（计算机应用技术专业论文）智能灌浆、压水检测系统的设计与实现.pdf

摘要 灌浆法是处理地基问题的主要方法之一，由于灌浆是隐蔽工程，为了确 保施工质量，必须采用智能测控系统对整个过程进行控制。灌浆过程参数的 自动检测是我国水电建设灌浆工程的重要保证，这些年灌浆施工技术迅猛发 展，但灌浆自动控制水平一直不高。随着单片机技术和计算机应用技术的迅 速发展，工业自动化得到了蓬勃发展。本文即根据我国的灌浆施工方式和规 范要求，并借鉴国际上较为通用的技术方案，围绕硬件架构和软件设计，提 出了一种新型灌浆、压水检测系统。 本文论述了如何搭建灌浆、压水检测系统主体框架，并对硬件系统和软 件系统模型分别展开了讨论。然后对流量传感器、压力传感器和水灰比传感 器简单介绍了各自的工作原理、基本特性，并结合灌浆施j 的具体情况对各 传感器做了选型。 本课题设计了单片机外围的接口线路，包括打印机接u 线路、显示接口 线路、键盘接口线路、模拟信号输入接口线路。建立了软件系统分层模型， 主要分系统设置、压水试验、普通法灌浆等三个功能模块讨论了软件系统的 基本工作原理和设计方案，并给出了关键控制部分的流程图。研究了软件系 统中打印数据曲线、传感器油浆隔离、模拟数据光电隔离的实现中几个需要 解决的重要技术难点，并提出了解决方案并得以实现。整个智能灌浆压水检 测系统达到了研发的目的，满足了市场需求。 关键词：单片机、灌浆、压水、检测 a b s t r a c t g r o u n t i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d si ns o i li m p r o v e m e n tt h a t i n c r e a s e ss t r e n g t ha n dd e c r e a s e sp e r m e a b i l i t yo fs o i l i no r d e rt oe n s u r eq u a l i t yo f g r o u t i n g ，t h ea u t o m a t i ct e s t i n g a n dc o n t r o l l i n g s y s t e ms h o u l db e u s e di n t h i s p r o c e s s t h ea u t o m a t i cd e t e c t i o no fg r o u t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r si ss i g n i f i c a n ti n h y d r o p o w e rc o n s t r u c t i o ng r o u t i n gp r o j e c t s f o r t h e s ey e a r s ，g r o u t i n gt e c h n o l o g y h a sb e e nd e v e l o p p e dr a p i d l yw h il et h ea u t o m a t i o nl e v e li sn o ts a t i s f i e d w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f s i n g l e c h i pc o m p u t e rt e c h n o l o g y a n d c o m p u t e ra p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o nh a sb e e ni n c r e a s e d a c c o r d i n gt og r o u t i n g m e t h o d sa n ds p e c i f i c a t i o n s ，t h i st h e s i sh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ， a n dp r e s e n t san e w t y p eo fg r o u t i n ga n dp r e s s u r i z e dw a t e rd e t e c t i o ns y s t e m a tf i r s t ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h a th o wt ob u i l dt h em a i nf r a m eo ft h es y s t e ma n d t h es y s t e m sm o d e l a n dt h e nb r i e f l yi n t r o d u c t sf l o ws e n s o r s ，p r e s s u r es e n s o r sa n d w a t e r - c e m e n tr a t i os e n s o r sw i t ht h e i ro p e r a t i o n p r i n c i p l e s ，b a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t y l e s e l e c t i o n s i nt h i sp r o j e c t ，m i c r o c o n t r o l l e rp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t sh a sb e e nd i s i g n e d ， i n c l u d i n gt h ep r i n t e ri n t e r f a c e ，d i s p l a yi n t e r f a c e ，k e y b o a r di n t e r f a c ea n da n a l o g s i g n a li n p u ti n t e r f a c e i ta n a l y z e st h ee s t a b l i s h m e n to ft h eh i e r a r c h i c a lm o d e li nt h e s o f t w a r es y s t e m t h et h e s i sd i s c u s s e st h eb a s i cw o r k i n g p r i n c i p l ea n dd e s i g no ft h e s o f t w a r es y s t e mw i t ht h r e ef u n c t i o n a lm o d u l e st h a ti ss y s t e ms e t t i n g ，w a t e rp r e s s u r e t e s ta n dc o m m o ng r o u t i n g ，a n dg i v e st h ef l o wc h a r t so fk e yc o n t r o lu n i t s t h e i i a u t h o rs t u d i e ss e v e r a li m p o r t a n tt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e si nt h es o f t w a r es y s t e m ，s u c ha s h o wt op r i n td a t ac u r v e s ，o i l - w a t e ri s o l a t i o na n do p t i c a li s o l a t i o nt oa c h i e v e s i m u l a t e dd a t a ，a n dp r o p o s e ss o l u t i o n sa tl a s t t h ew h o l es y s t e ma c h i e v e st h et h e r e s e a r c hp u r p o s ea n dt h er e q u i r e m e n to fm a r k e t k e y w o r d s ：s i n g l ec h i pc o m p u t e r ，g r o u t i n g ， w a t e rp r e s s s u r e ， d e t e c t i o n 1 1 1 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 水电工程中灌浆技术的发展 灌浆技术是一项实用性强、应用范围广的工程技术，它已被广泛的应用于矿山、地下 建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁、土木工程等各个领域，主要用于减小岩土的渗透性、增 加其强度或降低地基土的压缩性。为了达到预期的目的，钻机将灌浆孔钻到预定的岩土 层后，将浆液以压力注入，直到灌浆点周围孔隙或裂隙被浆液填充到满足设计要求为止。 另外，灌浆技术也被用来修复各种构筑物的混凝土裂缝。 灌浆技术的发展已有一百多年的历史。法国人开辟了灌浆施工的先河；英国于1 8 6 4 年在阿里因普瑞贝矿首次用水泥灌浆对井筒进行灌浆堵水，成功的解决了井筒漏水问题。 随着硅酸盐水泥的发明，水泥开始成为灌浆的主要材料。1 9 1 0 年，采用了自动记录压力表， 根据记录的灌浆性状，作了系统的研究，建立了灌浆压力和渗透性之间的关系。1 9 2 0 年荷 兰采矿工程师e j j o o s t e n 首次论证了化学灌浆的可靠性，采用了水玻璃、氯化钙双液双 系统的两次压注法，并于1 9 2 6 年取得了专利。灌浆技术有系统的改进始于美国科罗拉多 河上的胡佛( h o o v e rd a m ) 水坝的帷幕灌浆，为了补救因基坑开挖引起的裂缝，进行了加 固灌浆。根据胡佛坝基的灌浆工程实践，首次制定了灌浆工程设计和施工规范。本世纪4 0 年代，灌浆技术的研究和应用得到了迅速的发展，各种水泥浆材和化学浆材相继问世，特 别是6 0 年代以来，各国大力发展新型灌浆材料，灌浆工艺和设备得到了空前的进步，其 应用范围越来越广瞳儿3 j 。 我国对灌浆技术的研究和应用起步较晚，但发展很快，某些方面已达到世界先进水平。 5 0 年代初期，我国开始了矽化法的研究，在固矽、防止湿陷性黄土的湿陷、加固构筑物等 方面做了大量工作；同时，矿山行业逐渐采用井巷灌浆技术；5 0 年代后期，灌浆技术在水 坝防渗和加固工程中逐步应用；6 0 年代以后，我国已开始注意化学灌浆的毒害及环境污染 问题，并提出了一系列的改进方法，其应用范围日益广泛。 1 2 灌浆自动检测的发展 由于灌浆工程是隐蔽工程，其施工质量和灌浆效果难以进行直观的检查，常常要借助 于对施工过程参数的分析来评定h 1 。因此，灌浆工程中常常要求对旌工过程参数进行检测， 并根据检测数据绘制大量的图表以便工程技术人员进行分析，资料整理工作非常繁琐。同 时，为了保证灌浆施工严格按照设计要求进行，也要实时检测和控制灌浆过程中的主要参 数( 流量、压力、水狄比等) 。因此，灌浆施工过程参数的及时、准确测量是保证灌浆质 量的前提条件。传统的人工检测和读数已无法满足高效、高质量的灌浆要求。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 国外发展现状 为了保证灌浆质量，日本首先运用电子计算机对灌浆施工过程中的技术参数进行自动 采集、记录和控制。7 0 年代，日本在大内坝灌浆工程( 高1 0 2 m 、帷幕灌浆量为1 0 万m ) 中，使用了由计算机管理的能实现自动记录和自动控制的全自动化灌浆系统。到8 0 年代， 国外已开始推广应用。如8 0 年代r 本的f r 一1 2 0 2 f c 型、瑞典的c f p l 0 1 l 型灌浆自动检测 设备晦1 ，但初期的产品只能用记录笔描绘灌浆过程中的流量和压力曲线，不能自动对数据 进行分析。数据的整理和分析仍需人工进行，资料整理的工作量很大。8 0 年代美国垦务局 ( u s b r ) 研制的计算机监控系统，能记录灌浆过程中的吸浆量，并开发了数据处理程序绘 制吸浆量一时间曲线和曲线对应表格。法国的c i n a u t 控制和采集系统，包括测量、自动控 制和记录灌浆过程，即从灌浆生产到泵调节全过程1 。随着灌浆记录和控制技术的发展， 目前国外在进行灌浆工程招投标时一般都明文规定必须采用灌浆自动检测设备来进行检 测。 分析研究表明，采用人工记录灌浆参数时，注入率随时间递减的速度很快，灌浆历时 短，灌浆质量差。与人工记录相比，在灌浆施工中使用自动检测设备有很多优点：资料准 确真实，为合理控制施工过程和正确分析判断灌浆效果提供了可靠的依据；记录仪可起监 测作用，使灌浆过程中的压力、注浆量和灌注时间得到了保证，从而可大大提高灌浆质量； 简化施工规程，优化施工技术参数，缩短施工工期，节约工程费用；根据自动检测设备提 供的施工资料，可以及时正确地分析地层情况，有利于优化设计，实现以最小的工程量获 得设计所要求的安全效果；大大减少内业资料的整理工作，减少现场施工管理人员，提高 工作效率。 1 2 2 国内发展现状 随着国际化招投标项目的日益增多，国内灌浆工程界也已达成共识，在大型工程项目 的招投标中，都明确要求采用灌浆自动检测设备来进行检测。8 0 年代，我国从国外引进了 一批灌浆自动检测设备。“六五和“七五期间，我国开始了灌浆自动检测设备的研制 工作。进行这一方面研究并取得成果的主要有。卜1 ： ( 1 ) 清华大学土木水利学院：于2 0 0 1 年研制出了一种智能灌浆仪，适用于g i n 法灌 浆，可以测量压力、流量。采用彩色显示，w i n d o w s 界面。 ( 2 ) 长江科学院仪器与自动化所、长委施工研究所和三峡基础工程部：1 9 9 1 年3 月 开始研制灌浆自动检测设备，1 9 9 2 年研制成功g j y i 型仪器旧1 训。 1 9 9 2 年7 月中国技术进出口总公司国际招标项目观音阁大坝基础帷幕灌浆自动记 录系统，需要配置3 0 套灌浆自动检测设备作为下位机系统。长江科学院仪器与自动化所 在g j y i 型的基础上研制成i i 型仪器，并通过国际招标被选中，从1 9 9 3 年5 月起在观音 阁帷幕灌浆工程中全面应用，并于1 9 9 5 年通过成果鉴定。灌浆自动检测设备研制成功并 2 硕+ 学位论文 第一章绪论 正式应用于生产，标志着我国在灌浆施工技术及自动化方面向前迈进了新的一步。该仪器 通过水利部鉴定，达到了国际先进水平，开创了我国灌浆工程施工技术监督的新局面。仪 器能测流量和压力两个参数，并能换算成某时段灌入水泥量和水泥总量，可根据工艺要求 或事故发出声光报警信号。流量测量精度为1 ，压力测量精度为1 5 。数据不仅能显 示、打印，还用磁带进行记录，并能由计算机重放。仪器的可靠性、防潮和抗震性能都较 好，在现场得到了较好的应用。但仪器仍然没有解决水灰比检测和数据自动成图成表的问 题。 1 9 9 9 年又推出了g j y i i i 型仪器，稍后又推出6 j y i v 型自动检测设备。可测量流量、 压力和水灰比，可打印灌浆参数并绘制压力和流量随时间变化的曲线。 g j y 系列仪器曾先后在辽宁省观音阁水库大坝基础帷幕灌浆施工、湖南省五强溪电站 帷幕灌浆施工、云南省五罩冲水库帷幕灌浆施工、三峡工程右岸帷幕灌浆施工、河南省小 浪底电站纯压灌浆施工、四川省二滩电站纯压灌浆和郑州铁路局襄渝铁路复线工程隧道开 挖灌浆等工程中得到应用。 ( 3 ) 中国水利水电基础工程局科学研究所与天津大学电力及自动化工程系：是我国 最早进行灌浆自动化研究的单位。 1 9 8 5 年丌始研制灌浆自动检测设备，1 9 8 7 年我国第一台灌浆记录仪j l o 智能灌浆记 录仪通过技术成果鉴定，填补了国内空白，为我国的灌浆施工自动化迈出了第一步。1 9 8 7 年在贵州红枫水电站堆石坝防渗帷幕灌浆试验中得到了应用。 1 9 9 1 年我国第一台灌浆自动控制装置k i o 灌浆自动控制装置通过技术成果鉴定，进一 步实现了灌浆过程的监测和控制。 随后研制开发了j 3 1 灌浆自动检测设备，并于1 9 9 7 年通过水利部组织的投产鉴定， 获原电力部科技进步三等奖。该仪器能测量灌浆施工过程中的压力和流量。计量精度高， 压力计量精度为o 5 ( 0 - 9 9 9 m p a ) ，流量为1 ( 2 0 9 9 9 l m i n 时) 或0 2 l m i n ( o 一2 0 l m i n 时) 。记录仪可显示灌浆过程中每一时刻的灌浆压力、注入率和累计注入灰量。打印机可 打印出各时段内的平均压力、平均流量和最大压力、累计注入水泥浆量和水泥量，并可绘 制平均压力和平均流量随时间变化的过程曲线。实现了实时检测，能提供清楚、完整的灌 浆原始资料，但数据不能自动传送到计算机中作进一步处理以形成规范所需的图表。曾先 后在高坝洲电站灌浆试验( 1 9 9 3 ) 、云南省五里冲水库帷幕灌浆施工( 1 9 9 4 ) 、黄河小浪底 坝基固结灌浆和帷幕灌浆施工( 1 9 9 5 1 9 9 9 ) 、湖南省江垭水电站坝基帷幕灌浆施工 ( 1 9 9 6 1 9 9 8 ) 和三峡水利枢纽灌浆试验( 1 9 9 6 ) 等工程中应用n 。 1 9 9 6 年又开发研制了j 3 1 一d 多路灌浆检测系统n 羽，由一台微机同时控制4 - 1 6 台灌浆 机工作。该系统适用于在大型灌浆工程中对灌浆施工过程进行较远距离的集中测控。但由 于微机对环境的要求较高，需要配备远离灌浆现场的控制室，灌浆过程的控制需由值班技 术和监理人员通过电话向现场发出命令。该系统增加了设备投资，并使现场控制变得繁琐。 除此之外，在国内市场上，大型灌浆工程往往由几个施工单位分包，在现场配几台单机灌 硕十学位论文第一章绪论 浆自动检测设备往往更灵活、更经济。因此，多路灌浆监测系统仅在小浪底水利枢纽灌浆 工程、三峡水利枢纽工程灌浆试验、李家峡灌浆工程等大型项目中得到了应用引u 明。 2 0 0 0 年，开发了g 2 0 0 0 灌浆监控系统n 3 1 4 1 ，能将灌浆数据自动转换成规范中要求的各 种成果表和成果图，解决了资料整理的问题。该系统在小浪底帷幕灌浆工程中得到了应用。 综上所述，国内灌浆自动检测设备种类较多，这些成果对提高我国灌浆技术水平、实 现灌浆施工自动化起到了积极的作用。但归纳其检测和运行机理，大部分属于二参数、小 循环类型。即灌浆过程的三个基本参数中，流量、压力可以随机动态检测，水狄比只能人 工输入。由于在设计上参照国外同类产品的结构，所以与我国灌浆工程的实际需要存在不 小的差距。 1 3 课题研究的意义和来源 现有的灌浆自动检测设备和方式存在如下问题： 国外的灌浆检测设备大都非常昂贵，且维护和元器件的更换非常不便。国外的灌浆工 艺方式多采用纯压式灌浆( 图1 - 1 ) ，而国内的灌浆方式多为循环式灌浆。国内外的灌浆工 艺流程和灌浆方式的差异都决定了国外灌浆检测设备不适合国内的灌浆。 流量计压力变送器调压阀劢_ i 万 灌浆孔i i 【l l 生_ j 图1 1 纯压式灌浆法现场管线布置图 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，在帷幕灌浆中为避免返浆浆液流回浆桶后流量传感器重复计量的问题，国 内的许多小水电灌浆方式仍然采用小循环式灌浆方式( 图1 - 2 ) 1 5 o 小循环灌浆法的实质 是返浆浆液不返回搅浆捅，浆液只能在闭合的管道中循环n 钔。这样容易导致浆液温度偏高、 流变特性变坏、浆液质量变差、结石强度降低，且容易造成埋钻事故；同时，不能及时准 确地测量水灰比、不能适时变浆、无法有效调整浆液配比；另外，小循环灌浆中电磁流量 传感器只能安装在泵的吸入端，对测量的准确性有重大影响；加上流过流量传感器的浆液 4 硕士学位论文第一章绪论 通常很小，流量传感器极易堵塞。所以按这种方式设计的检测设备本身就有许多致命缺陷。 三通阀门 调压阀 图卜2 小循环灌浆现场管线安装图 大循环的灌浆检测设备现在仍存在许多不足： ( 1 ) 现有灌浆检测设备多以笔记本或工控机为主机，系统稳定性不高、抗电磁干扰 能力差、恶劣环境适应性不强。特别在高温、潮湿的坏境下，昼夜温差大的气候里，以及 施工现场有供电网电压波动、其它用电设备频繁起动时的大电流冲击、强电磁干扰的情况 下，系统信号很容易受到干扰，稳定性比较差。 ( 2 ) 系统的结构功能设计不够合理，操作员操作起来十分不便。 ( 3 ) 水灰比的检测精度不高，比重计的测量精度比较低，误差一般在5 左右。为了 探讨这一误差对工程造价的影响，作者对不同水灰比的浆液在不同测量精度时所产生的水 泥量的误差进行了计算。计算结果参见表1 1 。 由表1 1 可以看出，随着水灰比由大到小变化，水灰比测量仪器的精度对工程造价的 影响越来越大n 7 1 。如：当水灰比为3 ：1 时，0 1 精度的仪器与5 精度的仪器8 小时灌浆 所造成的水泥误差分别为4 3 k g 和2 1 7 1 k g ，二者的差值为2 1 2 8 k g 。当水灰比为o 5 ：1 时， 误差分别是1 7 6 k g 和8 8 1 8 k g ，二者的差值为8 6 4 2 k g 。在灌浆工程中，一般采用稀浆开灌， 然后逐级变浓的方法进行灌浆。浆液的水灰比随着地层等情况而改变，必须随时测量水灰 比的大小。当地层的裂隙大、可灌性较好时，单孑l 灌浆所需的水泥量即达几十吨，由于仪 器的测量精度所造成的误差是相当惊人的。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举足轻重的作用。 本课题是贵州思林水电站委托我校开发研制的一套新型灌浆检测控制系统，该系统能 适应我国的s l 2 0 0 1 灌浆规范要求，能适用在单点、五点法压水实验、以及固结、帷幕等 普通灌浆模式下的各种数据检测和控制，具有显示、打印、异常报警等功能。具有比较好 的系统抗干扰型和稳定性，能有高精度低成本的水灰比测量传感器。 5 硕士学位论文第一章绪论 表1 - 18 小时不同水灰比下水泥量误差统计表 水泥密度：3 1 6 9 c m 3 注入率：3 0 l m i n实际耗浆量：1 4 4 0 0 l 水灰比 321 密度 1 2 0 61 2 9 51 5 1 9 测量 水泥量( k g )水泥量( k g ： 水泥量( k g ) 精度实际值计算值 误差 实际值计算值 误差 实际值计算值 误差 o 1 4 3 4 1 64 3 3 7 34 36 2 1 6 o6 2 0 9 86 21 0 9 3 6 8 l0 9 2 5 91 0 9 o 5 4 3 4 1 64 3 1 9 92 1 76 2 1 6 06 1 8 4 93 1 110 9 3 6 81 0 8 8 2 15 4 7 1 o 4 3 4 1 64 2 9 8 24 3 46 2 1 6 o6 1 5 3 86 2 21 0 9 3 6 81 0 8 2 7 41 0 9 4 5 o 4 3 4 1 64 1 2 4 52 1 7 16 2 1 6 o5 9 0 5 23 1o 8 10 9 3 6 810 3 9 0 o 5 4 6 8 水灰比o 8o 60 5 密度 1 6 1 21 8 3 71 8 3 7 测量水泥量( k g ：水泥量( k g )水泥量( k g ) 精度 实际值 计算值 误差 实际值计算值 误差实际值 计算值 误差 o 1 12 8 9 6 01 2 8 8 3 11 2 91 6 5 3 3 01 6 5 1 6 51 6 51 7 6 3 5 217 6 1 7 61 7 6 o 5 1 2 8 9 6 01 2 8 3 1 56 4 51 6 5 3 3 o1 6 4 5 0 38 2 71 7 6 3 5 217 5 4 7 08 8 2 1 o 1 2 8 9 6 01 2 7 6 7 o1 2 9 01 6 5 3 3 o1 6 3 6 7 71 6 5 31 7 6 3 5 217 4 5 8 81 7 6 4 5 0 1 2 8 9 6 01 2 2 5 1 26 4 4 81 6 5 3 3 01 5 7 0 6 4 8 2 6 71 7 6 3 5 216 7 5 3 48 8 1 8 1 4 论文的结构安排 本文介绍了一种灌浆、压水检测系统的设计与实现。全文分为六章，组织结构如下： 第一章：绪论。介绍了灌浆的基本概念和灌浆工艺的基本流程，分析了国内外现阶段 灌浆数据自动检测的发展情况。 第二章：系统的总体设计方案。对系统的总体设计做了分析，给出了系统的硬件和软 件设计方案，并对传感器选型分析进行了详细阐述。 第三章：系统信号输入输出通道接口的设计与实现。介绍了打印机接口、键盘接口、 显示接口、模拟信号的输入接口设计与实现。 第四章：软件系统功能模块的设计与实现。分析了软件系统模型，详细介绍了系统设 置、灌浆和压水三个模块的设计和实现，并给出了相应的流程图。 第五章：关键技术。分析了系统实现的关键技术点，重点介绍了如何打印数据曲线， 油水隔离器的设计与实现，模拟信号隔离器的设计与实现，实验比较了两种隔离器的隔离 效果。 第六章：结论与展望。总结了论文的研究内容和创新点，并对以后研究的工作和方向 做了展望。 6 硕士学位论文 第二章系统的总体方案设计 2 1 思林水电站简介 第二章系统的总体方案设计 思林水电站位于贵州省东北部思南县境内的乌江上，是乌江干流的第八级梯级电站， 装机容量1 0 0 万千瓦( 4 2 5 万千瓦) 。电站大坝为碾压混凝土重力坝，坝高1 1 7 米，水库 库容为1 2 0 5 亿立方米。其上游为正在建设中的装机3 0 0 万千瓦的特大型水电工程构皮滩 水电沾，下游为在建的装机1 0 0 万千瓦的大型水电站沙沱水电站。电站距乌江河口涪陵市 3 6 6 k m ，枢纽工程开发任务以发电为主，其次为航运，兼顾防洪、灌溉等。电站厂房为引 水式地下厂房，引水发电系统为“一洞一机”布置形式，整个系统不设调压井。电站水库 为季调节，但为留出防洪库容，多按日调节运行。 2 2 系统总体设计原则 我国水电工程大坝坝基灌浆有自己的特点，隐蔽性强，灌入的浆液在坝基中填充的情 况无法直观的评定，施工质量也难于直观判断乜0 | 。因此需要检测设备能够在线、动态的检 测过程参数，自动记录的原始数据能真实、准确反映实际的灌浆情况，减少人为的干扰， 提高灌浆的效率。现场灌浆记录员和施工人员很多为非专业学校教育的技术人员，不可能 去面对繁多的自动化设备和复杂的仪器操作，除了仪器操作简单、实用，能适应灌浆现场 不同层次的技术人员水平，还要在设计上多考虑价格因素，防止因盲目追求自动化而忽视 成本乜妇嗽1 。因此本文在进行系统总体方案设计时，根据水电灌浆的实际情况和施工单位， 设计院提出的具体要求，制定了如下原则： ( 1 ) 系统采用的先进的计算机技术，能在线、动态检测整个灌浆的全过程，系统性能 高度稳定、可靠，自动记录的数据真实、准确。 ( 2 ) 系统各项技术性能指标均达到水电部颁布的水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 d l t5 1 4 8 - 2 0 0 1 和水利水电工程钻孔压水试验规程s l 3 1 - 2 0 0 3 的要求口司。 ( 3 ) 系统配置和设备选型符合灌浆现场各种灌浆工艺的特点，硬件、软件模块化、结 构化设计，既便于硬件设备的扩充，又能适应功能的增加和系统的扩展。 ( 4 ) 系统实时性要好，抗干扰能力强，能适应灌浆现场复杂恶劣的环境。 2 3 系统功能特点 ( 1 ) 系统适用于循环式灌浆、纯压式灌浆、单段压水试验、五点法压水试验；也适 用于纯水泥浆、砂浆、粘土浆、含膨润土及其它外加剂等浆液灌浆。 ( 2 ) 系统可以循环采集、计算处理、动态显示压力、流量、水灰比等模拟量，通过 按键可随时查询瞬间的进、返浆量、累计灌浆量和累计耗灰量，并可随时修正灌浆设计参 7 硕+ 学位论文第二章系统的总体方案设计 数。 ( 3 ) 系统可提供实时的日历时钟( 年、月、日、时、分、秒) 。 ( 4 ) 灌浆中途停电时，仪器对于数据具有自动保存功能，来电时可接上一次数据继 续工作。 ( 5 ) 选定的传感器能在恶劣的环境下安全、合理的工作，增加油水隔离装置能极大 的降低传感器的故障率，提高灌浆效率。 ( 6 ) 按照水工建筑物水泥灌浆施工技术规范d l t5 1 4 8 2 0 0 1 和水利水电工程 钻孔压水试验规程s l 3 1 2 0 0 3 ) ) 的要求打印数据报表和曲线。 ( 7 ) 主机具有关键参数如压力、水狄比超限声光报警功能。 ( 8 ) 主机自带交流稳压电源，输入信号和输入通道之问都增设信号隔离器，加强系 统抗干扰能力，使之能在恶劣的环境下工作。 2 4 系统硬件总体设计方案 智能灌浆、压水检测系统的总体结构设计如图2 1 ： 图2 - 1 灌浆、压水检测系统的总体结构设计图 8 硕士学位论文 第二章系统的总体方案设计 一、c p u 本系统主机采用i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k c 单片机，该1 6 位c p u 采用c m o s 工艺，发热 极低、工作可靠。 二、日历时钟电路 系统主机设计安装d a l l a s 公司的2 4 脚双列直插封装芯片d s l 2 8 8 7 ，该芯片由石英晶 体、锂电池和一个集成电路封装而成。它具有以下功能特点： ( 1 ) 即使掉电也保证内部r a m 内容和内部时钟正常工作 当外部供电不低于4 2 5 v 时，d s l 2 8 8 7 一切工作正常，具有所有功能。当外部供 电低于4 。2 5 v 时，此时电路仍能正常工作，写保护起作用，外部不可能改变内部r a m 的内容，各输出引脚均为高阻抗。 ( 2 ) 有永不停止的计时功能 d s l 2 8 8 7 可以进行年、月、日、星期、时、分、秒计时功能，还有闰年补偿功能。 可以采用二进制或b c d 码表示时间、日历。可以采用1 2 小时或2 4 小时时钟。 ( 3 ) 通过对d s l 2 8 8 7 内部寄存器的s q w e 位的编程，可以允许或不允许s q w e 位的编 程，可以允许或不允许s q w e 引脚输出连续方波。 ( 4 ) 通过对d s l 2 8 8 7 内部寄存器a 、b 、c 的编程，提供3 种中断源。 ( 5 ) 可选择两种总线模式 通过对模式选择引脚m o t 的不同接法，能很方便的与m o t o r o l a 公司生产的微机 接口，也可很方便与i n t e l 公司生产的微机接口。 三、掉电保护电路 本系统设计采用i n t e l 公司的8 脚双列直插式芯片t l 7 7 0 5 构成电源监视电路，保证 微机在掉电时能自动保护现场数据。 四、存储器的选择 本系统程序存储器设计采用i n t e l 公司e p r o m 紫外线可擦除型2 7 2 5 6 ( 3 2 k b ) ，数据存 储器设计采用i n t e l 公司的r a m 6 2 2 5 6 ( 3 2 k b ) ，通过7 4 l s l 3 9 译码电路对存储器进行扩展， 保证地址空间的连续。 五、i o 的扩展 本系统设计安装2 片8 2 5 5 a ，为系统提供4 8 路i o 接口。用于打印机的控制，键盘的 控制、声光报警的控制、显示小数点的控制。 六、输入通道接口 本系统主机预留8 路1 0 位的a d 转换接口，完全满足现场流量、压力、水灰比等模 拟信号的输入通道，系统设计对全部的模拟信号进行隔离，具体隔离的形式( 变压器耦合 式信号隔离或光电耦合式信号隔离) ，按照隔离实验效果决定。 七、显示输出 9 硕士学位论文 第二章系统的总体方案设计 因为液晶显示器( l c d ) 具有功耗低、体积小、重量轻、超薄，无闪烁等许多其它显示器 无法比拟的优点。本次系统设计采用由b i j 7 2 1 1 a m 构成的笔段型l c d 静态显示控制电路， 附加很少的器件，增加了小数点控制电路心引。 2 5 系统软件总体设计方案 主机采用i n t e l 公司1 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k c 的汇编语言进行直接设计船4 | 。软件设计按 照水工建筑物水泥灌浆施工技术规范d l t5 1 4 8 2 0 0 1 和水利水电工程钻孔压水试验 规程s l 3 1 2 0 0 3 ) ) 的要求应具有安全性、可靠性以及一定的先进性和开放性。根据灌浆现 场实际情况，系统还应具有操作简单、实用，控制方便特点。基于以上原则，本文确定系 统采用功能分块、结构分层的设计思想，这种模块化的设计，使得系统易于维护，调试简 单，扩展方便。特别是对系统设置、压水试验、普通法灌浆几个模块、及控制打印机打印 连续数据曲线进行重点研究。整套系统具有可靠、经济、实用的特点，可减轻现场灌浆记 录人员的劳动强度，降低灌浆费用，保证灌浆过程高效、安全。 2 6 传感器的选型和分析 在灌浆施工过程中，需要记录的重要物理量主要有压力、流量、水灰比等参数，所 以主要用到的传感器有流量传感器、压力传感器、密度传感器。 2 6 1 流量传感器的选型 流量是指某瞬时单位时间内流过管道某一截面处流体的体积数或质量数。前者称为体 积流量，常用单位为l m i n ；后者称为质量流量，常用单位为k g s 、t h 等。在灌浆工程 中用得较普遍的是体积流量： q = a d 公式( 2 - 1 ) 式中，a 管道某截面的截面积；u 该截面上流体的平均流速。 流量检测方法多种多样，如差压式流量传感器、涡轮流量传感器、电磁流量传感器、 超声波流量传感器、浮子流量传感器、涡街流量传感器、靶式流量传感器等。 每种流量传感器都有它适用的范围、特点，同时也有自身的局限性，不同的工作条件 和目的对流量传感器的性能有不同的要求。所以选择流量传感器时，对于传感器本身和被 测的对象都必须熟悉，并兼顾考虑其它因素( 如安装的位置，传感器口径和量程，液体的 流速和流动方向等等) ，这样才能保证测量的精度达到要求。 灌浆流量参数的测量主要是针对水泥浆液的测量，在水中掺混水泥由于水灰比的不同 会形成不稳定的悬浮液或稳定的浆液( 指水离析) 。在工程实践中，通常认为，水灰比大 1 0 硕+ 学位论文第二章系统的总体方案设计 于2 ：1 的水泥浆液的流变特性符合牛顿定律，水灰比1 ：1 时符合宾汉定律。 r e ：p v d ：i d z v 公式( 2 - 2 ) 式中：p 是流体密度，v 是管流的平均速度，d 是管径，u 是粘性系数，v 是运动 粘性系数。 当管流的雷诺数( r e ) 超过2 3 2 0 ，即r e 2 3 2 0 时，流态就属于紊流，当r e 2 3 2 0 时， 流态就属于层流。临界雷诺数r e 。= 2 3 2 0 。根据水泥浆液的 特性我们选择电磁流量传感器。 一、 电磁流量传感器原理 电磁流量传感器( 以下简称e m f ) 的基本原理是法拉 第电磁感应定律，运动的导体在磁场中切割磁力线，在其 两端产生感应电动势乜5 1 。如图2 2 所示，在一内径为d ， 内部磁场强度为b 的非导磁性测量管内，液态的具有导电 性被测介质以矿的速度流动，则在与流动方向垂直的方向 上产生与流量成比例的感应电势e ，该电势的大小如下： e = k b v d 式中：e 为感应电动势；k 为系数；b 为磁感应强度； 测量管内径； 液体的体积流量为： q ，= 三dx d 2 y 由公式( 2 3 ) 删( 2 - 4 ) 可得e = 等旷k q ， 图2 2 电磁流量传感器检测 公式( 2 - 3 ) 矿为流体平均流速，m s ；d 为 公式( 2 - 4 ) 公式( 2 - 5 ) 式中：k 为仪表常数，由于传感器生产的离散性，对同一标准口径的传感器予以修正 k = 4 k b z d 。传感器的感应电势e 与流量g v 是线性的比例关系，它只与磁感应强度b 和 测量管内径d 有关，而与其他物理参数的变化无关，这是电磁流量传感器的最大优点。只 要测出感应电势的大小，就可计算出实际的流量。 二、电磁流量传感器的优点 ( 1 ) e m f 的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不易阻塞适用于测量含有固 体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、矿浆、泥浆和污水等。 ( 2 ) e m f 不产生因检测流量所形成的压力损失，仪表的阻力仅是同一长度管道的沿程 阻力，节能效果显著，对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合。 硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 ( 3 ) e m f 所测得的体积流量，实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率( 只 要在某阈值以上) 变化明显的影响，仅取决于平均流速，因此使用时，无论被测液体种类 如何，都可以用水进行实际流速的标定。 ( 4 ) e m f 测量范围度大，通常为2 0 ：1 - 一5 0 ：l ，可选流量范围宽。满度值液体流速可 在0 5 l o m s 内选定。有些型号仪表可在现场根据需要扩大和缩小流量( 例如设有4 位 数电位器设定仪表常数) 。 ( 5 ) e m f 的口径范围比其他品种流量仪表宽，从几毫米到3 米。可测正反双向流量， 也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多啪】。 基于上述分析，根据设计的要求本系统选用杭州振华的k 3 0 0 电磁流量计，其基本参 数和性能指标见表2 - 1 所示： 表2 - 1k 3 0 0 电磁流量计的基本参数和 生能指标 参数指标 电导率 2 0us c m i 作& 力 4 m p a 工作电压 2 2 0 v5 0 h z 输出信号 4 2 0 m ad c 测量范围o 1 0 0 l m i n 再现性 满量程的+ o 2 温度影响量0 2 1 0 电源电压影响量 ，压水试验方法分二种，即“简 硕士学位论文 第四章软件系统的功能模块设计和实现 易压水法 和“五点法”。简易压水压力采用灌浆压力的8 0 ，并不大于1m p a ，压水时间 2 0 m i n ，每4m i n 测读一次压入流量，取最后的流量值计算透水率。五点法压水试验是采 用三级压力进行升压和降压共五个阶段的压水试验方法，即p l p 2 一p 3 一p 2 一p 1 ( p 1 p 2 p 3 ) 。三级压力一般为0 3 、o 6 ，1 o m p a 或0 1 ，o 2 ，0 3 m p a ，根据五个阶段的压水试 验资料绘制p q 曲线，参照表4 - 1 确定p - o 曲线类型。以三级压力中的最大压力值( p 3 ) 及 相应的压入流量算透水率。 4 3 2 压水试验的软件设计和实现 压水试验模块的主要功能：系统将实时测量的压力、流量等信号显示并打印，根据灌 浆规范的标准自动判断试验是否结束，试验结束后根据需要打印压水曲线。 压水试验开始时，需要输入的施工参数：部位、排序号、孔号、孔口高程、设计孔深、 孔径、段位、压水实验开始时间、初始压力、压水模式( 单点法还是五点法) m j 。压水试 验中需要测量的物理信号：实际压力和实际流量，同时由实测的压力和流量传感器算出累 计量和吕荣值。 软件工作流程：将传感器和主机连接好，仪器操作员将施工参数输入，选择开始压水 试验。系统将按照采样程序自动测量压力值和流量值，每3 秒钟将测量的压力和流量值显 示出来，同时软件将流量的累计量和吕荣值计算出来。当4 分钟到了，将4 分钟的平均流 量、平均压力、累计量、吕荣值打印出来【7 0 】。如果实际压力值与初始压力值相差1 0 以上， 则声光报警提示操作员必须增大或减小压力，直到操作员将实际压力值调整到与初始压力 值相差在1 0 以内。当做到第5 个4 分钟时，系统则会按照则按照水利水电工程钻孔压 水试验规程s l 3 1 2 0 0 3 ) ) 压入流量的稳定标准，自动判断流量是否稳定，并根据操作员选 择的压水试验方法决定试验是否达到结束标准。如没有达到结束标准，继续进行压水实验， 直到达到。如果达到，结束打印p q 曲线图。压水试验由软件控制每个步骤的结束标准， 主体流程图如图4 3 所示。压水试验的成果主要是透水率和p q 曲线。透水率表征了地 层透水性的大小，是决定防渗方案的重要依据，也用以检验灌浆效果和作为验收合格标准。 五点法的p q 曲线是以往压水试验资料整理的最重要的内容。可以根据p q 曲线了解试验 段的基本地质类型，以此作为灌浆施工的重要依据。此外，五点法的p q 曲线中，可找出 线形段向超比例增量段过渡的拐点，该拐点处的相应压力即为临界压力。当用小于临界压 力进行试验时，卜q 曲线呈线形变化，此时的相应的渗流量为岩体的原始渗流量，代表岩 体的真实渗透性：当用大于临界压力进行试验时，p q 曲线呈非线形变化，此时的相应的渗 流量为岩体破坏后的渗流量，代表裂隙膨胀或水力劈裂渗流量，非真实渗流量。为了避免 发生水力劈裂等情况，最大的灌浆压力必须小于临界压力。 硕士学位论文第四章软件系统的功能模块设计和实现 图4 - 3 压水试验主体流程图 3 l 硕士学位论文 第四章软件系统的功能模块设计和实现 4 4 普通灌浆法模块 首先对普通灌浆法作一个简单概述，介绍其基本作用原理和工艺流程。在此基础上， 再提出设计的思想和方案，并给出关键环节的流程图。 4 4 1 普通灌浆法概述 根据不同地区地层地质构造的不同，防渗要求的不同，灌浆技术设备的不同，灌浆法 主要可分为：稀浆开始逐渐变浓灌浆法，高稳定性浆液灌浆法，孔口封闭灌浆法和g i n 灌 浆法等等。由于除g i n 灌浆法之外的其他灌浆法主要在工艺流程、灌浆材料等方面上存在 区别，但在灌浆监控记录要求、灌浆结束标准、测量计算值等方面大致相同或相近，所以 在软件上可以一致，都采用普通灌浆法模块。也就是说，普通灌浆法模块可以适用于除g i n 灌浆法之外的大多数灌浆法【7 1 3 1 。下面简单介绍一下稀浆丌始逐渐变浓灌浆法，高稳定性 浆液灌浆法，孔口封闭灌浆法的基本原理和优点以及采用原则，以供选用灌浆方法时参考。 1 稀浆丌始逐渐变浓灌浆法。在一