隧洞灌漿工程中如何正確地使用電磁流量計進行測量

一、電磁流量計使用背景概述
隨著中國一帶一路經(jīng)濟戰(zhàn)略的實施，內(nèi)地與沿海，國內(nèi)與國外的聯(lián)系將會越來越緊密，各種各樣的物資貿(mào)易將極大地推動國家陸路交通線的發(fā)展，鐵路、高速公路都將有一個發(fā)展高潮。中國的地形趨勢是西高東低，西部絕大部分都是山區(qū)，東部的平原相對于中國的整個版圖來說只是一小部分，因此向西的交通線路沿途將需要開鑿許多隧道和壩口。在隧道的灌漿施工中，動態(tài)精確的計量水泥灌漿量至關(guān)重要，電磁流量計以其獨特的優(yōu)點在隧洞固結(jié)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(zhì)量起到了很大作用。
　
　本文所舉例中的大西溝水庫工程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(dǎo)流洞和放水灌溉洞等建筑物組成。工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型，泄洪兼導(dǎo)流洞為1級建筑物，布置在右岸巖體內(nèi)，該洞承擔(dān)施工期導(dǎo)流、正常運用期泄洪、沖砂、放空的任務(wù)。泄洪兼導(dǎo)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?guī)r，巨厚層狀、巖體呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，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(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔梅花形布置，間距3.0m×3.0m深入基巖3.5m。



二、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(huán)境等，在眾多液體流量儀器產(chǎn)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(nèi)部直通光滑、直接進行電測量、計量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點；且其檢測部無運動部件、不會發(fā)生滴漏現(xiàn)象，內(nèi)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(yīng)定律，當(dāng)被測介質(zhì)垂直于磁力線方向流動，因而與介質(zhì)流動和磁力線都垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E，感應(yīng)電動勢E與被測介質(zhì)流量Q成正比，與磁感應(yīng)強度B和測量內(nèi)徑D有關(guān)，而與其他物理參數(shù)的變化無關(guān)。測量系統(tǒng)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(nèi)阻變化高達(dá)幾萬Ω，因此要求轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，將感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)換成4～20mA的統(tǒng)一信號，轉(zhuǎn)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(shù)。

三、在灌漿工程中的使用
　　3.1 隧洞固結(jié)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(fēng)鉆鉆孔，單孔鉆孔結(jié)束后采用導(dǎo)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(shè)計要求的壓力向孔內(nèi)送水，測定其相應(yīng)的流量值，并據(jù)此計算巖體的透水率，計算結(jié)果關(guān)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(zhǔn)確是首要指標(biāo)，水有一定的電導(dǎo)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(yīng)過篩，從開始制備至用完的時間宜小于4h。
　　3.2.4 灌漿
　　固結(jié)灌漿采用孔口封閉循環(huán)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(yīng)由稀至濃級逐級變換，固結(jié)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(jīng)回漿管返出孔外，流回到漿液攪拌機中；固結(jié)灌漿孔在規(guī)定壓力下，當(dāng)注入率不大于0.4L/min，繼續(xù)灌注30min，灌漿即可結(jié)束。
　　每臺鉆孔設(shè)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(xiàn)場管線與EMF安裝布置見下圖：
　　圖1 灌漿工程現(xiàn)場管線與EMF安裝布置圖
　　由于現(xiàn)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(jié)垢的特性，故EMF測量管內(nèi)的流速應(yīng)不低于0.15m/s，以起到對電磁流量計的電極和內(nèi)襯的自清掃作用，為了保證電磁流量計的檢測精度，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(yīng)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(shù)也應(yīng)該設(shè)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(shù)據(jù)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(shè)定時間間隔定時打印出時間、流量和水灰比，當(dāng)灌漿結(jié)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(dǎo)管注漿法將孔內(nèi)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(xù)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。
　
四、應(yīng)用注意事項
　　4.1 測量管道內(nèi)附漿量的影響與處理
　　每次灌漿結(jié)束后，要及時清除電磁流量計測量管內(nèi)的殘余漿液，否則水泥漿液易在測量管道內(nèi)產(chǎn)生不同程度的膠結(jié)，甚至堵塞電磁流量計測量管和相接的灌漿管道，電磁流量計測量管內(nèi)的附著層會引起附加相對誤差，附著水泥層電導(dǎo)率極低，附著物有一定厚度越大，誤差越大。
　　4.2 介質(zhì)中氣泡的影響與處理
　　因工藝或介質(zhì)本身的原因，所測液體常含一些氣泡，氣泡經(jīng)過電極表面存在一個摩擦過程，產(chǎn)生尖峰脈沖干擾電勢，其值遠(yuǎn)大于正常的流量信號，通常電磁流量轉(zhuǎn)換器無法有效地處理如此的干擾，導(dǎo)致測量值不穩(wěn)定，因此電磁流量計的安裝位置要考慮防止氣泡的產(chǎn)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(xiàn)場環(huán)境的影響與處理
　　灌漿施工現(xiàn)場的環(huán)境大部分時間比較惡劣，例如（下轉(zhuǎn)第131頁）（上接第108頁）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(jié)合面滲入EMF殼體中，將導(dǎo)致EMF轉(zhuǎn)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(yán)重故障。為了避免此類故障的發(fā)生，可在接線盒中灌注絕緣材料，在維修和調(diào)試EMF的時候一定要避免進水，保持接線盒內(nèi)的干燥與干凈，使用中一定要避免浸泡在水或漿液中。
　　
五、本文結(jié)語
　　采用電磁流量計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(zhì)量起到了很大作用。但是EMF在使用前應(yīng)進行檢驗校核，以保證達(dá)到要求的精確度。
　　目前我國處于一個工程建設(shè)的新高潮，水泥灌漿量非常大，動態(tài)精確的計量水泥灌漿量至關(guān)重要，電磁EMF以其獨特的優(yōu)點成為灌漿工程流量測量的首選儀器，可廣泛推廣使用