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摘要：本文作者主要写道对施工控制概念结构、灌溉质量系统控制、工程费用子系统控制及环境效应子系统控制进行了阐述。
关键词：水利水电；灌浆施工；系统控制前沿
一般的水利水电工程灌浆施工控制理论往往存在下列问题：
(1)传统的控制模型或方法舍弃了许多系统因子。而且在大多数情况下只从子结构的范畴考虑问题。因此，它无法协调控制(计算)精度与系统复杂程序之间的矛盾。
(2)工程实践中要求施工控制理论和方法尽可能简单实用．这是由于施工条件的局限性(工期短、现场人员理论水平不高以及造价限制等)所造成的。另一方面．控制技术或理论的复杂性并不等于精确性。
(3)由于灌浆系统的结构存在不确定性．导致系统分析成果可能失真。
因此．要完善灌浆的施工控制．必须做好理论基础工作，建立合理的施工控制概念结构。
1施工控制系統结构的建议
(1)将灌浆工程看成包含几个子结构的、一个复杂的系统。灌浆施工控制理论即是在某种“最优化”意义下求解该系统的方法和策略的统称。它除了包含浆液的灌浆载体中渗流和相互作用规律的数学表述、模型化和最优化技术外，还补充了公理化、因果反馈和工程分析等内容。
(2)整个灌浆系统的控制过程见图1。对整个系统的运筹采用最优性准则和工程分析相结合的方式。而对各个子系统则主要采用一般的浆液渗流理论和最优化方法处理。各子系统之间用耦合变量连接，并利用先松弛一个或更多最优化的必要条件以使其独立。全系统的最优控制不一定要求各子系统的全部最优化．子系统的最优解必须满足耦合方程：
式中：Xi为从其他子系统进入子系统Ri的输入向量；Yi为子系统Ri的输出向量；Cij为耦合矩阵；Ui为系统输入向量(非调控的)U的子向量；Mi为决策变量m的子向量；ai为模型参数向量a的子向量。
(3)在全系统运行最优化分析的基础上进行工程分析。它包括以下两个方面：①将由最优化分析获得的施工控制策略和决策变量用工程的观点检查分析，以验证其技术的可能性。② 考虑在系统运行一段时间后。即在灌浆过程中，系统状态将发生变化，从而系统的输出亦将改变，为此，将新的状态变量输入灌浆控制数学模型进行反馈分析和灵敏度分析。以判别系统的稳定性。
2 对灌浆质量子系统的控制
灌浆质量子系统主要包括灌入能力、可塑性以及强度特性等。其控制目标因水利枢纽工程性质与设计施工要求而变。其控制方法：根据预定的控制目标进行浆材选择．并参照下述的l0个灌浆定理预测和协调地质条件、浆材性质及施工技术工艺之间的关系，以及在坝基或混凝土坝体中的渗流场、温度场诸反应．使其达到最优选择。其灌浆定理概括如下：
(1)尺寸效应定理。对于渗透灌浆，浆材颗粒尺寸d必须小于被灌介质缝隙Dp或孔隙的尺寸R，即必须满足浆材对孔(缝)隙的尺寸效应：
为考虑群粒的堵塞作用的累加影响．式(2)在被用于施工控制时．要求：
注意，若为粒状浆液，其渗流状态除受尺寸效应控制外，同时也受下述流变效应控制。
(2)劈裂定向定理。采用劈裂灌浆方式进行灌浆时，劈裂现象必然会首先发生在载体中垂直最小主应力的平面上。
(3)劈裂判别定理。劈裂灌浆可以采用数值法和0=f(P)曲线法来表示灌浆载体中发生水力劈裂的条件并判别其性质。
数值法——对钻孔压水试验结果进行分析．可区分三类情况：当流量与水头呈线性关系时，水在裂隙中呈层流状态，灌浆载体中未发生水力劈裂：流量与水头呈平方根函数时．渗流呈紊流状态。可能裂隙中发生了阻塞或裂隙中的充填料被压密：当流量的增长高于水流的增长时。表明渗流断面已被扩大。这是由于载体劈裂、裂隙充填物冲走或裂隙变形等原因所致。
Q=f(P)曲线法— —根据钻孔压水试验结果，按照图1中的曲线形式判别劈裂性质：P与Q呈直线关系．灌浆载体未发生水力劈裂，见图l(a)；流量随压力不可逆地增大，载体裂隙发生了冲刷或塑性变形，见图1(b)：流量的增大是可逆的，载体裂隙发生了弹性变形．见图1(c)。
(4)吸渗反应定理。化学浆液对低透介质的渗透主要不是压渗作用，而是由于浆液对载体的润湿能力和亲和力．即所谓吸渗作用。浆液对载体的润湿，以其接触角来表示，若接触角0>900，浆液是载体的润湿相，亲和力F>O，有吸渗作用；若O<900，则无吸渗作用。浆液必须藉外加压力才能迫其灌入。
3 工程费用子系统控制
在这个系统中．用最优化分析解决问题．即在本系统的运筹中，施工控制策略要使灌浆的净效益最大，而灌浆和施工控制费用尽可能地小，笔者将后者视作是负效益。为了尽可能地减少这种负效益，必须在一定的自然规律和施工条件的约束下．按照最优化原则’结合工程分析考虑施工控制工艺和方法 对整个灌浆系统进行科学的管理注意，这里不提负效益最小，而只要求负效益尽可能减少。这是由于在灌浆工程情况下，最优解并不一定是理想的运用方法。
假定施工控制的目标为已知。那么．在最优运用的策略下满足施工控制要求．就会使负效益为最小。这个问题可具体表述为：
式中：M为灌浆工程费用，即负效益，元；x为决策变量；Ci(xi)为负效益费用函数，其类型中的主要内容列于表l；Xi为决定负效益分量大小的决策变量；r设为浆液设计扩散半径，cm；r(xi)为浆液实际扩散半径cm；xil,xiu为决策变量xi的上、下限；P，P设为施工实际灌浆压力及设计灌浆压力，MPa；t，t设为实际灌浆历时及设计灌浆历时．h。
4 环境效应子系统控制
灌浆施工工程对环境效应的影响评价遵循国家对水利枢纽工程建设要求的长远的观点、时代的观点、生态学的观点、经济的观点和全流域的观点。特别需要强调的是灌浆工程对其总体目标—— 自然环境、人文社会环境等的需要以确立其价值．并以此为确定权值、评价值的重要依据。
环境效应子系统的评价因子为：气温、湿度、风速、降水量、雾、水质、水温、地下水、水化学、污染带(源)、施工中飘尘、有害气体、生活与生产污染物及水体污染、运输、爆破及施工机械噪声、施工及弃液、弃渣对景观破坏及灌浆全过程和建成后长期对人员健康与邻近建筑物安全的影响等。
(1)环境效应控制质量指标级别值的划分采用“质量指标级别值划分表”．见表2。
(3)质量指标与影响程度和时效的定量关系。设评价初始时间为0．评价的任一时间为t，灌浆工程给环境效应的质量状态评分为E(t)，未灌浆时用E。(t)表示；灌浆时用E2 )表示 于是，环境质量变化为：
△E(t)：E(t)一E(0) (6)
在时间t内，灌浆与不灌浆的环境质量变化则为：
△ER )=E2 )一El(t)(7)
现在讨论绝对影响程度I(t)。
从生态环境受影响的时间动态看，在时间『0，t1内，灌浆工程对生态环境的最大影响程度是使其质量达到最理想或最恶劣．即E(t)=10或E(t)=0。因而D(t)=10一E(O)为有利(正面)影响的限度值：C(t)=0一E(O)=一E(0)为不利(负面)影响的限度值。也就是说．若AE(t)=D(t)。表明极端有利(正面)影响：若△E“)=D(t)表明极端不利(负面)影响：若AE(t)=0，则无影响。据此分析．绝对影响程度I )表示为：
相对影响程度IR(t)表示为：
影响时效在这里系指灌浆工程对环境质量变化的过程和经历时间的长短，以及影响随时间的积累作用，它定义为灌浆工程对环境质量变化的时间积分。其单位为“质量·年”。
5 结语
灌浆施工过程控制是一个复杂的控制系统．涉及到方方面面。要作好灌浆过程控制，首先要作好以上几方面工作，然后在施工过程中选取具体的参数、控制手段和方法 才能使灌浆这一隐蔽工程作到可控，从而达到预期的灌浆施工目的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：水利水电；灌浆施工；系统控制前沿
一般的水利水电工程灌浆施工控制理论往往存在下列问题：
(1)传统的控制模型或方法舍弃了许多系统因子。而且在大多数情况下只从子结构的范畴考虑问题。因此，它无法协调控制(计算)精度与系统复杂程序之间的矛盾。
(2)工程实践中要求施工控制理论和方法尽可能简单实用．这是由于施工条件的局限性(工期短、现场人员理论水平不高以及造价限制等)所造成的。另一方面．控制技术或理论的复杂性并不等于精确性。
(3)由于灌浆系统的结构存在不确定性．导致系统分析成果可能失真。
因此．要完善灌浆的施工控制．必须做好理论基础工作，建立合理的施工控制概念结构。
1施工控制系統结构的建议
(1)将灌浆工程看成包含几个子结构的、一个复杂的系统。灌浆施工控制理论即是在某种“最优化”意义下求解该系统的方法和策略的统称。它除了包含浆液的灌浆载体中渗流和相互作用规律的数学表述、模型化和最优化技术外，还补充了公理化、因果反馈和工程分析等内容。
(2)整个灌浆系统的控制过程见图1。对整个系统的运筹采用最优性准则和工程分析相结合的方式。而对各个子系统则主要采用一般的浆液渗流理论和最优化方法处理。各子系统之间用耦合变量连接，并利用先松弛一个或更多最优化的必要条件以使其独立。全系统的最优控制不一定要求各子系统的全部最优化．子系统的最优解必须满足耦合方程：
式中：Xi为从其他子系统进入子系统Ri的输入向量；Yi为子系统Ri的输出向量；Cij为耦合矩阵；Ui为系统输入向量(非调控的)U的子向量；Mi为决策变量m的子向量；ai为模型参数向量a的子向量。
(3)在全系统运行最优化分析的基础上进行工程分析。它包括以下两个方面：①将由最优化分析获得的施工控制策略和决策变量用工程的观点检查分析，以验证其技术的可能性。② 考虑在系统运行一段时间后。即在灌浆过程中，系统状态将发生变化，从而系统的输出亦将改变，为此，将新的状态变量输入灌浆控制数学模型进行反馈分析和灵敏度分析。以判别系统的稳定性。
2 对灌浆质量子系统的控制
灌浆质量子系统主要包括灌入能力、可塑性以及强度特性等。其控制目标因水利枢纽工程性质与设计施工要求而变。其控制方法：根据预定的控制目标进行浆材选择．并参照下述的l0个灌浆定理预测和协调地质条件、浆材性质及施工技术工艺之间的关系，以及在坝基或混凝土坝体中的渗流场、温度场诸反应．使其达到最优选择。其灌浆定理概括如下：
(1)尺寸效应定理。对于渗透灌浆，浆材颗粒尺寸d必须小于被灌介质缝隙Dp或孔隙的尺寸R，即必须满足浆材对孔(缝)隙的尺寸效应：
为考虑群粒的堵塞作用的累加影响．式(2)在被用于施工控制时．要求：
注意，若为粒状浆液，其渗流状态除受尺寸效应控制外，同时也受下述流变效应控制。
(2)劈裂定向定理。采用劈裂灌浆方式进行灌浆时，劈裂现象必然会首先发生在载体中垂直最小主应力的平面上。
(3)劈裂判别定理。劈裂灌浆可以采用数值法和0=f(P)曲线法来表示灌浆载体中发生水力劈裂的条件并判别其性质。
数值法——对钻孔压水试验结果进行分析．可区分三类情况：当流量与水头呈线性关系时，水在裂隙中呈层流状态，灌浆载体中未发生水力劈裂：流量与水头呈平方根函数时．渗流呈紊流状态。可能裂隙中发生了阻塞或裂隙中的充填料被压密：当流量的增长高于水流的增长时。表明渗流断面已被扩大。这是由于载体劈裂、裂隙充填物冲走或裂隙变形等原因所致。
Q=f(P)曲线法— —根据钻孔压水试验结果，按照图1中的曲线形式判别劈裂性质：P与Q呈直线关系．灌浆载体未发生水力劈裂，见图l(a)；流量随压力不可逆地增大，载体裂隙发生了冲刷或塑性变形，见图1(b)：流量的增大是可逆的，载体裂隙发生了弹性变形．见图1(c)。
(4)吸渗反应定理。化学浆液对低透介质的渗透主要不是压渗作用，而是由于浆液对载体的润湿能力和亲和力．即所谓吸渗作用。浆液对载体的润湿，以其接触角来表示，若接触角0>900，浆液是载体的润湿相，亲和力F>O，有吸渗作用；若O<900，则无吸渗作用。浆液必须藉外加压力才能迫其灌入。
3 工程费用子系统控制
在这个系统中．用最优化分析解决问题．即在本系统的运筹中，施工控制策略要使灌浆的净效益最大，而灌浆和施工控制费用尽可能地小，笔者将后者视作是负效益。为了尽可能地减少这种负效益，必须在一定的自然规律和施工条件的约束下．按照最优化原则’结合工程分析考虑施工控制工艺和方法 对整个灌浆系统进行科学的管理注意，这里不提负效益最小，而只要求负效益尽可能减少。这是由于在灌浆工程情况下，最优解并不一定是理想的运用方法。
假定施工控制的目标为已知。那么．在最优运用的策略下满足施工控制要求．就会使负效益为最小。这个问题可具体表述为：
式中：M为灌浆工程费用，即负效益，元；x为决策变量；Ci(xi)为负效益费用函数，其类型中的主要内容列于表l；Xi为决定负效益分量大小的决策变量；r设为浆液设计扩散半径，cm；r(xi)为浆液实际扩散半径cm；xil,xiu为决策变量xi的上、下限；P，P设为施工实际灌浆压力及设计灌浆压力，MPa；t，t设为实际灌浆历时及设计灌浆历时．h。
4 环境效应子系统控制
灌浆施工工程对环境效应的影响评价遵循国家对水利枢纽工程建设要求的长远的观点、时代的观点、生态学的观点、经济的观点和全流域的观点。特别需要强调的是灌浆工程对其总体目标—— 自然环境、人文社会环境等的需要以确立其价值．并以此为确定权值、评价值的重要依据。
环境效应子系统的评价因子为：气温、湿度、风速、降水量、雾、水质、水温、地下水、水化学、污染带(源)、施工中飘尘、有害气体、生活与生产污染物及水体污染、运输、爆破及施工机械噪声、施工及弃液、弃渣对景观破坏及灌浆全过程和建成后长期对人员健康与邻近建筑物安全的影响等。
(1)环境效应控制质量指标级别值的划分采用“质量指标级别值划分表”．见表2。
(3)质量指标与影响程度和时效的定量关系。设评价初始时间为0．评价的任一时间为t，灌浆工程给环境效应的质量状态评分为E(t)，未灌浆时用E。(t)表示；灌浆时用E2 )表示 于是，环境质量变化为：
△E(t)：E(t)一E(0) (6)
在时间t内，灌浆与不灌浆的环境质量变化则为：
△ER )=E2 )一El(t)(7)
现在讨论绝对影响程度I(t)。
从生态环境受影响的时间动态看，在时间『0，t1内，灌浆工程对生态环境的最大影响程度是使其质量达到最理想或最恶劣．即E(t)=10或E(t)=0。因而D(t)=10一E(O)为有利(正面)影响的限度值：C(t)=0一E(O)=一E(0)为不利(负面)影响的限度值。也就是说．若AE(t)=D(t)。表明极端有利(正面)影响：若△E“)=D(t)表明极端不利(负面)影响：若AE(t)=0，则无影响。据此分析．绝对影响程度I )表示为：
相对影响程度IR(t)表示为：
影响时效在这里系指灌浆工程对环境质量变化的过程和经历时间的长短，以及影响随时间的积累作用，它定义为灌浆工程对环境质量变化的时间积分。其单位为“质量·年”。
5 结语
灌浆施工过程控制是一个复杂的控制系统．涉及到方方面面。要作好灌浆过程控制，首先要作好以上几方面工作，然后在施工过程中选取具体的参数、控制手段和方法 才能使灌浆这一隐蔽工程作到可控，从而达到预期的灌浆施工目的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。