基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统转让专利
申请号 : CN202010072841.9
文献号 : CN111254912B
文献日 : 2021-08-31
发明人 : 李正兵 , 裴向军 , 廖军 , 肖铧 , 邵方敬 , 宋崔蓉 , 李翔 , 王勇 , 毛勇 , 刘鹏程
申请人 : 中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司 , 成都理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于包括:数据连接与传输模块,数据采集模块,地质编录模块,建模、分析及反馈模块,控制模块和成果分析查询模块;
数据连接与传输模块:采用LoRa技术和无线路由方式建立各设备之间一对一的数据安全传输及指令传递网络;
数据采集模块:通过钻孔地质资料采集端、岩体声波值和弹性模量采集端、透水率采集端、灌浆规范或设计要求控制值采集端、灌浆孔基本参数采集端获得相关数据;
地质编录模块:将各采集数据形成数据库,数据库包括:钻孔地质资料编录数据库、岩体声波值数据库、透水率数据库、灌浆规范或设计要求控制值数据库及灌浆孔基本参数数据库;
建模、分析及反馈模块:在形成的各数据库的基础上,建立锚固和灌浆施工区域的三维地质模型;利用建立的三维地质模型分析锚固和灌浆质量同时反馈给数据库即时更新数据;
智能控制模块:将更新的锚固和灌浆参数数据用于锚固智能张拉控制和灌浆智能控制,实现锚固张拉与灌浆全过程自动、即时控制;
成果分析查询模块:通过数据连接与传输模块在后方数据平台或利用大数据直接完成后序数据输出,实现种类数据时时查询、统计、分析和汇总。
2.根据权利要求1所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于:数据采集模块采集包括:钻孔地质资料、岩体声波值、弹性模量、岩芯三率、透水率、张拉与灌浆基础参数;数据采集包括两种,一种是二维码采集,另一种是通过电脑按标准的数据库格式导入或录入来实现采集;过程数据采集是连续数据。
3.根据权利要求2所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于:地质编录模块包括建立以下数据库:
(1)地质数据库按分布坐标、高程对应的岩性、成因、地质构造、围岩类别建立,通过收集相关地质资料,按规定的格式导入数据库形成;地质构造包括裂隙、断层、褶皱数据;
(2)岩芯三率数据库由前期勘探阶段所收集的勘探孔、主体施工时的先导孔或其它补充勘查孔的相关岩芯三率数据组成,包括相关孔的桩号、高程、孔深,对应段次的三率统计表及对应的岩芯相片;三率包括岩芯获得率、岩芯采取率和岩芯RQD值;
(3)岩体声波数据库由前期勘探阶段所收集的勘探孔及主体施工的先导孔、灌前测试孔或其它补充勘查孔的相关声波检测值及声波曲线图组成;
(4)基本参数数据库由施工相关孔的坐标、高程、孔深、钻孔倾角、方位角、孔径、段长划分相关信息组成;
(5)岩体透水率数据库由前期勘探孔,主体施工时的先导孔或其它补充勘查孔的相关压水资料,建立起整个基础处理部位透水率分布数据库。
4.根据权利要求3所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于:建模、分析及反馈模块中建立的锚固和灌浆施工区域三维地质模型包括参数:硬度、弹性模量、密度、倾角、走向,模型体内包括洞室、建筑物、断层及其影响带、软弱破碎带、裂隙、地质构造的地质特征。
5.根据权利要求4所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于建模、分析及反馈模块中分析包括:利用Adobe Lightroom对所收集的图片,图片包括地质剖面图、裂隙素描图、开挖地质素描图、孔内录像图、施工图、施工过程中的各类相片;利用关键字,关键字包括部位关键字集、工序控制集、类别集;利用人脸识别功能管理图片;进行包括编辑、搜索、查找、比对、筛选,实现三维模型与现实图片相对应,实现快速、形象认识所处部位地质情况。
6.根据权利要求4所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于建模、分析及反馈模块中分析包括:采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对锚固和灌浆区进行固结灌浆、帷幕灌浆模拟,采用ANSYS/LS—DYNA软件,采用SPH耦合算法模拟灌浆过程中的浆液扩散效果,分析提高抗变形能力和提高防渗性能的形成过程,得出灌浆过程的薄弱部位和薄弱环节,指导后期锚固或灌浆处理做到有的放矢。
7.根据权利要求4所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于建模、分析及反馈模块中分析包括:在地质三维模型中建立锚索体、灌浆孔模型,将岩体断层、裂隙、褶皱与锚索体、灌浆孔孔段位置建立一一对应关系的基本数据库,提前预知灌浆所面临的精确地质情况,灌浆孔每一段对应地质情况与单位注灰量、透水率的关系,对单位注灰量进行预测,建立岩性、地质构造、透水率与灌浆压力、透水率的函数关系,推测选取最优的张拉或灌浆控制参数,并通过数据传输给张拉或灌浆智能控制系统,实现智能张拉或灌浆。
8.根据权利要求4所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于建模、分析及反馈模块中分析包括:将地质三维模型和数据库与智能控制灌浆系统实时数据交换,包括灌注量、裂隙接触面积与抬动监测数据的对应关系,建立预警报警系统,实现全过程智能灌浆控制。
9.根据权利要求4所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于数据连接与传输模块包括:现场每个单元设备由工艺控制中心和数据采集和处理中心两部位组成,工艺控制中心与油泵控制器、伸长值测量仪、浆液电磁阀、清水电磁阀、压力升降控制系统、数据采集和处理系统均采用LoRa技术实现指令传递或数据交换,数据采集和处理中心与油泵加压传感器、伸长测量传感器、压力传感器、进回浆传感器、温度传感器、密度检测传感器及抬动监测传感器之间采用LoRa技术实现数据采集;现场各单元设备与后方数据库服务器、大数据平台通过英特网通信媒质进行数据交换。
10.根据权利要求4所述基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统,其特征在于数据连接与传输模块包括采用干式蓄电池供电,并安装无线连接端口的浆液密度计、浆液进浆流量计、回浆流量计、压力计、抬动监测位移计、浆液温度检测仪。
说明书 :
基于地质编录大数据的锚固和灌浆工程管理系统
技术领域
背景技术
控制、检测方面都还较粗糙,不能满足高速发展的高质量工程的需要,与我国的国民经济发
展不相适应,严重落后于很多工业行业。实际锚固和灌浆工程中,机械化程度低,人员密集
性典型,全靠人工操作,常常通过人海战术来解决施工进度等问题。如高边坡锚索施工仍然
是采用高排架上采用潜孔钻造孔,再由人员一束束进行锚索编制,一束束由人工抬至孔工
由人工安装,注浆及后序张拉仍然由人工一步步操作完成;再如帷幕灌浆灌浆参数的确定,
仍然是按照规范或技术的参数,开展试验区,通过试验区取得相关验证结果,调整相关参
数,再大规模推广使用,还没有开展和实施有针对性的灌浆参数控制或有针对性的工艺控
制。
芯资料建立起锚固与灌浆工程所对应部位的地质模型,推测地质构造的走向、倾向及分布
位置,从而准确确定出锚索或灌浆孔不同孔深对应处理对象的地质特有的特征,采取个性
的灌浆参数和个性化的控制程序来施工。如针对地质非常好的地段,段长调长,甚至2段、3
段并灌,对地质差的部位,能够及时发现,提前调密孔间距,同时地质异常复杂的部位可以
调短段长,有意识、有针对性的对其特殊地层进行单独处理,既能保证质量,又能效果,还能
加快施工进度;再如关于灌浆开灌水灰比的问题,目前基本上是偏偏一律使用的同一开灌
水灰比,适应性非常差,如果建立有地质编录数据库,将各类数据放在一起进行分析,可以
快速确定不同地质采用不同开灌水灰比,地质好的部位采用稀浆开灌,地质差的部位直接
采用浓浆开灌,这样,一个孔不同孔段根据不同的地质由系统进行科学的选择灌浆参数,同
样就解决了是“稀浆开灌好”还是“浓浆开灌好”的担忧。
数进行优化调整,如灌浆过程中的开灌水灰比,灌浆压力,灌浆流量,浆液变换条件等,帷幕
灌浆普遍采用水灰比为5:1的开灌,浆液变换条件都是“当灌浆压力保持不变,注入率持续
减少时,或注入率不变而压力持续升高时,不得改变水灰比;当某级浆液注入量己达300L以
上,或灌注时间已达到30min,而灌浆压力和注入率均无显著改变时,应换浓一级水灰比浆
液灌注;当注入率大于30L/min时,根据施工具体情况,可越级变浓。”按照这样的要求灌浆
得出的结果是千篇一律,且劳动强度高,效率低,要不就是投资增加,要不就是质量存在风
险等,适应性较差,同时无法实时监控及对灌浆过程进行反馈,无条件接受已成实现,针对
不满足要求的地方只能采取加固处理。在现有建设施工中,无论是市政建设、铁路建设、水
利水电建设等,实施对象都趋于复杂化和质量安全要求不断提高,在不断控制投资成本的
要求下,采用普通、一个标准、没有针对性的灌浆方法不能满足需要。
发明内容
施工控制参考参数,同时与智能控制系统结合形成反馈,持续优化过程控制参数,同时对相
应的记录过程进行监控反馈,改善锚索张拉及灌浆效果,使施工过程标准化,进一步提高工
程质量及效率,降低安全风险。
模块;其中:
数数据库;
数据;
按标准的数据库格式导入或录入来实现采集;过程数据采集连续数据。
统计表及对应的岩芯相片;三率包括岩芯获得率、岩芯采取率和岩芯RQD值;
碎带、裂隙、地质构造的地质特征。
类相片;利用关键字,关键字包括部位关键字集、工序控制集、类别集;利用人脸识别功能管
理图片;进行包括编辑、搜索、查找、比对、筛选,实现三维模型与现实图片相对应,实现快
速、形象认识所处部位地质情况。
耦合算法模拟灌浆过程中的浆液扩散效果,分析提高抗变形能力和提高防渗性能的形成过
程,得出灌浆过程的薄弱部位和薄弱环节,指导后期锚固或灌浆处理做到有的放矢。
前预知灌浆所面临的精确地质情况,灌浆孔每一段对应地质情况与单位注灰量、透水率的
关系,对单位注灰量进行预测,建立岩性、地质构造、透水率与灌浆压力、透水率的函数关
系,推测选取最优的张拉或灌浆控制参数,并通过数据传输给张拉或灌浆智能控制系统,实
现智能张拉或灌浆。
警系统,实现全过程智能灌浆控制。
磁阀、压力升降控制系统、数据采集和处理系统均采用LoRa技术实现指令传递或数据交换,
数据采集和处理中心与油泵加压传感器、伸长测量传感器、压力传感器、进回浆传感器、温
度传感器、密度检测传感器及抬动监测传感器之间采用LoRa技术实现数据采集;现场各单
元设备与后方数据库服务器、大数据平台通过英特网通信媒质进行数据交换。
固系数及弹性模量,岩芯三率、围岩类别及透水率,形成一整套地质数据库,对岩土形成系
统综合评价,建立锚固区域及灌浆区域地质三维图,逐渐形成越来越详细的地质资料,从而
推断出每一个灌浆孔每一段的地层情况,准确掌握地质资料,再选择最优的张拉或灌浆控
制参数进行针对性的施工,提高施工质量,再从已张拉或已灌孔收集到的相关数据反馈张
拉或灌浆效果,再次自动优化个性参数,达到最终所有孔、所有孔段个性设计和施工的目
的。其中:地层坚固系数及弹性模量分为16级,土4级,岩石12级;岩芯三率包括获得率,采取
率和RQD值;围岩类别分为五类。
及指令的发射。
料;④录入岩体声波值、弹性模量值;⑤录入先导孔或其它孔的压水试验及岩芯三率相关资
料;⑥灌浆过程中压水及灌浆数据的自动录入。
水率、声波值、岩芯三率、地质构造、围岩类别之间的函数关系,模拟形成各类地质特征空间
分布关系的三维空间图,推测各部位的地质情况,精确到每一个孔的每一灌浆段,采用非线
性动力有限元法和岩石动态损伤模型对整个处理区进行固结灌浆、帷幕灌浆模拟,采用
ANSYS/LS—DYNA软件,采用SPH耦合算法模拟灌浆过程中的浆液扩散效果,分析提高抗变形
能力和提高防渗性能的形成过程,推导出灌浆过程的薄弱部位和薄弱环节,从而确定出张
拉与灌浆控制参数参考值,再将该控制值赋值于智能张拉系统及智能灌浆系统,实现个性
化设计与施工控制,使后期处理做到有的放矢,避免盲目处理增加投资,提高处理效果。
需要进行适当控制参数调整或微调,更好的实现锚固张拉和灌浆。
的输出。
性、抗变形能力,采用锚固及灌浆来达到加强目的的工程都具有很好的运用推广价值,本发
明利用大数据进行相关信息的收集、处理及分析,提供施工控制参数,同时与智能控制系统
结合形成反馈,能够持续不断优化过程控制参数,同时能够对相应的记录过程进行监控反
馈,改善锚索张拉及灌浆效果,促使施工过程标准化,提高工程质量及效率,降低安全风险。
附图说明
具体实施方式
范围。
格式作为数据采集方式,通过钻孔地质资料采集端(地质构造、围岩类别及级别)、岩体声波
值和弹性模量采集端、透水率采集端,灌浆规范或设计要求控制值采集端及其它灌浆孔的
基本参数采集端获得相关数据。形成钻孔地质资料编录数据库、岩体声波值数据库、透水率
数据库、灌浆规范或设计要求控制值数据库及其它灌浆孔的基本参数数据库。建立信息处
理中心,再由计算机进行线性回归及多元统计等方法进行分析,建立各类地质情况下的单
位注灰量和锚固张拉与透水率、声波值、岩芯三率、地质构造、围岩类别之间的函数关系,模
拟形成各类地质特征空间分布关系的三维空间图,推测各部位的地质情况,有针对性的寻
求锚固张拉及基础处理灌浆最优且具有个性控制的相关控制参数,进而优化张拉和灌浆控
制过程。将该结果与自动化、智能化控制系统相结合,实现智能选择适宜的张拉或灌浆参数
以及过程控制方法,实现人工智能化的全过程智能张拉和智能灌浆控制,同步进行各类数
据处理,在现场完成种类一线成果输出,在后方数据平台或利用大数据直接完成后序成果
输出;实现种类数据时时查询、统计、分析和汇总,实现工程智能管理。
扰的问题。
和处理系统均采用LoRa技术实现指令传递或数据交换,数据采集和处理中心与油泵加压传
感器、伸长测量传感器、压力传感器、进回浆传感器、温度传感器、密度检测传感器及抬动监
测传感器之间采用LoRa技术实现数据采集。
传输,利用干式电源和无线连接实现供电和数据传输问题,解决工作面仪器线路多繁杂问
题,避免了相互影响。
表;
的数据库格式导入或录入来实现采集。
统计表及对应的岩芯相片,三率即岩芯获得率、岩芯采取率及岩芯RQD值。
模量、密度、倾角、走向等,模型体内包括洞室、建筑物、断层及其影响带、软弱破碎带、裂隙、
地质构造等地质特征。
控制集、类别集;利用人脸识别功能管理图片,如:编辑、搜索、查找、比对,筛选等;实现三维
模型与现实图片相对应,达到快速、形象认识所处部位地质情况。
分析提高抗变形能力和提高防渗性能的形成过程,从而分析出灌浆过程的薄弱部位和薄弱
环节,从而使后期处理做到有的放矢,避免盲目处理增加投资,提高处理效果。
浆孔每一段对应地质情况与单位注灰量、透水率的关系,对单位注灰量进行预测,建立岩
性、地质构造、透水率与灌浆压力、透水率的函数关系(耦合公式),推测选取最优的张拉或
灌浆控制参数,并通过数据传输给张拉或灌浆智能控制系统,实现智能张拉或灌浆。
浆、变浆,升压、特殊情况处理、屏浆、闭浆、结束灌浆及管路冲洗全自动。
于控制系统与智能锚固和灌浆设备完成。
数据查询,统计,汇总等工作,方便过程中进行控制调整。
料;岩体声波值;弹性模量值;先导孔或其它孔的压水试验;岩芯三率相关资料;灌浆过程中
压水及灌浆数据;形成一整套地质数据库。
拟形成各类地质特征空间分布关系的三维空间图,推测各部位的地质情况,精确到每一个
孔的每一灌浆段,采用非线性动力有限元法和岩石动态损伤模型对整个处理区进行固结灌
浆、帷幕灌浆模拟,采用ANSYS/LS—DYNA软件,采用SPH耦合算法模拟灌浆过程中的浆液扩
散效果,分析提高抗变形能力和提高防渗性能的形成过程,推导出灌浆过程的薄弱部位和
薄弱环节,从而确定出张拉与灌浆控制参数,再将该控制值赋值于智能张拉系统及智能灌
浆系统,并随着张拉或灌浆工序的进行,各类成果数据进入数据库,通过对已经完成的张拉
和灌浆进行分析,反馈出灌浆参数的合适性,再根据需要进行适当控制参数调整或微调,更
好的实现张拉和灌浆。最后按规范要求完成相关成果表的输出。
形成的各类数据库的基础上,建立整个坝基、边坡或地下洞室锚固、固结、帷幕灌浆区域的
地质模型,该模型可以根据岩性不同给定相应参数(硬度、弹性模量、密度、倾角、走向等),
模型体内包括洞室、建筑物、断层及其影响带、软弱破碎带、裂隙、地质构造等地质特征。并
利用Adobe Lightroom对数据库中收集的图片(包括地质剖面图、裂隙素描图、开挖地质素
描图、孔内录像图、施工图、施工过程中的各类相片等),利用关键字(部位关键字集、工序控
制集、类别集)及人脸识别功能管理图片(编辑、搜索、查找、比对,筛选等),实现三集模型与
现实图片相对应,达到快速、形象认识所处部位地质情况。采用非线性动力有限元法和岩石
动态损伤模型对整个处理区进行固结灌浆、帷幕灌浆模拟,采用ANSYS/LS—DYNA软件,采用
SPH耦合算法模拟灌浆过程中的浆液扩散效果,分析提高抗变形能力和提高防渗性能的形
成过程,从而分析出灌浆过程的薄弱部位和薄弱环节。
过程智能灌浆控制,包括配浆、变浆,升压、特殊情况处理、屏浆、闭浆、结束灌浆及管路冲洗
全自动。
表,同时能够实现时时数据查询,统计,汇总等工作,方便过程中进行控制调整。