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水利水電工程智能灌漿控制技術(shù)與控制系統(tǒng)研究

文檔作者：劉全文檔來源：安徽瑞豐水利建筑有限公司		更新日期： 2026年05月30日	點擊數(shù)：
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上一篇：水利水電工程中土石壩施工技術(shù)分析

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工程技術(shù)與應(yīng)用2022年第17期總第121期工程技術(shù)研究
D0I:10.19537/j.cnki.2096-2789.2022.17.020.
水利水電工程智能灌漿控制技術(shù)與控制系統(tǒng)研究
Research on Intelligent Grouting Control Technology and Control System for Water
Conservancy and Hydropower Projects
劉全
Liu Quan
安徽瑞豐水利建筑有限公司，安徽蚌埠233000
Anhui Ruifeng Water Conservancy Construction Co., Ltd., Bengbu, Anhui 233000
摘要：為了達到提升水利水電工程灌漿施工中配漿調(diào)壓
精準(zhǔn)性的目的，文章引入智能控制思想，提出一種智
能灌漿控制技術(shù)。該項技術(shù)采用了閉環(huán)控制方法，將
灌漿施工拆分為連續(xù)的5個施工階段，形成P-Q-C-t
（P為灌漿壓力，Q為注入率，C為漿液密度，t為灌
漿歷時）聯(lián)動灌漿控制體系。借助云平臺開發(fā)了符合
P-Q-C-t 聯(lián)動灌漿控制需求的智能灌漿控制系統(tǒng)。應(yīng)
用測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)應(yīng)用下水泥損耗率為89.48%，
棄灰量為11440.6kg，比單元機應(yīng)用下的水泥損耗低，
可見應(yīng)用該施工技術(shù)有助于提升配漿調(diào)壓精準(zhǔn)性。
關(guān)鍵詞：智能控制；灌漿施工技術(shù)；水泥灌漿；水利水
電工程
Abstract: In order to achieve the purpose of improving the
accuracy of slurry mixing and pressure regulation in grouting
construction of water conservancy and hydropower projects,
this paper introduces the idea of intelligent control
and proposes an intelligent grouting control technology. The
technology adopts a closed-loop control method to divide
the grouting construction into five consecutive construction
stages, forming a P-Q-C-t ( P is grouting pressure, Q is injection
rate, C is slurry density, t is grouting duration ) linkage
grouting control system. An intelligent grouting control
system which meets the requirements of P-Q-C-t linkage
grouting control is developed with the help of cloud platform.
The application test results show that the cement loss
rate under the application of the system is 89.48%, and the
amount of the discarded ash is 11 440.6 kg, which is lower
than the cement loss under the application of the unit machine.
It can be seen that the application of this construction
作者簡介：劉全，男，本科，工程師，研究方向為工程施工技術(shù)。
60
technology helps to improve the accuracy of slurry mixing
and pressure regulation.
Key Words: intelligent control; grouting construction technology;
cement grouting; water conservancy and hydropower
project
分類號：TV543
1水利水電工程灌漿施工控制技術(shù)
水利水電工程環(huán)境較為復(fù)雜，施工現(xiàn)場容易出現(xiàn)
劈裂、涌水、注人率陡降等特殊情況，灌漿施工對精
度要求較高，傳統(tǒng)的灌漿控制方法很難滿足要求，容
易受到周圍環(huán)境因素和人為因素的影響"。隨著智能
化控制技術(shù)的快速發(fā)展，為灌漿施工控制工藝的優(yōu)化，
開辟了新的路徑2]。通過開發(fā)智能控制平臺，對灌漿
施工現(xiàn)場設(shè)備作業(yè)狀態(tài)進行操控，可減少人工干預(yù)的
影響。
2基于智能控制平臺的水利水電工程灌
漿施工控制技術(shù)
2.1水泥灌漿三區(qū)五段智能施工控制模型
為了實現(xiàn)精準(zhǔn)化灌漿施工，文章在開發(fā)智能化灌
漿施工操控系統(tǒng)時，構(gòu)建了水泥灌漿三區(qū)五段智能施
工控制模型。該模型是在單位時間內(nèi)，對設(shè)定灌漿段
的灌漿能量加以實時控制[3]。其中，涉及的控制參數(shù)
有2個，分別是單位注人率、灌漿壓力，兩個參數(shù)的
乘積就是控制指標(biāo)。針對不同施工環(huán)境，采取不同的
智能施工控制方案，將施工區(qū)域劃分為三區(qū)五段，如
圖1（見下頁）所示。
工程技術(shù)研究第7卷總第121期2022年9月工程技術(shù)與應(yīng)用
1 情況加以及時處理。
銀流
(uu/)
一
0 PPPP/MPa
P為灌漿壓力；Q為單位注入率；POmax臨為上限值，POmin臨為下限值，
二者表示區(qū)間控制范圍；Pa為設(shè)計壓力；α為PQmin臨與Pa的比值；
圖1水泥灌漿三區(qū)五段智能施工控制模型
水泥灌漿三區(qū)情況如下：I區(qū)灌漿不是很穩(wěn)定，區(qū)
域內(nèi)升壓速度較快，灌漿短時間內(nèi)達到壓力控制上限
值，此區(qū)域可以避免小注入率對灌漿施工質(zhì)量的影響，
縮短低壓灌漿時間；Ⅱ區(qū)灌漿比較穩(wěn)定，當(dāng)灌漿施工
環(huán)境中的壓力達到上限數(shù)值后趨于穩(wěn)定，持續(xù)一段時
間后，壓力開始下降，達到壓力下限值后再次升壓；
整個過程，灌漿壓力在限定范圍內(nèi)變化，直至灌漿操
作結(jié)束；Ⅲ區(qū)灌漿存在一定風(fēng)險，該區(qū)域內(nèi)灌漿操作
期間容易出現(xiàn)巖體松動情況，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)破壞，或
者灌漿量超出施工標(biāo)準(zhǔn)，致使資源浪費。
該施工段的劃分，實際上是將一個連續(xù)的灌漿操
作拆分為五個階段，涉及的調(diào)節(jié)參數(shù)包括灌漿密度、
流量、壓力，以大吸漿量作為起始操控，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，
使得灌漿逐漸趨于穩(wěn)定[4。以下為五段的具體劃分：
（1）A階段：設(shè)置大注人率標(biāo)準(zhǔn)，通過大吸漿量
的把控，完成本階段的灌漿，施工特點為無壓無回。
（2）B階段：加大注人率，直至達到最大值，主要
取決于Qmax，一般情況下取值30 L/min。
（3）C階段：采取區(qū)間控制加以施工，設(shè)定灌漿壓
力最大值PQmx臨和灌漿壓力最小值PQmimn臨。
（4）D階段：設(shè)置小注人率標(biāo)準(zhǔn)，完成灌漿操作。
（5）E階段：屏漿結(jié)束，以設(shè)定的壓力Pa作為灌
漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。
灌漿期間，模型的原點（Q=0，P=0，C=0）為操
控起始點，施工期間根據(jù)實際情況調(diào)整施工參數(shù)，經(jīng)
過不同階段的灌漿控制，最終達到E階段，結(jié)束灌漿。
2.2實時施工控制技術(shù)
為了避免施工期間一些因素會對施工質(zhì)量造成影
響，該施工控制技術(shù)將灌漿施工看作一套聯(lián)動控制對
象，創(chuàng)建P-Q-C-t聯(lián)動實施控制體系。該控制體系，
將五個階段的灌漿施工管控?zé)o縫銜接，并對特殊施工
1
POmxt=-βPa iⅢ區(qū)！
Ⅱ區(qū)PQmmin 價=aPa
CI
區(qū)
1
1
一
β為 PQmax臨與 Pa的比值。
（1）A階段：該階段采用限流措施，對灌漿注入
量加以控制。其中，限流參數(shù)為30L/min，孔段吸
漿量大于該參數(shù)，壓力小于0.3MPa。當(dāng)注入量達到
800kg/m后，停止注人待凝。
（2）B階段：該階段控制灌漿壓力，使其穩(wěn)定在
0.1～0.4Pa，持續(xù)灌漿注入率為30L/min，時間長達
P 10min后變漿。當(dāng)注人量達到800kg/m，停止注人待凝。
（3）C階段：設(shè)定上限注人率30L/min，下限注
人率12L/min，控制灌漿注人率在此限定范圍內(nèi)變化，
先按照P-Q升壓，持續(xù)穩(wěn)定一段時間后，開始下壓，
達到灌漿結(jié)束條件時，結(jié)束此注入率區(qū)間的操控。
（4）D階段：采用小注人率灌漿方法施工，設(shè)定
上限注人率12 L/min，下限注人率1L/min，在此方位
調(diào)節(jié)注入率，持續(xù)時間約30min。該階段容易出現(xiàn)失
水問題，采取回濃方法加以處理。
（5）E階段：屏漿，控制注入率在1L/min以下，
延續(xù)一段時間后停止灌漿。
2.3正常灌漿與特殊情況灌漿一體化施工控制
技術(shù)
以下為不同地層條件下的一體化灌漿施工控制技
術(shù)方案。其中，A、B、C、D、E分別代表不同階段施
工技術(shù)應(yīng)用下的灌漿歷程代碼，以代碼設(shè)計施工技術(shù)，
具體施工方法見上一個小節(jié)提及的階段性施工技術(shù)。
（1）地層致密，基本上不存在吃漿情況，該條件
下采取的灌漿施工控制技術(shù)方案為E。
（2）地層多處存在裂隙，其特點為細(xì)微緊密，該
條件下采取的控制技術(shù)方案為D→E。
（3）地層多處存在裂縫，裂縫大小不均勻，少量
裂縫較大，或者存在滲漏通道，該條件下采取的控制
技術(shù)方案為C→D→E。
（4）地層多處存在裂縫，裂縫較大，或者存
在較大滲漏通道，該條件下采取的控制技術(shù)方案為
B→C→D→E。
（5）孔段地層裂縫較大，并且裂縫寬度較大，部
分區(qū)域出現(xiàn)規(guī)格較大的滲漏通道，該條件下采取的控
制技術(shù)方案為 A→B→C→D→E。
3　水利水電工程灌漿施工智能控制系統(tǒng)
的應(yīng)用
3.1水泥灌漿智能控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
此次研究在云平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)一套智能灌漿控
61
工程技術(shù)與應(yīng)用2022年第17期總第121期工程技術(shù)研究
制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多種傳感器采集灌漿施工相關(guān)參
數(shù)數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)分析，可以掌握當(dāng)前施工狀態(tài)
及質(zhì)量，有助于水泥灌漿施工設(shè)備操控及施工方案的
調(diào)整。
該系統(tǒng)利用智能灌漿控制器下達信息采集命令，
此時壓力傳感器、流量傳感器、密度傳感器、溫度傳
感器、抬動傳感器開始采集相關(guān)信息，而后將這些信
息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心。按照數(shù)據(jù)類別不同，將其劃
分為關(guān)于配漿控制數(shù)據(jù)、壓力控制數(shù)據(jù)，作為兩大控
制模塊的數(shù)據(jù)支撐。
（1）配漿控制。該控制模塊是對進漿流速、進水
流速進行控制，通過控制進漿閥門和進水閥門作業(yè)狀
態(tài)及參數(shù)，實現(xiàn)兩項指標(biāo)的有效控制。與此同時，開
啟過載保護模式，根據(jù)配漿控制需求，設(shè)定參數(shù)限定
范圍，超過范圍則開啟保護模式，從而保證進漿和進
水閥門的正常作業(yè)，延長設(shè)備使用壽命。考慮到配漿
作業(yè)期間可能產(chǎn)生一些雜質(zhì)，為了提高配漿施工質(zhì)量，
該系統(tǒng)利用排污閥將雜質(zhì)排除，與配漿控制模塊協(xié)同
作業(yè)。
（2）壓力控制。該控制模塊主要運用了雙控法，
將軟件控制與機械控制結(jié)合到一起，對灌漿泵、高壓
閥門加以控制。系統(tǒng)開發(fā)壓力開關(guān)后，利用傳感器采
集灌漿施工設(shè)備及現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)信息，同樣經(jīng)過數(shù)據(jù)
處理中心加以處理，得到關(guān)于壓力控制相關(guān)的參數(shù)數(shù)
據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析，判斷當(dāng)前灌漿施工壓力環(huán)境是否
正常，如果超出規(guī)定范圍，則發(fā)出報警，同時利用軟
件操控設(shè)備給予過壓保護。在軟件操控系統(tǒng)的作用下，
灌漿泵控制裝置開始作業(yè)，此時高壓閥門和灌漿泵作
業(yè)參數(shù)發(fā)生變化，使其滿足當(dāng)前條件的施工需求，以
此提高灌漿施工作業(yè)質(zhì)量。
3.2基于云平臺的灌漿施工智能管控
此次研究選擇云平臺作業(yè)智能管控功能開發(fā)工具，
提出iGM云平臺智能灌漿管理方案。該方案采用API
接口，將iGM平臺與材料管理模塊、施工管理模塊連
接，在施工管控的同時，統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)，以便下一步
智能施工管控方案的調(diào)整，形成自動配漿變漿管控。
該智能管控方案將自動排污、漿液參數(shù)感知集于一體，
采用雙密度計壓差法，計算回漿筒、配漿筒之間的壓
測點控制方法注入量/kgg工程量/m
5#壩段單元機3599.80 2229.74 33/409 31980.7 7014.2 17599.8
6#壩段智能灌漿3 979.28 1345.86 35/249 18755.8 3830.5 11440.6
62
力參數(shù)差值，根據(jù)該差值做出調(diào)整，從而避免灌漿孔
吸漿量對配漿施工造成一定影響。為了滿足高質(zhì)量智
能灌漿控制，該系統(tǒng)采用動態(tài)調(diào)控的方式，根據(jù)灌漿
施工實際情況進行補漿，補漿量為30～200L，以此
減少棄漿。
3.3應(yīng)用效果分析
為了檢驗此次研究設(shè)計的智能灌漿控制系統(tǒng)的可
靠性，選取5#壩段、6#壩段作為測點，分別采用單
元機控制方法、智能灌漿控制方法施工，展開不同灌
漿控制應(yīng)用下的測試分析。人工灌漿與智能灌漿控制
下的棄漿量統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。
對比表1中的兩種控制方法應(yīng)用下的水泥灌漿施
工效果可知，智能灌漿在棄漿量控制方面的優(yōu)勢更大。
單元機應(yīng)用下的水泥損耗中棄灰量為17599.8kg，而智
能灌漿技術(shù)應(yīng)用下的水泥損耗中棄灰量為11440.6kg。
另外，單元機應(yīng)用下水泥損耗率為93.95%，智能灌漿
技術(shù)應(yīng)用下水泥損耗率為89.48%。結(jié)合其他參數(shù)的統(tǒng)
計結(jié)果，判斷此次研究設(shè)計的智能灌漿控制系統(tǒng)能夠
有效改善棄漿現(xiàn)狀，對灌漿質(zhì)量的提升幫助較大。
4結(jié)束語
文章圍繞水利水電工程灌漿施工技術(shù)展開研究，
針對傳統(tǒng)灌漿施工技術(shù)存在的不足，引人智能化控制
技術(shù)，提出一種智能灌漿施工方法，借助云平臺，開
發(fā)灌漿施工控制系統(tǒng)。應(yīng)用測試結(jié)果顯示，文章提出
的智能灌漿控制系統(tǒng)能夠有效改善棄漿現(xiàn)狀，棄灰量
低，水泥損耗率偏低，該智能灌漿控制方案的應(yīng)用有
利于水利水電工程施工質(zhì)量的提升。
參考文獻
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研究[J].施工技術(shù),2019,48(1):1407-1410.
表1人工灌漿與智能灌漿控制下的棄漿量統(tǒng)計結(jié)果
孔數(shù)/段
數(shù)管占中轉(zhuǎn)損耗棄灰量(kg·m)
7.91
8.49
水泥損耗/kg 單位棄灰量／單位注入量／
(kg·m)
1.65
2.95
損耗率/%
93.95
89.48

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