一种覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置及方法

技术领域

本发明涉及灌浆工程技术领域，特别是涉及一种覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置及方法。

背景技术

覆盖层在中国分布广泛，很多大坝基础建在覆盖层地基上。由于特殊的地域条件及复杂的成因类型，中国不同地域第四系覆盖层工程性质差别较大。如中国水能资源丰富的西南地区，覆盖层主要由漂卵砾石、块碎石、粉细砂等组成，具有结构松散、颗粒粗大、透水性强等特性，而中国相对干旱的中西部地区，覆盖层主要由全新世的新近堆积黄土至晚更新世的新黄土组成，具有土质结构松散、强度低、变形大、自重湿陷等特性，又如中国东部沿海地区，覆盖层主要由第四系全新统海相沉积成因的淤泥质黏土、淤泥、粉质黏土等组成，具有含水率高、渗透性弱、压缩性高及强度低等特性。

当第四系覆盖层地基的承载力、变形性能或抗渗性能不能满足工程结构正常使用和安全稳定要求时，需采取与覆盖层地质条件、建筑物的特性相适应的技术措施对覆盖层地基进行处理，以提高其承载力并改善其变形、抗渗性能。

灌浆在覆盖层地基防渗加固处理中应用较多。与其他方法相比，水泥基灌浆具有以下优点：1、水泥基浆材来源广、价格便宜；2、灌入浆液与相应地基结合后能够形成具有一定强度的结石体浆脉，从而改善地基的力学及渗透特性；3、施工机械及工艺简单，场地需求小，对附近建筑物和地层干扰较小；4、可广泛应用于如卵砾石、碎石、砂土、素填土和杂填土等覆盖层。

在水泥灌浆过程中，浆液在灌浆压力作用下扩散过程和范围随覆盖层地基性质的不同呈现较大的差异，待处理区域水泥基浆液的填充情况直接决定着灌浆处理效果，因此，水泥基浆液扩散范围的测控对于灌浆工程具有十分重要的意义，主要体现在以下三个方面：1、提高灌浆参数设计的可靠性和合理性，现阶段对于灌浆参数的设计，在很大程度上还是依赖于工程经验，以灌浆量和灌浆压力作为灌浆过程控制标准，有时虽浆液耗量较大，但浆液可能沿地层中孔隙向相对松散薄弱区域扩散过远，也可能达不到覆盖层处理目的。若实现了对水泥基浆液扩散范围的测控，将会提高灌浆参数设计的可靠性和合理性；2、避免覆盖层灌浆效果评价的滞后性，现阶段根据覆盖层耗浆量、抬动变形情况、处理后开挖情况、物探试验、注水试验、芯样试验及载荷试验等检测及监测成果，评价灌浆处理效果，评价方法具有一定的滞后性，无法及时对水泥基浆液的扩展和赋存情况进行定量评价，从而及时对灌浆参数进行调整优化；3、节省现场灌浆试验费用和工期，实际灌浆工程中需要进行大量现场试验，才能最终确定满足工程要求的灌浆参数，现场试验会增加工程投入，延长工期，对于部分工期紧张的工程，常常会取消现场灌浆试验而直接进行灌浆施工，最终由于灌浆参数设计不合理而导致地基处理效果不佳，或者是浆液扩散过远，造成不必要的浪费。因此，对水泥基浆液扩散范围的测控，可提高灌浆参数设计的可靠性和合理性，增加灌浆效果评价的针对性，进而大量减少现场试验工作量，节省费用和工期。

覆盖层多孔介质中水泥灌浆理论研究严重滞后，基于流体力学和固体力学等推导而来的灌浆理论并不完全适用，目前无法通过理论计算获得相应地层和灌浆压力条件下水泥基浆液扩散范围参数。而灌浆工程属于隐蔽工程，由于对水泥基浆液扩散范围缺乏有效的监测方法或测试手段，对灌浆过程监测还局限于灌浆压力、灌浆量、地基或建筑物变形等监测，实际灌浆施工过程中并未对浆液进入覆盖层后的扩散特征参数进行监测，无法获取水泥基浆液扩散范围及填充情况。

根据研究文献资料，目前对于浆液扩散范围的监测主要是基于浆液温度和压力监测。基于浆液温度监测扩散范围即利用浆液渗流及温度传导特性来进行浆液扩散范围的监测，对灌浆区域及边界布设温度测点来测试及反馈灌浆浆液的扩散范围，解决隐蔽工程浆液扩散范围的可测量问题，如中国水利水电科学研究院的发明专利“一种砂砾石层水泥灌浆浆液扩散过程监测装置及方法”和中国矿业大学的发明专利“岩土体中注浆浆液扩散范围测控方法”。基于浆液温度监测扩散范围主要问题在于需使用高温水泥基浆液进行灌浆以及不同种类覆盖层温度传导特性差异性。不同的温度下水泥基浆液表观粘度、流动性、凝结时间等基本特性差别较大，导致高温水泥基浆液与常规水泥基浆液扩散规律差异较大，基于高温水泥基浆液的扩散规律监测成果和研究成果，对于常规水泥基浆液扩散规律的代表性较差；另外，水泥基浆液扩散过程中温度损失较严重，对于渗透性较差的覆盖层，预设在灌浆区域的温度传感器变化不明显，难以对浆液扩散范围进行有效监测。

基于灌浆压力的监测即利用灌浆压力传导特性或压力对围岩的破坏作用来进行浆液扩散范围的监测，对灌浆区域及边界布设压力传感器或利用微震技术的高灵敏度检波器来测试及反馈灌浆浆液的扩散范围，如河北煤炭科学研究院的发明专利“钻孔注浆浆液空间扩散范围及路径描述方法”中基于灌浆压力破坏作用的微震监测技术。该监测方法基本原理为高压浆液在含水层原有裂隙内产生冲扩、劈裂、破岩等作用，人工诱发一系列微震事件发生，监测、分析这些微震事件的时空变化规律，确定注浆浆液扩散范围及路径。该类方法主要适用于围岩裂隙灌浆扩散范围监测，由于覆盖层类多孔介质与围岩裂隙在灌浆压力传导及浆液扩散机理上存在较大差异，该方法对覆盖层水泥灌浆浆液扩散范围的测控并不适用。

综上，现有浆液扩散测控技术难以实现对于各类覆盖层灌浆过程中水泥基浆液扩散范围的有效监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置及方法，能够实现对于各类覆盖层灌浆过程中水泥基浆液扩散范围的有效监测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置，所述装置包括：

多组pH电极，分别设置于对应的监测孔内，用于实时获取每个监测孔内多个坐标位置处的pH值；每组pH电极均包括多个pH电极，各所述pH电极依次纵向布设于监测孔内对应坐标位置处；每个所述pH电极均具有唯一的坐标位置；各所述监测孔均匀布设于灌浆孔周围；

pH数据采集仪，与所述多组pH电极连接，用于实时采集每个所述pH电极发送的所述pH值；

浆液扩散数据管理系统，与所述pH数据采集仪连接，用于对所述pH数据采集仪实时发送的所述pH值进行处理，确定浆液扩散位置，并根据所述浆液扩散位置绘制任一时刻水泥基浆液扩散范围轮廓图。

可选地，所述浆液扩散数据管理系统具体包括：

pH电极信息获取模块，用于获取每个所述pH电极的坐标位置；

数据处理分析模块，分别与所述pH电极信息获取模块和所述pH数据采集仪连接，用于对所述pH数据采集仪实时发送的所述pH值进行处理，根据所述pH电极信息获取模块发送的所述坐标位置确定浆液扩散位置，并根据所述浆液扩散位置绘制任一时刻水泥基浆液扩散范围轮廓图。

可选地，所述浆液扩散数据管理系统还包括：

图形展示模块，与所述数据处理分析模块连接，用于实时展示覆盖层灌浆过程中所述水泥基浆液扩散范围轮廓图。

可选地，每组所述pH电极至少包括3个所述pH电极；

当每组所述pH电极包括3个所述pH电极时，3个所述pH电极分别布设于灌浆监测段的顶部、灌浆监测段的中部以及灌浆监测段的底部；所述灌浆监测段为所述监测孔的一段；所述灌浆监测段的顶部与灌浆段的顶部位于同一水平线上；所述灌浆监测段的底部低于灌浆段的底部。

可选地，每组所述pH电极中各所述pH电极依次纵向布设于pH电极固定杆上；所述pH电极固定杆固定于所述灌浆监测段内。

可选地，各所述监测孔内均设置有套管；所述pH电极固定杆固定于所述套管内；所述套管用于防止所述监测孔的孔壁坍塌。

可选地，所述套管为注浆花管或塑料排水盲管。

可选地，各所述监测孔呈环型均匀设置于灌浆孔周围。

本发明还提供了如下方案：

一种覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控方法，所述方法包括：

获取第一pH值；所述第一pH值为当前时刻各坐标位置处的pH值；

获取第二pH值；所述第二pH值为上一时刻各坐标位置处的pH值；

针对每一坐标位置，分别计算各所述坐标位置处的pH变化值；所述pH变化值为所述第二pH值和所述第一pH值之间的差值；

判断所述pH变化值是否处于突变范围；

若是，则将所述pH变化值对应的坐标位置确定为浆液扩散位置，并根据所述浆液扩散位置绘制当前时刻水泥基浆液扩散范围轮廓图；

若否，则将所述pH变化值对应的坐标位置确定为浆液未扩散位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置及方法，利用常规水泥基浆液高pH值特性和覆盖层中不同坐标位置处预置的pH电极，通过pH值突变判断浆液在覆盖层中的扩散情况，实现对于各类覆盖层灌浆过程中水泥基浆液扩散范围的有效监测，测试方法简便、成果可靠、费用低，可直接反映浆液扩散规律，且不改变浆液特性，监测成果可靠度高，适用于现场灌浆工程应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置实施例的结构示意图；

图2为本发明水泥基浆液扩散范围测控平面布置示意图；

图3为本发明覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置及方法，能够实现对于各类覆盖层灌浆过程中水泥基浆液扩散范围的有效监测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置实施例的结构示意图。参见图1，该覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置包括多组pH电极5、pH数据采集仪9和浆液扩散数据管理系统10。

多组pH电极5分别设置于对应的监测孔3内，多组pH电极5用于实时获取每个监测孔3内多个坐标位置处的pH值；每组pH电极5均包括多个pH电极5，各pH电极5依次纵向布设于监测孔3内对应坐标位置处；每个pH电极5均具有唯一的坐标位置；各监测孔3均匀布设于灌浆孔2周围，可利用覆盖层同序超前孔作为监测孔3。各监测孔3呈环型均匀设置于灌浆孔2的周围，如图2所示。pH电极5采用有线或无线pH电极均可，如雷磁工业pH电极pHG-21D。

每组pH电极5至少包括3个pH电极5；当每组pH电极5包括3个pH电极5时，3个pH电极5分别布设于灌浆监测段的顶部、灌浆监测段的中部以及灌浆监测段的底部；灌浆监测段为监测孔3的一段；灌浆监测段的顶部与灌浆段8的顶部位于同一水平线上；灌浆监测段的底部低于灌浆段8的底部。灌浆段8为灌浆孔2的一段。

每组pH电极5中各pH电极5依次纵向布设于pH电极固定杆6上；pH电极固定杆6固定于灌浆监测段内。

各监测孔3内均设置有套管4；pH电极固定杆6固定于套管4内；套管4用于防止监测孔3的孔壁坍塌。套管4为注浆花管或塑料排水盲管，保证水泥基浆液滤液顺利进入监测孔3内。

pH数据采集仪9与多组pH电极5连接，pH数据采集仪9用于实时采集每个pH电极5发送的pH值。pH数据采集仪9还用于存储每个pH电极5发送的pH值。

浆液扩散数据管理系统10与pH数据采集仪9连接，浆液扩散数据管理系统10用于对pH数据采集仪9实时发送的pH值进行处理，确定浆液扩散位置，并根据浆液扩散位置绘制任一时刻水泥基浆液扩散范围轮廓图。

浆液扩散数据管理系统10具体包括pH电极信息获取模块、数据处理分析模块和图形展示模块。

pH电极信息获取模块用于获取每个pH电极5的坐标位置。

数据处理分析模块分别与pH电极信息获取模块和pH数据采集仪9连接，数据处理分析模块用于对pH数据采集仪9实时发送的pH值进行处理，根据pH电极信息获取模块发送的坐标位置确定浆液扩散位置，并根据浆液扩散位置绘制任一时刻水泥基浆液扩散范围轮廓图。

图形展示模块与数据处理分析模块连接，图形展示模块用于实时展示覆盖层1灌浆过程中水泥基浆液扩散范围轮廓图。

利用该覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置进行覆盖层1灌浆中水泥基浆液扩散范围测控的具体工艺流程包括：

(1)根据待处理覆盖层1的工程性质、相应规范以及工程经验，初步确定灌浆压力、灌浆量、灌浆段8的长度、灌浆孔2的排距、灌浆孔2的孔深、灌浆孔2的孔径、灌浆段8的长度等灌浆参数。

(2)按照步骤(1)中设计的灌浆参数在拟灌浆区域内施工灌浆孔2，在灌浆孔2的周围按环型布设并施工多个监测孔3，采用套管4进行护壁。

监测孔3的孔径小于灌浆孔2的孔径，监测孔3的孔深与灌浆孔2的孔深相同；监测孔3的布设间距、排距及数量由浆液扩散范围监测的精度和施工需要确定；在该实施例中，监测孔3的孔距为0.5m～1.5m、排距大于0.5m。

施工时首先采用钢套管跟管护壁，待施工结束后，在钢套管内下放套管4，然后再拔出钢套管，使用套管4护壁。套管4的外径小于钢套管的内径，保证套管4能够顺利下放至监测孔3的底部，套管4的内径满足pH电极5顺利下放至监测深度的要求。

(3)在监测孔3内的套管4内沿深度方向布设pH电极5，采用pH电极固定杆6将pH电极5固定下放到设计深度，pH电极5可采用有线或无线传输pH值，可以实时传输pH值，每个监测孔3中对应灌浆段8的长度布设的pH电极5的数量可根据浆液扩散范围监测的精度和施工需要确定，但至少需要3支，分别布设在灌浆段8的顶部、灌浆段8的中部及低于灌浆段8的底部对应深度位置。

pH电极5可通过铁丝、扎带等绑扎在pH电极固定杆6相应位置上；pH电极固定杆6为两端带螺纹的细钢筋，每段长度1.5m～2.0m，可通过连接螺帽7连接以延长到需要长度；将pH电极5下放至设计位置，并将pH电极固定杆6的顶部固定在监测孔3的中心位置，防止pH电极5摆动。

(4)以灌浆孔2的底部中心为坐标原点，建立空间笛卡尔直角坐标系，确定各pH电极5的坐标位置并分别进行编号。每个pH电极5的坐标位置对应唯一的编号。

(5)将编号信息输入pH数据采集仪9，对各监测孔3的相应坐标位置pH值进行实时测量并存储。设置pH电极5的采样频率≥10Hz。

(6)将编号及坐标位置信息输入浆液扩散数据管理系统10，浆液扩散数据管理系统10包括pH电极信息获取模块、数据处理分析模块及图形展示模块。通过pH电极信息获取模块将pH电极5的坐标位置、编号等信息录入浆液扩散数据管理系统10，并将pH数据采集仪9通过有线或无线方式连接到浆液扩散数据管理系统10，利用浆液扩散数据管理系统10的数据处理分析模块读取采集的pH数据，并对采集的pH数据进行在线分析，通过相应坐标位置pH值突变判断浆液扩散范围，并绘制相应时刻水泥基浆液在覆盖层1中的扩散范围轮廓图，通过浆液扩散数据管理系统10的图形展示模块进行实时展示，实现隐蔽灌浆工程水泥基浆液扩散范围的可视化。

(7)将灌浆系统11中的灌浆泵、灌浆管及配件连接好后，向灌浆孔2内灌浆，形成灌浆段8，灌浆过程中根据浆液扩散数据管理系统10实时展示的浆液扩散范围轮廓图，验证及评价初步设计灌浆参数的合理性，并通过灌浆压力、灌浆量、灌浆孔2的排距、灌浆孔2的深度及灌浆时间等的优化调整，直至待处理覆盖层1的浆液扩散范围满足灌浆设定要求。优化调整为根据工程经验结合相关规范规定对灌浆压力、灌浆量、灌浆孔2的排距、灌浆孔2的深度及灌浆时间等进行优化调整。

(8)对第一个灌浆段8的浆液扩散监测过程结束后，回收并清洗pH电极5。通过拆卸连接螺帽7实现对于pH电极5的回收，用清水清洗pH电极5并把水分吸干。结合地质勘探资料，对下一个灌浆段8重复进行步骤(3)～

(8)，完成对于不同工程性质覆盖层的水泥基浆液扩散范围测控。

(9)所有覆盖层水泥基浆液扩散监测过程结束后，回收并清洗pH电极5，并采用专用浸泡液保护，以备后期使用。

图3为本发明覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控方法实施例的流程图。参见图3，该覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控方法包括：

步骤301：获取第一pH值；第一pH值为当前时刻各坐标位置处的pH值。

步骤302：获取第二pH值；第二pH值为上一时刻各坐标位置处的pH值。

步骤303：针对每一坐标位置，分别计算各坐标位置处的pH变化值；pH变化值为第二pH值和第一pH值之间的差值。

步骤304：判断pH变化值是否处于突变范围。

若步骤304的输出结果为是，则执行步骤305：将pH变化值对应的坐标位置确定为浆液扩散位置，并根据浆液扩散位置绘制当前时刻水泥基浆液扩散范围轮廓图。

若步骤304的输出结果为否，则执行步骤306：将pH变化值对应的坐标位置确定为浆液未扩散位置。

本发明公开的覆盖层灌浆中水泥基浆液扩散范围测控装置及方法，根据相应研究成果，普通硅酸盐水泥浆液属于强碱性浆液，水泥基浆液pH值一般大于12，利用常规水泥基浆液高pH值的基本属性和覆盖层中预置的pH电极对浆液在各类覆盖层中的扩散范围及扩散过程进行测控。确定预设的各pH电极坐标位置并进行编号，采用pH电极实时测量灌浆过程中不同坐标位置处的pH值，将pH电极编号信息输入pH数据采集仪，采用pH数据采集仪按照一定频率接收各监测孔相应坐标位置的pH值并存储，将pH电极的编号及坐标位置信息输入浆液扩散数据管理系统，采用浆液扩散数据管理系统对pH数据进行在线分析，通过相应坐标位置的pH值突变判断浆液扩散范围，并绘制相应时刻浆液在覆盖层中的扩散范围轮廓图，实现对水泥基浆液在不同覆盖层中扩散过程的可视化和监测，根据浆液扩散半径实时调整灌浆控制参数和评价灌浆效果，验证及评价初步设计的灌浆参数的合理性，通过对设计的灌浆参数的优化调整，使覆盖层中浆液扩散范围满足灌浆处理要求，以达到优化设计的灌浆参数和节省现场灌浆试验工作量的目的。

进一步，本发明通过监测各类覆盖层中不同坐标位置处的pH值变化即可判断浆液在各类覆盖层中的扩散情况，直接反映浆液的扩散范围，监测方法简便，成果直观、可靠，费用低，可准确判断浆液的扩散范围，直接反映浆液扩散规律，且不改变浆液特性，减少检查孔数量，优化灌浆参数，适用于现场灌浆工程应用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。