响
• 2.3.1 扩缝效应
• 2.3.2 岩体中裂纹扩展机理
• 2.3.3 裂隙岩体扩缝效应对灌浆效果的影响
• 2.4 裂隙岩体压力挤密效应对灌浆效果的影响
• 2.5 裂隙岩体灌浆压力确定方法研究
• 2.5.1 裂隙岩体灌浆总压力的计算方法
• 2.5.2 裂隙岩体灌浆压力的经验选取法
• 2.5.3 裂隙岩体灌浆压力的理论计算法
• 2.5.4 裂隙岩体灌浆压力的试验确定法
• 2.5.5 裂隙岩体灌浆压力的综合确定法
• 2.6 本章小结
• 第三章 灌浆压力稳定性流体力学模型的建立与求解
• 3.1 安装电动调节阀的灌浆管路系统的构成
• 3.2 灌浆压力稳定性因素分析
• 3.2.1 灌浆孔地层的阻尼特性
• 3.2.2 调节阀的运行状况
• 3.2.3 灌浆泵的泵量液动特性
• 3.3 管路系统平衡控制静态方程
• 3.4 管道路系统动态瞬变分析
• 3.4.1 管道动态流动的流体运动方程
• 3.4.2 管道动态流动的流体连续性方程
• 3.4.3 特征线法
• 3.4.4 划分网格
• 3.4.5 差分格式的收敛条件
• 3.4.6 惯性因子的意义以及计算
• 3.4.7 单管混合问题的特征线差分方法
• 3.4.8 接点连接条件
• 3.4.9 牛顿迭代法
• 3.5 压力稳定性的控制计算
• 3.6 本章小结
• 第四章 灌浆管路系统参数的分析与研究
• 4.1 液路系统中管件的阻尼系数的计算
• 4.1.1 直管中摩擦损失的计算公式
• 4.1.2 局部阻力损失
• 4.2 灌浆孔内的基本情况
• 4.2.1 裂隙岩体中浆液单向流的研究
• 4.2.2 裂隙岩体中浆液辐向流的研究
• 4.2.3 裂隙岩体中灌浆扩散的研究
• 4.3 灌浆泵的压力流量特性研究
• 4.3.1 单作用往复泵
• 4.3.2 双作用往复泵
• 4.3.3 往复泵排浆量脉动特性的研究
• 4.3.4 三缸单作用泵瞬间流量的研究
• 4.4 调节阀静态特性和动态特性研究
• 4.4.1 调节阀的静态特性研究
• 4.4.2 调节阀的动态特性研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 压力稳定性自动控制系统的研究
• 5.1 数字PID控制的研究
• 5.1.1 P调节
• 5.1.2 I调节
• 5.1.3 D调节
• 5.1.4 数字PID调节器
• 5.2 数字PID调节器参数的整定
• 5.2.1 试验经验法
• 5.2.2 扩充临界比例度法
• 5.2.3 扩充阶跃响应曲线法
• 5.2.4 PID归一参数整定法
• 5.3 模糊控制的研究
• 5.3.1 模糊控制的基本原理
• 5.3.2 模糊化
• 5.3.3 模糊推理
• 5.3.4 去模糊化
• 5.3.5 模糊控制器设计步骤
• 5.3.6 模糊控制的优缺点
• 5.4 Fuzzy-PID复合式控制器的组成与工作原理
• 5.4.1 知识库
• 5.4.2 推理机构
• 5.4.3 仿真和应用研究
• 5.4.4 灌浆施工过程中相关参数控制
• 5.5 GYPC控制系统的基本原理
• 5.6 GYPC控制软件设计的基本思想
• 5.7 GYPC控制系统的上位系统的基本功能介绍
• 5.7.1 工艺流程
• 5.7.2 参数设置
• 5.7.3 趋势图形设置
• 5.7.4 信号模拟
• 5.7.5 报警记录
• 5.7.6 历史趋势曲线和历史数据查询
• 5.7.7 打印功能
• 5.8 GYPC控制系统的下位系统的基本功能介绍
• 5.8.1 硬件组成
• 5.8.2 STEP 7软件简介
• 5.8.3 软件编程
• 5.9 本章小结
• 第六章 灌浆压力稳定性的室内试验与工程应用研究
• 6.1 室内灌浆试验装置及其设备
• 6.1.1 模拟灌浆试验台的设计与制造
• 6.1.2 模拟试验台设备介绍
• 6.2 试验结果与讨论
• 6.2.1 灌浆模拟试验台灌浆泵的试验结果
• 6.2.2 灌浆模拟试验台阀门测试结果
• 6.2.3 灌浆压力波动的调节控制
• 6.3 工程应用研究
• 6.3.1 工程概况
• 6.3.2 工程地质及水文地质条件
• 6.3.3 灌浆压力的分析研究与确定
• 6.3.4 其他参数的设计
• 6.3.5 灌浆施工工艺流程
• 6.3.6 GYPC灌浆压力控制系统的应用
• 6.3.7 帷幕灌浆效果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果