二参数小循环灌浆的测量原理及其弊端

1、二参数小循环灌浆的测量原理及其弊端摘要：本文介绍了灌浆工程中小循环灌浆法的由来，特点及测量原理。分析了其无法准确、真实检测小流量的致命先天设计缺陷和不能适时检测浆液动态密度,流量计和灌浆管道易堵塞，灌浆过程中井孔内易发生固结钻具事故等诸多弊端。指出为确保灌浆工程质量，必须禁止使用小循环灌浆法，应采用大循环灌浆法，大循环灌浆法在一些水电项目中的实践证明:它具有技术先进性和经济合理性。灌浆词：小循环灌浆，大循环灌浆，流量计，LJII型灌浆压水测控系统0前言在国外，灌浆工程一般采用纯压式灌浆法，从灌浆泵排出的浆液通过一条进浆管完全进入灌浆孔中。浆液一般采用浓浆，水灰比比级变化较少，甚至仅有一个比级2

2、。因此，一般仅需在灌浆泵后的管路中安装一台流量计即可准确地测出进入灌浆孔浆液的流量和累计注入量，同时不记录水灰比的大小。国内灌浆工程尤其是帷幕灌浆中一般都采用循环式灌浆法，循环式灌浆是指返浆浆液流回搅浆桶和浆桶内的新浆混合后再由灌浆泵送入钻孔的一种灌浆方法2。但从没有大、小循环之分。80年代末，我国开始引进国外灌浆记录仪，例如VOPI型灌浆自动记录仪是我国引进法国Jeanlutzsa公司的产品。但其共同的特点是只用了一台流量计,只适用于纯压式灌浆.受其影响,，我国早期研制的灌浆自动记录仪基本上沿用了国外的模式也采用一台流量计。而面对的却是循环式灌浆,为避免返浆浆液流回浆桶后流量计重复计量和所谓

3、流量计不能承受高压的问题，将流量计安装在灌浆泵的吸浆口上,为了不增加泵的吸入阻力,流量计的口径和灌浆泵的吸浆管道一致，就被迫形成了所谓的小循环灌浆法。如图1所示：1小循环灌浆的测量原理小循环灌浆法其实质是：泵的吸入量主要由返浆量提供，返浆量的大小由高压调节阀控制，钻孔灌浆注入量=流量计量。流量计大部分时间工作在1/3量程之下，相当长的时间内工作在1L/min左右。返浆浆液不返回搅浆桶，浆液只能在闭合的管道中循环。浆桶内调节水灰比对灌浆浆液的密度影响甚微。图1小循环灌浆现场管线安装图2存在的弊端小循环灌浆法是由于国产灌浆自动记录仪的出现而取代大循环灌浆法的，在我国水利水电灌浆工程已应用了很多年，

4、就是现在依然还有许多水电建设工程采用小循环法灌浆。但是不少人在接触小循环灌浆的同时不断发现其存在一些缺陷和无法解决的弊端，因此小循环灌浆近二年来在全国大、中型水电工程中不断遭到禁用。起初笔者对小循环灌浆的缺陷认识是感性和宏观上的，最近一个偶然的机会在翻阅电磁流量计（以下简称EMF）选型设计资料时，对选用口径为40mm（以下简称DN40）或口径为50mm（以下简称DN50）的EMF能否准确真实地检测小流量甚至零点几升的微小流量产生了质疑。就EMF工作原理而言，小循环的流量计大部分时间工作在1/3量程之下，且相当长的时间内工作在1L/min左右。如此低的流速，又要保持精度和线性度简直是不可能的。而

5、检测小流量甚至零点几升的微小流量又是针对灌浆结束标准这样既重要又严肃的指标。至少仪器的设计是不慎重和缺乏科学态度的，现场应用检测结果的可信度也就不言而喻了。综合二参数、小循环灌浆法其他的问题，不能不无遗憾地讲，该是终结其继续使用的时候了。2.1无法准确真实检测小流量EMF的测量原理是基于法拉第电磁感应定律。即：导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电动势。其感应电动势为：E=KBVD其中=仪表常数B=磁感应强度V=测量管截面内的平均流速D=测量管的内直径实际测量流量时，除要求被测的流动液体具有最低限度的导电率外，测量管内的使用流速应经济合理口,正常检测流量应大于满量程的50%。这样

6、才能确保流量传感器输出电动势与平均流速呈精确线性关系。小循环灌浆中灌浆量检测范围一般在0-100L/min之间。灌浆泵的吸入量基本上由灌浆孔的返浆浆液提供，流过流量计的量即为钻孔的吸浆量，此量很小，通常都在流量计量程的1/3以下，且每段灌浆流量计都有近2个小时工作在2L/min左右，90分钟或60分钟需较准确地工作在1L/min或0.6L/min（甚至0.4L/min）。若选用DN50的EMF,对于屏浆阶段小于1L/min的浆液流量，可以计算管道浆液流速如下：Q=AV（1）式中：Q流过流量计测量管的流量，L/min；A流量计工艺管道的横截面积，mm2；/rr/rrA=d2=x502=1962.

7、5mm2V浆液流速，m/s.所以44V=Q/A=19625x导x106=.085m/s=.51m/min对于DN40，1L/min对应的浆液流速为0.01326m/s。由EMF的测量原理可知，其流量的下图2流速与测量误差值的关系限由同噪声或偏移的信噪比S/N来决定，上限则由测量管内衬里的磨损和配管的经济速度等来决定。一般当测量管内实际流速V0.1m/s时，感应电动势已变得十分微弱,（几微伏零点几微伏）此时噪声的影响逐步变为主导，甚至淹没信号电动势。其流速和测量误差的关系详见图2和表1。表格1流量与示值误差的关系流里（L/min）DN40流速(m/s)示值误差（）200.2651100.1132

8、50.066420.02651010.01326200.60.00796330.40.0053土50从图2、表1可以看出，当灌浆孔吸浆量很小，流速V0.1m/s时，流量测量值的误差已变得非常大，且随着流速的变小呈直线上升。对于1L/min（流速为0.0085m/s、0.0133m/s）的测量点由于测量误差达20%，已无精度可言。至于0.6L/min或0.4L/min的测量结果究竟是由噪声还是由信号所致，可信度就更无法考证了。尽管EMF有较宽的测量范围，其量程比可达1：30甚至1：50，但使用的首要依据是正常流量大于满量程的50%，即工作在2/3量程区，尽可能不使用1/3量程区，以确保一定的测量

9、精度。且正常流量对应的流速应选用2m/s的经济流速。小循环灌浆时，要测的浆液流量基本上都在1/3量程以下，且每段灌浆流量计都有近2个小时工作在2L/min以下，所以应优先选用口径较小（DN15）量程为2.5m3/h的EMF。但在实际灌浆中小循环有时又不得不面对岩溶地层大吃浆量的需求，而把量程定为灌浆泵的泵量（6m3/h）,从而量程1：100,由于EMF不可改变的安装位置而又必须选用DN40或DN50。最终小循环灌浆只好将错就错而制造出一个矛盾体。2.2结石强度降低水泥是一种水硬性的建筑材料。搅拌是使水泥和水均匀分布的必要条件。但是超长时间的搅拌，将破坏水泥浆液中各矿物成分和水在一系列化学反应中

10、逐渐生成的系列硅酸盐水化合物和氢氧化钙所形成的各种晶体和微晶体C-H-S体系的胶体和它们共生体互相穿插交叉形成的网状结构，破坏水化作用的深入和晶体的增长，从而降低水泥结石强度（图3）5。小循环灌浆总是一部分旧浆在孔内循环待灌，相当于超长时间的搅拌，势必会影响结石强度。2.3EMF易被水泥胶结，测量误差变大，甚至损坏传感器式中：3、f分别为附着物和测量溶液的电导率，t为附着物厚度，d为直径。从式中可以看出：3和f相等，则无误3fAs=1a丫1a丿Vf(2)当灌浆孔吸浆量小时（如屏浆阶段流量小于lL/min）,由浆筒进入流量计的新鲜浆液也很少，浆液流速很低，水泥浆液极易沉积在EMF测量管道底部，长

11、时间后就会产生不同程度的胶结，甚至堵塞EMF测量管和相接的灌浆管道。此现象在EMF水平安装时尤为突出，施工者不得不频繁的清除测量管内的水泥结垢，费工费时，也大大降低内衬和电极的使用寿命，甚至损坏传感器。同时几乎静止的流速致使水泥颗粒滞留在电极和衬里上，随时间变长就会凝结产生附着层，附着层在电极上引起零点变动，附着层在衬里上则引起附加示值误差As，如果附着的厚度是一样的话，As由式（2）计算：差，但事实上附着在内管上的水泥颗粒几乎是绝缘的，电导率极低，这就使得电极之间的阻抗容量发生变化，进而产生As。同时附着物的厚度使测量管内径变小，也会产生As，其综合作用的结果导致测量误差陡峭上升。2.4易造

12、成埋钻事故当孔内不吃浆或在衡压屏浆阶段，由于孔内的吃水不吃浆,变浓的浆液又不能和浆桶内的新浆混合，浆液迅速变浓、比重大、极易在灌浆孔内沉淀造成埋钻和抱钻事故。此时及时测量和了解孔内浆液密度变化是十分重要的，但由于小循环管道连接封存性使在管道中测水灰比变的十分困难。不能实时检测水灰比在浆桶内测水灰比根本不能反映真实情况（目前小循环灌浆施工中基本上都在浆桶里称测水灰比）。不能指导现场适时变浆，由于泵量基本上有返浆量提供即使在浆桶内改变浆液配比对钻孔内的浆液也影响甚少，根本无法有效的实现灌浆过程适时检测和调整浆液的配比。流量计安装位置不对决不能在泵抽吸侧安装流量计图5安装建议EMF原则上不允许安装在

13、泵的吸入端（图5），因为吸入端的浆液中会混入成泡状流的微小气泡，此时EMF仍可正常工作，但测得的是含气泡体积的混合体积流量；如果气体含量增加到形成弹（块）状流，因电极可能被气体盖住使电路瞬时断开，出现输出晃动甚至不能正常工作6。而小循环灌浆EMF却只能安装在泵的吸入端，对测量的影响是显而易见的。同时EMF安装在搅拌箱旁边，工作条件更差，保养和检修都不方便。综上所述，小循环灌浆法存在着先天的设计缺陷和弊端。其功能和性能都还不能满足灌浆生产过程动态监测的需要。因此，要从根本上解决照搬国外产品功能的灌浆自动记录仪与我国现行灌浆规范不相适应的问题，真正地发挥灌浆自动记录仪在灌浆工程中的监督和指导作用，

14、科学灌浆，提高灌浆工程的质量，推动我国灌浆技术的新发展，缩短与国际先进水平的差距。必须抛弃小循环灌浆法，采用更符合我国灌浆工程实际情况的新思路。3大循环灌浆在没有采用灌浆自动记录仪之前，循环式灌浆都是大循环方式，即从灌浆泵排出的浆液进入灌浆孔后，一部分通过压力进入岩土体，剩余部分通过回浆管返回到浆桶，与新浆混合循环使用。因此，要正确地记录进浆量，必须同时测量进浆管和回浆管上的流量。采用两个EMF,即可解决流量计量问题。大循环灌浆方式流量计的现场安装布局见图4所示。分析如下:3.1灌浆孔进浆量的计算图4大循环灌浆方式现场管线安装图根据循环式灌浆的定义,灌浆量为进浆管流量与返浆管流量之差,即Q二Q

15、-Q进返式中,Q灌浆孔的实际灌浆量,L/minQ进浆管的流量,L/min进Q返浆管的流量,L/min返3.2EMF量程和口径的选择量程：灌浆记录仪投入使用时其性能参数必须和灌浆现场的灌浆机械设备相匹配,由于现场灌浆泵泵量多为100L/min，浆液搅拌筒容积都为200L，所以进浆EMF选量程也应选为100L/min。返浆EMF大部分时间都在大流量状态下工作，即使由于钻孔吃浆量大，可能会出现EMF检测小流量的情况，可以采用小口径EMF提高流速来解决。口径：EMF口径的选择主要取决于浆液在EMF测量管内的流速的作用机理，由于水泥浆液中带有水泥固体颗粒，考虑到对EMF衬里和电极的磨损，选用流速W3m/

16、s，另一方面水泥浆液又具有易粘附、沉淀、结垢的特性，EMF测量管内的流速应不低于2.5m/s,最好在34m/s。以起到对电极和内衬的自清扫作用。最后EMF测量管内的流速选用2.8m/s,流速对应的流量应该是实际灌注浓浆时灌浆泵能输出的有效泵量。一般为80L/min。则满度流量100L/min对应的流速为3.5m,可确定选用DN25的EMF。满量程流速为3.395m/s。3.3小流量检测问题的解决。采用大循环灌浆方式，由于进浆量为进浆管流量与返浆管流量之差，当进浆量较小时（如在屏浆阶段），在灌浆泵泵送压力的作用下，浆桶中的浆液以较大的流量流过进浆管进入灌浆孔中，除少量浆液被压力灌进地层中外，大部

17、分浆液通过返浆管流回浆桶。因此，进浆管和返浆管上的流量均处于电磁流量计的正常测量范围之内，可以检测小流量（如0.2L/min）,使灌浆能按规范要求的注入率（0.4L/min）小于结束灌浆，对保证灌浆质量、缩短工期和节约施工成本起到了很大的作用。3.4避免了流量计损坏和堵管等事故的发生采用大循环灌浆，当灌浆孔吸浆量小时，进浆流量计和返浆流量计中通过的流量仍处于电磁流量计的正常测量范围之内，流速0.5L/min,水泥不易沉积。同时，从返浆管流回的旧浆与新浆混合，避免了浆液温度升高，改善了旧浆的流动性，避免了流量计损坏和堵管事故的发生。3.5水灰比高精度动态检测采用大循环灌浆可以有效的高精度动态检测

18、及调配水灰比，堤坝防渗帷幕灌浆的目的是使帷幕具有长期的渗透稳定性和耐久性。以确保堤坝的安全。而灌浆帷幕防渗能力的衰减是由综合性的因素引起的。但其主要因素是防渗幕体所灌注浆液的密实度，即灌注浆液在被灌岩体裂隙空间中充填的紧密程度。而幕体的灌注密度又与浆材性能、浆液水灰比、灌浆工艺技术等因素有关。水灰比对水泥石的抗侵蚀及长期的渗透稳定性有很大的影响，水灰比愈低其浆液析水率小，结石密度大。能紧密与岩石相结合。因此，具有较高的长期渗透稳定性。现场灌浆时由于水灰比小的灌浆泵可灌性差。机械设备、管道磨损大。且配浆时使用水泥量多。因此，由于经济利益的驱使，以稀浆代稠浆的事时有发生。其结果也就必然造成大坝工程质量安全隐患，因此动态在线检测浆液水灰比变化，并不断地适时调节浆液的变化，对保证灌浆质量起着