灌漿施工過程可控論文

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編者按：本文主要從工程概述；施工控制概念結(jié)構(gòu)；灌漿質(zhì)量子系統(tǒng)控制；工程費用子系統(tǒng)控制；環(huán)境效應(yīng)子系統(tǒng)控制；結(jié)束語進行論述。其中，主要包括：傳統(tǒng)的控制模型或方法舍棄了許多系統(tǒng)因子、工程實踐中要求施工控制理論和方法盡可能簡單實用、將灌漿工程看成包含幾個子結(jié)構(gòu)的、一個復(fù)雜的系統(tǒng)、整個灌漿系統(tǒng)的控制過程、全系統(tǒng)的最優(yōu)控制不一定要求各子系統(tǒng)的全部最優(yōu)化、在全系統(tǒng)運行最優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上進行工程分析、灌漿質(zhì)量子系統(tǒng)主要包括灌入能力、可塑性以及強度特性、尺寸效應(yīng)定理、劈裂定向定理、劈裂判別定理、吸滲反應(yīng)定理、施工控制策略要使灌漿的凈效益最大,而灌漿和施工控制費用盡可能地小、環(huán)境效應(yīng)控制質(zhì)量指標級別值的劃分、質(zhì)量指標與影響程度和時效的定量關(guān)系等，具體請詳見。

摘要:灌漿施工過程控制是一個復(fù)雜的控施工控制概念結(jié)構(gòu)制系統(tǒng),涉及到方方面面。在施工過程中選取具體的參數(shù)、控制手段和方法,才能使灌漿這一隱蔽工程作到可控,達到預(yù)期的灌漿施工目的。

關(guān)鍵詞:水利水電工程;灌漿施工技術(shù);施工控制

1工程概述

一般的水利水電工程灌漿施工控制理論往往存在下列問題:

傳統(tǒng)的控制模型或方法舍棄了許多系統(tǒng)因子,而且在大多數(shù)情況下只從子結(jié)構(gòu)的范疇考慮問題,因此,它無法協(xié)調(diào)控制(計算)精度與系統(tǒng)復(fù)雜程序之間的矛盾。

,這是由于施工條件的局限性(工期短、現(xiàn)場人員理論水平不高以及造價限制等)所造成的。另一方面,控制技術(shù)或理論的復(fù)雜性并不等于精確性。

由于灌漿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在不確定性,導(dǎo)致系統(tǒng)分析成果可能失真。因此,要完善灌漿的施工控制,必須做好理論基礎(chǔ)工作,建立合理的施工控制概念結(jié)構(gòu)。

2施工控制概念結(jié)構(gòu)

2.1將灌漿工程看成包含幾個子結(jié)構(gòu)的、一個復(fù)雜的系統(tǒng),灌漿施工控制理論即是在某種“最優(yōu)化”意義下求解該系統(tǒng)的方法和策略的統(tǒng)稱。它除了包含漿液的灌漿載體中滲流和相互作用規(guī)律的數(shù)學表述、模型化和最優(yōu)化技術(shù)外,還補充了公理化、因果反饋和工程分析等內(nèi)容。

2.2整個灌漿系統(tǒng)的控制過程見圖1。對整個系統(tǒng)的運籌采用最優(yōu)性準則和工程分析相結(jié)合的方式,而對各個子系統(tǒng)則主要采用一般的漿液滲流理論和最優(yōu)化方法處理。各子系統(tǒng)之間用耦合變量連接,并利用先松弛一個或更多最優(yōu)化的必要條件以使其獨立。全系統(tǒng)的最優(yōu)控制不一定要求各子系統(tǒng)的全部最優(yōu)化,子系統(tǒng)的最優(yōu)解必須滿足耦合方程:

Xi=∑CijYi,i=1,2,3,n

Yi=Hi(Xi,Ui,Mi,ai),i=1,2,3,n

式中Xi為從其他子系統(tǒng)進入子系統(tǒng)Ri的輸入向量;Yi為子系統(tǒng)Ri的輸出向量;Cij為耦合矩陣;Ui為系統(tǒng)輸入向量(非調(diào)控的)U的子向量;Mi為決策變量m的子向量;ai為模型參數(shù)向量a的子向量。

2.3在全系統(tǒng)運行最優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上進行工程分析。它包括以下兩個方面:①將由最優(yōu)化分析獲得的施工控制策略和決策變量用工程的觀點檢查分析,以驗證其技術(shù)的可能性。②考慮在系統(tǒng)運行一段時間后,即在灌漿過程中,系統(tǒng)狀態(tài)將發(fā)生變化,從而系統(tǒng)的輸出亦將改變,為此,將新的狀態(tài)變量輸入灌漿控制數(shù)學模型進行反饋分析和靈敏度分析,以判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3灌漿質(zhì)量子系統(tǒng)控制

灌漿質(zhì)量子系統(tǒng)主要包括灌入能力、可塑性以及強度特性等。其控制目標因水利樞紐工程性質(zhì)與設(shè)計施工要求而變。其控制方法:根據(jù)預(yù)定的控制目標進行漿材選擇,并參照下述的10個灌漿定理預(yù)測和協(xié)調(diào)地質(zhì)條件、漿材性質(zhì)及施工技術(shù)工藝之間的關(guān)系,以及在壩基或混凝土壩體中的滲流場、溫度場諸反應(yīng),使其達到最優(yōu)選擇。其灌漿定理概括如下:

3.1尺寸效應(yīng)定理。對于滲透灌漿,漿材顆粒尺寸d必須小于被灌介質(zhì)縫隙Dp或孔隙的尺寸R,即必須滿足漿材對孔(縫)隙的尺寸效應(yīng):

注意,若為粒狀漿液,其滲流狀態(tài)除受尺寸效應(yīng)控制外,同時也受下述流變效應(yīng)控制。

3.2劈裂定向定理。采用劈裂灌漿方式進行灌漿時,劈裂現(xiàn)象必然會首先發(fā)生在載體中垂直最小主應(yīng)力的平面上。

3.3劈裂判別定理。劈裂灌漿可以采用數(shù)值法和Q=f(P)曲線法來表示灌漿載體中發(fā)生水力劈裂的條件并判別其性質(zhì)。

數(shù)值法——對鉆孔壓水試驗結(jié)果進行分析,可區(qū)分三類情況:當流量與水頭呈線性關(guān)系時,水在裂隙中呈層流狀態(tài),灌漿載體中未發(fā)生水力劈裂;流量與水頭呈平方根函數(shù)時,滲流呈紊流狀態(tài),可能裂隙中發(fā)生了阻塞或裂隙中的充填料被壓密;當流量的增長高于水流的增長時,表明滲流斷面已被擴大,這是由于載體劈裂、裂隙充填物沖走或裂隙變形等原因所致。

Q=f(P)曲線法--根據(jù)鉆孔壓水試驗結(jié)果,按照圖1中的曲線形式判別劈裂性質(zhì):P與Q呈直線關(guān)系,灌漿載體未發(fā)生水力劈裂,見圖1(a);流量隨壓力不可逆地增大,載體裂隙發(fā)生了沖刷或塑性變形,見圖1(b);流量的增大是可逆的,載體裂隙發(fā)生了彈性變形,見圖1(c)。

3.4吸滲反應(yīng)定理。化學漿液對低透介質(zhì)的滲透主要不是壓滲作用,而是由于漿液對載體的潤濕能力和親和力,即所謂吸滲作用。漿液對載體的潤濕,以其接觸角來表示,若接觸角θ>90°,漿液是載體的潤濕相,親和力F>0,有吸滲作用;若θ<90°,則無吸滲作用,漿液必須藉外加壓力才能迫其灌入。

4工程費用子系統(tǒng)控制

在這個系統(tǒng)中,用最優(yōu)化分析解決問題,即在本系統(tǒng)的運籌中,施工控制策略要使灌漿的凈效益最大,而灌漿和施工控制費用盡可能地小。筆者將后者視作是負效益。為了盡可能地減少這種負效益,必須在一定的自然規(guī)律和施工條件的約束下,按照最優(yōu)化原則,結(jié)合工程分析考慮施工控制工藝和方法,對整個灌漿系統(tǒng)進行科學的管理注意,這里不提負效益最小,而只要求負效益盡可能減少。這是由于在灌漿工程情況下,最優(yōu)解并不一定是理想的運用方法。

假定施工控制的目標為已知,那么,在最優(yōu)運用的策略下滿足施工控制要求,就會使負效益為最小。這個問題可具體表述為:

x∈x;i=1,2,……m

并滿足:設(shè)-r(xi)=0(5)

Xil≤Xi≤Xiu

約束條件:P>P設(shè)

t>t設(shè)

非負條件:xi>0

式中M為灌漿工程費用,即負效益,元;X為決策變量;Ci(xi)為負效益費用函數(shù),其類型中的主要內(nèi)容列于表1;xi為決定負效益分量大小的決策變量;r設(shè)為漿液設(shè)計擴散半徑,cm;r(xi)為漿液實際擴散半徑cm;xi1,xiu為決策變量xi的上、下限;P,P設(shè)為施工實際灌漿壓力及設(shè)計灌漿壓力,MPa;t,設(shè)t為實際灌漿歷時及設(shè)計灌漿歷時,h。

5環(huán)境效應(yīng)子系統(tǒng)控制

灌漿施工工程對環(huán)境效應(yīng)的影響評價遵循國家對水利樞紐工程建設(shè)要求的長遠的觀點、時代的觀點、生態(tài)學的觀點、經(jīng)濟的觀點和全流域的觀點。特別需要強調(diào)的是灌漿工程對其總體目標——自然環(huán)境、人文社會環(huán)境等的需要以確立其價值,并以此為確定權(quán)值、評價值的重要依據(jù)。

為每m3漿液費用V為估計漿液漏失量

環(huán)境效應(yīng)子系統(tǒng)的評價因子為:氣溫、濕度風速、降水量、霧、水質(zhì)、水溫、地下水、水化學、污染帶(源)、施工中飄塵、有害氣體、生活與生產(chǎn)污染物及水體污染、運輸、爆破及施工機械噪聲、施工及棄液、棄渣對景觀破壞及灌漿全過程和建成后長期對人員健康與鄰近建筑物安全的影響等。

5.1環(huán)境效應(yīng)控制質(zhì)量指標級別值的劃分采用“質(zhì)量指標級別值劃分表”,見表2。

5.3質(zhì)量指標與影響程度和時效的定量關(guān)系。設(shè)評價初始時間為0,評價的任一時間為t,灌漿工程給環(huán)境效應(yīng)的質(zhì)量狀態(tài)評分為E(t),未灌漿時用E1(t)表示;灌漿時用E2(t)表示。于是,環(huán)境質(zhì)量變化為:

△E(t)=E(t)-E(0)(6)

在時間t內(nèi),灌漿與不灌漿的環(huán)境質(zhì)量變化則為:

△ER(t)=E2(t)-E1(t)(7)

現(xiàn)在討論絕對影響程度I(t)。

從生態(tài)環(huán)境受影響的時間動態(tài)看,在時間[0,t]內(nèi),灌漿工程對生態(tài)環(huán)境的最大影響程度是使其質(zhì)量達到最理想或最惡劣,即E(t)=10或E(t)=0。因而D(t)=10-E(0)為有利(正面)影響的限度值;C(t)=0-E(0)=-E(0)為不利(負面)影響的限度值。也就是說,若△E(t)=D(t),表明極端有利(正面)影響;若△E(t)=D(t)表明極端不利(負面)影響若△E(t)=0則無影響。據(jù)此分析,絕對影響程度I(t)表示為:

影響時效在這里系指灌漿工程對環(huán)境質(zhì)量變化的過程和經(jīng)歷時間的長短,以及影響隨時間的積累作用,它定義為灌漿工程對環(huán)境質(zhì)量變化的時間積分,其單位為“質(zhì)量·年”。

6結(jié)束語

本文提出了灌漿施工過程控制是一個復(fù)雜的控制系統(tǒng),同時對施工控制概念結(jié)構(gòu)、灌溉質(zhì)量系統(tǒng)控制、工程費用子系統(tǒng)控制及環(huán)境效應(yīng)子系統(tǒng)控制進行了闡述。