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電磁流量計在隧洞灌漿工程中的應用[原文]

來源:河南省南水北調中線建管局 南陽建管處作者:宋明耀發表時間:2017-08-24 10:19:09

 【摘要】在灌漿施工中,動態精確的計量水泥灌漿量至關重要,電磁流量計以其獨特的優點在隧洞固結灌漿施工中大大提高了漿液體積的測量精確度,對保證資料的真實性和確保工程質量起到了很大作用。

 
1 工程概況
        大西溝水庫是新疆烏魯木齊河上的龍頭水庫,水庫距烏魯木齊市68km ,是一項以防洪為主的水利樞紐工程。 樞紐主要由粘土心墻壩、溢洪道、泄洪兼導流洞和放水灌溉洞等建筑物組成。工程等別為 Ⅰ等,工程規模為大( 1 )型,泄洪兼導流洞為 1 級建筑物,布置在右岸巖體內,該洞承擔施工期導流、正常運用期泄洪、沖砂、放空的任務。泄洪兼導流洞包括 103.305m 長圓形有壓洞段和 316.695m 長無壓洞段,有壓隧洞直徑 D=4.6m ,無壓隧洞為城門洞型,斷面尺寸 5.0m×6.0m ,隧洞采用鋼筋混凝土襯砌,襯厚 0.5m 。洞身段圍巖為凝灰巖,巨厚層狀、巖體呈鑲嵌碎裂結構,綜合評定以 Ⅲ 類為主。 隧洞圍巖先進行回填灌漿再進行固結灌漿,固結灌漿孔梅花形布置,間距 3.0m×3.0m 深入基巖 3.5m 。
 
2 電磁流量計的工作原理
        灌漿施工工藝中的漿液和水的流量測量非常重要,特別是所使用的液體流量檢測儀表,有其特殊要求,例如要便于頻繁清洗和承受高速漿液中顆粒的摩擦和惡劣環境等, 在眾多液體流量儀器產品中,電磁流量計具有測量不受流體溫度、壓力、密度、黏度的影響、內部直通光滑、直接進行電測量、計量精度高、響應速度快等優點;且其檢測部無運動部件、不會發生滴漏現象,內襯可采用聚四氟乙烯塑料和氧化鋁陶瓷,具有很強的抗腐蝕性,近年來已成為灌漿工程流量測量的首選儀器。
 
        電磁流量計(以下簡稱 EMF )的工作原理是基于法拉第電磁感應定律,當被測介質垂直于磁力線方向流動,因而與介質流動和磁力線都垂直的方向上產生感應電動勢 E ,感應電動勢 E 與被測介質流量 Q成正比,與磁感應強度 B 和測量內徑 D 有關,而與其他物理參數的變化無關。 測量系統的變送器輸出 E 是一個微弱的交變信號,其中包含各種干擾成分,且信號內阻變化高達幾萬 Ω ,因此要求轉換器是一個高輸入阻抗,且能抑制各種干擾成分的交流 mV 轉換器,將感應電動勢轉換成 4~20mA 的統一信號, 轉換器有高輸入阻抗差動放大器、主放大器、正交干擾抑制器、相敏檢波器、直流放大器、霍爾乘法器等組成,最后輸出信號電流為 Io=K · Q ,式中 Io 為輸出信號電流, K 為儀表常數。
 
3 在灌漿工程中的使用
3.1 隧洞固結灌漿施工工藝
        鉆孔、洗孔 → 壓水試驗 → 制漿 → 灌漿 → 封孔
3.2 施工方法
3.2.1 鉆孔、洗孔
        采用手風鉆鉆孔, 單孔鉆孔結束后采用導管通入大流量水流,從孔底向孔外沖洗的方法進行沖洗,至回水變清。
3.2.2 壓水試驗
        簡易壓水試驗是以設計要求的壓力向孔內送水,測定其相應的流量值,并據此計算巖體的透水率,計算結果關系到巖體滲透特性的評價以及灌漿成果資料整理。 這一測量點是十分重要和敏感的,準確是首要指標,水有一定的電導率,滿足 EMF 的測量要求,需要重點考慮的是 EMF 的口徑,因為壓水試驗和灌漿用的是相同的 EMF 。
3.2.3 制漿
        制漿材料采用磅秤稱量, ZJ-800 型高速攪拌機拌制水泥漿液,漿液在使用前應過篩,從開始制備至用完的時間宜小于 4h 。
3.2.4 灌漿
        固結灌漿采用孔口封閉循環灌漿法,用 BW-250 型灌漿機全孔一次灌漿,灌漿壓力 0.3~0.5MPa ,灌漿過程中派專人查看壓力表,壓力值宜讀取壓力表指針擺動的中值。
        灌漿漿液應由稀至濃級逐級變換,固結灌漿水灰比采用 2 : 1 、 1:1 、0.8:1 、 0.6:1 四個比級。
        灌漿泵將一定水灰比的水泥漿液壓送到孔中,一部分進入裂隙而擴散,余下的漿液經回漿管返出孔外,流回到漿液攪拌機中;固結灌漿孔在規定壓力下,當注入率不大于 0.4L/min ,繼續灌注 30min ,灌漿即可結束。
        每臺鉆孔設備都需要兩臺 EMF 分別記錄進、返漿流量,灌漿量就等于進漿量減去返漿量,現場管線與 EMF 安裝布置見下圖:
灌漿工程現場管線與 EMF 安裝布置圖
        由于現場灌漿泵泵量為 100L/min,故EMF 的量程選為 100L/min ,由于水泥漿液中帶有水泥固體顆粒, 考慮到對 EMF 襯里和電極的磨損,選用流速 ≤5m/s ,另一方面水泥漿液又具有易粘附、沉淀、結垢的特性,故 EMF 測量管內的流速應不低于 0.15m/s ,以起到對電極和內襯的自清掃作用, 為了保證儀表的檢測精度, 使用流速控制在 0.15~5m/s 之間。
        灌漿施工時吸漿量大小一般在 0~100L/min ,進、返漿上 EMF 相應的流量范圍為 30~100L/min , EMF 口徑選擇 DN25 比較合適, 同時EMF 的時間常數也應該設置小一些,一般在 1~3s ,以提高測量的靈敏度。
        在灌漿過程中使用灌漿自動記錄儀完成數據采集與處理,在屏幕上顯示流量、水灰比及注入水泥總量,按設定時間間隔定時打印出時間、流量和水灰比,當灌漿結束時,自動計算并打印注入水泥總量、漿液總量和單耗水泥量。
3.2.5 灌漿孔封孔
        全孔灌漿完畢后,先采用導管注漿法將孔內余漿置換成水灰比為0.5 的濃漿,而后將灌漿塞塞在孔口,繼續使用這種漿液進行純壓式灌漿封孔,封孔灌漿的壓力一般不宜小于 1MPa 。
4 應用注意事項
4.1 測量管道內附漿量的影響與處理
        每次灌漿結束后,要及時清除 EMF 測量管內的殘余漿液,否則水泥漿液易在測量管道內產生不同程度的膠結, 甚至堵塞 EMF 測量管和相接的灌漿管道, EMF 測量管內的附著層會引起附加相對誤差,附著水泥層電導率極低,附著物有一定厚度越大,誤差越大。
4.2 介質中氣泡的影響與處理
        因工藝或介質本身的原因,所測液體常含一些氣泡,氣泡經過電極表面存在一個摩擦過程,產生尖峰脈沖干擾電勢,其值遠大于正常的流量信號,通常電磁流量轉換器無法有效地處理如此的干擾,導致測量值不穩定,因此 EMF 的安裝位置要考慮防止氣泡的產生,一般要安裝在泵的排出端,最好垂直安裝,漿液自下而上流動,水平安裝時要使電極軸線平行于地平線,不要垂直于地平線,因為處于底部的電極易被沉積物覆蓋,頂部電極易被液體中偶存氣泡擦過遮住電極表面。
4.3 惡劣施工現場環境的影響與處理
        灌漿施工現場的環境大部分時間比較惡劣,例如高溫、潮濕、高灰塵等,時間長了冷凝水和灰塵容易積聚在 EMF 的接線盒中, 或透過密封不良的結合面滲入 EMF 殼體中,將導致 EMF 轉換器輸入回路阻抗下降, 衰減欲輸往放大器的流量信號;或者是破壞勵磁回路和信號回路的絕緣,造成 EMF 的嚴重故障。為了避免此類故障的發生,可在接線盒中灌注絕緣材料,在維修和調試 EMF 的時候一定要避免進水,保持接線盒內的干燥與干凈,使用中一定要避免浸泡在水或漿液中。
 
5 結語
        采用 EMF 比用直尺測量漿液體積的精確度大大提高,避免了許多人為因素, 對保證資料的真實性和確保工程質量起到了很大作用。但是 EMF 在使用前應進行檢驗校核,以保證達到要求的精確度。目前我國處于一個工程建設的新高潮,水泥灌漿量非常大,動態精確的計量水泥灌漿量至關重要, 電磁 EMF 以其獨特的優點成為灌漿工程流量測量的首選儀器,可廣泛推廣使用。