隧洞灌浆工程中如何正确地使用电磁流量计进行测量

一、电磁流量计使用背景概述
随着中国一带一路经济战略的实施，内地与沿海，国内与国外的联系将会越来越紧密，各种各样的物资贸易将极大地推动国家陆路交通线的发展，铁路、高速公路都将有一个发展高潮。中国的地形趋势是西高东低，西部绝大部分都是山区，东部的平原相对于中国的整个版图来说只是一小部分，因此向西的交通线路沿途将需要开凿许多隧道和坝口。在隧道的灌浆施工中，动态精确的计量水泥灌浆量至关重要，电磁流量计以其独特的优点在隧洞固结灌浆施工中大大提高了浆液体积的测量精确度，对保证资料的真实性和确保工程质量起到了很大作用。
　
　本文所举例中的大西沟水库工程是新疆乌鲁木齐河上的龙头水库，水库距乌鲁木齐市68km，是一项以防洪为主的水利枢纽工程。枢纽主要由粘土心墙坝、溢洪道、泄洪兼导流洞和放水灌溉洞等建筑物组成。工程等别为Ⅰ等，工程规模为大（1）型，泄洪兼导流洞为1级建筑物，布置在右岸岩体内，该洞承担施工期导流、正常运用期泄洪、冲砂、放空的任务。泄洪兼导流洞包括103.305m长圆形有压洞段和316.695m长无压洞段，有压隧洞直径D=4.6m，无压隧洞为城门洞型，断面尺寸5.0m×6.0m，隧洞采用钢筋混凝土衬砌，衬厚0.5m。
　　洞身段围岩为凝灰岩，巨厚层状、岩体呈镶嵌碎裂结构，综合评定以Ⅲ类为主。隧洞围岩先进行回填灌浆再进行固结灌浆，固结灌浆孔梅花形布置，间距3.0m×3.0m深入基岩3.5m。



二、电磁流量计的工作原理
　　灌浆施工工艺中的浆液和水的流量测量非常重要，特别是所使用的液体流量检测仪表，有其特殊要求，例如要便于频繁清洗和承受高速浆液中颗粒的摩擦和恶劣环境等，在众多液体流量仪器产品中，电磁流量计具有测量不受流体温度、压力、密度、黏度的影响、内部直通光滑、直接进行电测量、计量精度高、响应速度快等优点；且其检测部无运动部件、不会发生滴漏现象，内衬可采用聚四氟乙烯塑料和氧化铝陶瓷，具有很强的抗腐蚀性，近年来已成为灌浆工程流量测量的首选仪器。
　　电磁流量计（以下简称EMF）的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，当被测介质垂直于磁力线方向流动，因而与介质流动和磁力线都垂直的方向上产生感应电动势E，感应电动势E与被测介质流量Q成正比，与磁感应强度B和测量内径D有关，而与其他物理参数的变化无关。测量系统的变送器输出E是一个微弱的交变信号，其中包含各种干扰成分，且信号内阻变化高达几万Ω，因此要求转换器是一个高输入阻抗，且能抑制各种干扰成分的交流mV转换器，将感应电动势转换成4～20mA的统一信号，转换器有高输入阻抗差动放大器、主放大器、正交干扰抑制器、相敏检波器、直流放大器、霍尔乘法器等组成，最后输出信号电流为Io=K·Q，式中Io为输出信号电流，K为仪表常数。

三、在灌浆工程中的使用
　　3.1 隧洞固结灌浆施工工艺
　　钻孔、洗孔→压水试验→制浆→灌浆→封孔
　　3.2 施工方法
　　3.2.1 钻孔、洗孔
　　采用手风钻钻孔，单孔钻孔结束后采用导管通入大流量水流，从孔底向孔外冲洗的方法进行冲洗，至回水变清。
　　3.2.2 压水试验
　　简易压水试验是以设计要求的压力向孔内送水，测定其相应的流量值，并据此计算岩体的透水率，计算结果关系到岩体渗透特性的评价以及灌浆成果资料整理。这一测量点是十分重要和敏感的，准确是首要指标，水有一定的电导率，满足EMF的测量要求，需要重点考虑的是EMF的口径，因为压水试验和灌浆用的是相同的EMF。
　　3.2.3 制浆
　　制浆材料采用磅秤称量，ZJ-800型高速搅拌机拌制水泥浆液，浆液在使用前应过筛，从开始制备至用完的时间宜小于4h。
　　3.2.4 灌浆
　　固结灌浆采用孔口封闭循环灌浆法，用BW-250型灌浆机全孔一次灌浆，灌浆压力0.3～0.5MPa，灌浆过程中派专人查看压力表，压力值宜读取压力表指针摆动的中值。
　　灌浆浆液应由稀至浓级逐级变换，固结灌浆水灰比采用2：1、1：1、0.8：1、0.6：1四个比级。
　　灌浆泵将一定水灰比的水泥浆液压送到孔中，一部分进入裂隙而扩散，余下的浆液经回浆管返出孔外，流回到浆液搅拌机中；固结灌浆孔在规定压力下，当注入率不大于0.4L/min，继续灌注30min，灌浆即可结束。
　　每台钻孔设备都需要两台EMF分别记录进、返浆流量，灌浆量就等于进浆量减去返浆量，现场管线与EMF安装布置见下图：
　　图1 灌浆工程现场管线与EMF安装布置图
　　由于现场灌浆泵泵量为100L/min，故EMF的量程选为100L/min，由于水泥浆液中带有水泥固体颗粒，考虑到对EMF衬里和电极的磨损，选用流速≤5m/s，另一方面水泥浆液又具有易粘附、沉淀、结垢的特性，故EMF测量管内的流速应不低于0.15m/s，以起到对电磁流量计的电极和内衬的自清扫作用，为了保证电磁流量计的检测精度，使用流速控制在0.15～5m/s之间。
　　灌浆施工时吸浆量大小一般在0～100L/min，进、返浆上EMF相应的流量范围为30～100L/min，EMF口径选择DN25比较合适，同时EMF的时间常数也应该设置小一些，一般在1～3s，以提高测量的灵敏度。
　　在灌浆过程中使用灌浆自动记录仪完成数据采集与处理，在屏幕上显示流量、水灰比及注入水泥总量，按设定时间间隔定时打印出时间、流量和水灰比，当灌浆结束时，自动计算并打印注入水泥总量、浆液总量和单耗水泥量。
　　3.2.5 灌浆孔封孔
　　全孔灌浆完毕后，先采用导管注浆法将孔内余浆置换成水灰比为0.5的浓浆，而后将灌浆塞塞在孔口，继续使用这种浆液进行纯压式灌浆封孔，封孔灌浆的压力一般不宜小于1MPa。
　
四、应用注意事项
　　4.1 测量管道内附浆量的影响与处理
　　每次灌浆结束后，要及时清除电磁流量计测量管内的残余浆液，否则水泥浆液易在测量管道内产生不同程度的胶结，甚至堵塞电磁流量计测量管和相接的灌浆管道，电磁流量计测量管内的附着层会引起附加相对误差，附着水泥层电导率极低，附着物有一定厚度越大，误差越大。
　　4.2 介质中气泡的影响与处理
　　因工艺或介质本身的原因，所测液体常含一些气泡，气泡经过电极表面存在一个摩擦过程，产生尖峰脉冲干扰电势，其值远大于正常的流量信号，通常电磁流量转换器无法有效地处理如此的干扰，导致测量值不稳定，因此电磁流量计的安装位置要考虑防止气泡的产生，一般要安装在泵的排出端，最好垂直安装，浆液自下而上流动，水平安装时要使电极轴线平行于地平线，不要垂直于地平线，因为处于底部的电极易被沉积物覆盖，顶部电极易被液体中偶存气泡擦过遮住电极表面。
　　4.3 恶劣施工现场环境的影响与处理
　　灌浆施工现场的环境大部分时间比较恶劣，例如（下转第131页）（上接第108页）高温、潮湿、高灰尘等，时间长了冷凝水和灰尘容易积聚在EMF的接线盒中，或透过密封不良的结合面渗入EMF壳体中，将导致EMF转换器输入回路阻抗下降，衰减欲输往放大器的流量信号；或者是破坏励磁回路和信号回路的绝缘，造成EMF的严重故障。为了避免此类故障的发生，可在接线盒中灌注绝缘材料，在维修和调试EMF的时候一定要避免进水，保持接线盒内的干燥与干净，使用中一定要避免浸泡在水或浆液中。
　　
五、本文结语
　　采用电磁流量计比用直尺测量浆液体积的精确度大大提高，避免了许多人为因素，对保证资料的真实性和确保工程质量起到了很大作用。但是EMF在使用前应进行检验校核，以保证达到要求的精确度。
　　目前我国处于一个工程建设的新高潮，水泥灌浆量非常大，动态精确的计量水泥灌浆量至关重要，电磁EMF以其独特的优点成为灌浆工程流量测量的首选仪器，可广泛推广使用