融合双尺度浆液动力学模型的孔内灌浆压力在线软测量方法研究

The effective detection of grouting pressure at bottom hole is an important means to ensure the quality of grouting construction. In grouting process, measuring grouting pressure at bottom hole using pressure sensor is very difficult, and obtaining the grouting pressure at bottom hole online is one of the technical bottlenecks in the monitoring process of the dam grouting. This project aims to build an intelligent soft sensor for estimating grouting pressure at bottom hole online, by means of analysis of grouts’ dynamics response in the pipe and intelligence technique. The key research contents of the project are as following: considered that grout contains solid particles and fluid slurry, with strong local heterogeneous characteristics, dynamic numerical simulation of grouts flow based on two-scale method are applied to investigate the temporal and spatial variation of grouts pressure in the grouting pipe, and to reveal the internal relation between grouting pressure and grout viscosity, particle content etc.. Based on the numerical simulation results and experimental results, main influence factors of grouts pressure at bottom hole is extracted, and the uncertainty about grouting technique, slurry viscosity etc. is explored, and try to research interval Support vector regression machine to set up the model of grouting pressure, and dynamic grouting pressure data at bottom hole is obtained. Finally, the model is validated under the full condition through field grouting experiments and technology to improve is put forwarded. The success of the project will offer a brand new means of online measurement for grouting pressure at bottom-hole. The outcomes will possess vital academic values and a wide range of social and economic benefits.

孔内灌浆压力的有效检测是确保灌浆施工质量的重要手段。灌浆过程中直接测量孔内灌浆压力十分困难，孔内灌浆压力的检测是灌浆监控过程的瓶颈技术之一。本项目拟先开展灌浆管路中浆液的流体动力学响应研究，并利用智能技术建立孔内灌浆压力的软测量模型以在线估计孔内压力。具体研究内容如下：考虑浆液中含有固体颗粒和流体浆液，具有强的局部异性特性，基于双尺度方法建立浆液的动力学数值仿真技术，探究灌浆管路中浆液压力在空间和时间域上的动态变化规律，揭示其与浆液粘度、颗粒含量等内在关系。结合数值仿真结果和试验结果，分析影响孔内灌浆压力的主要因素,并探究工艺、浆液粘度等不确定影响，研究利用区间支持向量机构建其辨识模型，在线获取孔内动态灌浆压力数据。最后，依托灌浆现场测试数据进行验证，并提出完善的方法和技术。项目的成功将提供一种新的孔内灌浆压力在线测量方法，其成果将具有重要的学术价值和广泛的社会经济效益。

因灌浆工艺的有效性和经济性,灌浆技术在水利、土木、隧道等领域得到了广泛的应用。灌浆施工中,灌浆压力是影响灌浆质量的关键参数之一。灌浆压力过大时，会发生地层的抬动破坏；压力过小时浆液渗透半径过小。而灌浆压力与地质条件，浆液特性密切相关，研究灌浆压力的动力学特性并测量孔内灌浆压力存在一定的难度。.本项目首先建立了在灌浆区域有盖重的条件下灌浆压力的非线性动力学简化模型。采用了Bouc－Wen退化迟滞模型，对盖重下方土层与岩层分别采用了不同的刚度系数与阻尼系数，分析了混凝土盖重在注浆压力动载影响下非线性动力学响应。研究了不同土体中注浆压力，裂隙高度与浆液扩散距离的关系。通过理论和实验定量研究，认识到浆液扩散距离随浆液黏度的增大呈非线性减小；而随注浆压力的增大非线性增大。为了准确了解真实灌浆压力,建立灌浆管道的动力学流动数值模型来求解孔内压力。采用多因素多水平正交法探究孔内灌浆压力相对误差受浆液配比、浆液流速、孔深的影响，运用统计法提取不同工况下的显著影响因素。研究结果表明： 灌浆压力较小时，灌浆压力误差普遍较大；若此时灌浆孔深且流速较大时， 灌浆压力的测量误差则会超过灌浆压力仪表0.5％的精度要求， 须进行误差补偿。其次，通过极差结果分析，孔深是影响孔口压力与孔内压力差值的第一影响因素， 灌浆流速是第二个主要因素。而综合所有试验结果， 当两次实验过程中浆液流速和孔深接近时，浆液粘度越大，灌浆部分的压力和孔口测量压力绝对偏差越大。最后，采用格子玻尔兹曼方法来建立灌浆压力的软测量模型，以获取不同工况,不同深度下灌浆压力的计算值。该方法结合实际过程中可测量参数和流体动力学方程来建立孔内灌浆压力的计算模型，为孔内灌浆压力的测量提供了一种新的思路。该方法简易并具有并行计算特点，有较好的工程应用前景。