烏東德水電站灌漿工程參數(shù)化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

施華堂 牟榮峰 肖碧

摘要：傳統(tǒng)的灌漿工程設(shè)計(jì)方法日益無(wú)法滿足工程建設(shè)信息化發(fā)展需要。為實(shí)現(xiàn)灌漿工程的直觀顯示、快速表達(dá)及智能化建設(shè)，提出采用“整體-局部-整體”的思路建立灌漿工程參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，即先將灌漿工程系統(tǒng)分解為單個(gè)灌漿孔并編碼;再對(duì)每一個(gè)灌漿孔分別構(gòu)建幾何模型，并添加灌漿工藝屬性特征;最后集成灌漿參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。通過(guò)分析單個(gè)灌漿孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)及施工要求，提出采用孔口坐標(biāo)等8個(gè)參數(shù)表示灌漿孔幾何特征，采用灌漿方法等10個(gè)參數(shù)表示灌漿工藝屬性，并研究了各參數(shù)的獲取方法。將該方法應(yīng)用于金沙江烏東德水電站灌漿工程，實(shí)現(xiàn)了灌漿工程三維可視化，提高了烏東德灌漿工程建設(shè)的智能化水平。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類(lèi)似工程借鑒。

關(guān) 鍵 詞：

灌漿工程; 參數(shù)化設(shè)計(jì); 帷幕灌漿; 固結(jié)灌漿; 烏東德水電站

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV543

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.021

1 研究背景

基巖灌漿是水利水電工程建設(shè)中一項(xiàng)廣泛使用的工程措施，一般是利用灌漿泵，通過(guò)鉆孔等方式把水泥等漿液注入到巖體的裂隙中，以提高基巖力學(xué)性能或防滲性能[1]。設(shè)計(jì)灌漿工程施工圖時(shí)一般通過(guò)二維平面圖、剖面圖等方式表達(dá)灌漿孔布置，通過(guò)施工技術(shù)要求等文字形式表示灌漿方法、分段、壓力等施工工藝，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

隨著工程建設(shè)逐漸向信息化、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法已不能滿足工程建設(shè)發(fā)展的需求。以工程項(xiàng)目建設(shè)階段的信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)字化的方式來(lái)仿真模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)，表達(dá)結(jié)構(gòu)的物理特征和功能特征的BIM技術(shù)已成為工程領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)。BIM因其強(qiáng)大的信息集成與共享功能，有助于解決傳統(tǒng)工程建設(shè)中常面臨的行業(yè)結(jié)構(gòu)割裂、信息流失、生產(chǎn)效率低等難題[2]，在建筑工程、市政交通工程、機(jī)械電氣工程、水電工程、地質(zhì)工程等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域都得到不同程度研究和應(yīng)用。范傳祺[3]研究了BIM在超高層建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)管理效率、算量效率和精度;田斌華[4]基于Revit API開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)公路隧道的模型快速創(chuàng)建與自動(dòng)布置插件，實(shí)現(xiàn)了隧道BIM模型的在線展示;許云驊[5]基于CAD進(jìn)行了綜合管廊三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，大大提高了綜合管廊BIM模型的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量;駱樂(lè)等[6]進(jìn)行了深水航道BIM設(shè)計(jì)成果交付平臺(tái)的研究，應(yīng)用于連云港港30萬(wàn)t級(jí)航道二期工程，并取得良好效果;李小帥等[7]針對(duì)水電工程開(kāi)發(fā)了嵌入“設(shè)計(jì)-校核-審查”過(guò)程管理機(jī)制，融入BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，開(kāi)展了多專(zhuān)業(yè)BIM設(shè)計(jì)建模，解決了地質(zhì)三維模型快速剖切成圖、水工結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)出圖、復(fù)雜異性結(jié)構(gòu)三維鋼筋出圖等難題，并研究了水電工程三維可視化仿真場(chǎng)景快速搭建[8]。

灌漿工程結(jié)構(gòu)和施工工藝復(fù)雜，且目前其信息化研究和應(yīng)用較少。閆福根等[9]提出了“基于三維地質(zhì)模型的壩基灌漿工程可視化分析”方法，進(jìn)行了三維地質(zhì)模型、灌漿孔模型和灌漿數(shù)據(jù)三維耦合展示的探索;孟永東等[10]以托口電站河灣地塊帷幕灌漿工程為例，通過(guò)三維可視化分析方法生成單位吸灰量分布云圖，為評(píng)價(jià)灌漿效果提供了一種輔助方法?？梢钥闯觯F(xiàn)有關(guān)于灌漿信息化的研究主要為灌漿三維幾何模型或灌后成果展示分析，尚無(wú)在設(shè)計(jì)階段系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究成果。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)研究的必要性

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法就是將模型中的定量信息變量化，使之成為可調(diào)整的參數(shù)[11]，對(duì)于變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到不同幾何特征和屬性的模型。對(duì)灌漿工程參數(shù)化設(shè)計(jì)展開(kāi)研究的必要性主要是基于以下幾點(diǎn)。

（1） 灌漿工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含大量的灌漿孔，每個(gè)灌漿孔都包含孔位、孔深、灌漿工藝等參數(shù);大量的數(shù)據(jù)以二維平切圖、剖面圖、技術(shù)要求等傳統(tǒng)的方式表達(dá)，不僅成果不夠直觀，而且使用過(guò)程復(fù)雜。通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)，可建立工程三維模型，更加清晰、直觀顯示灌漿孔的空間位置、相互關(guān)系及相應(yīng)的灌漿工藝參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)灌漿設(shè)計(jì)成果直觀顯示與快速表達(dá)。

（2） 灌漿工程為隱蔽工程，傳統(tǒng)的施工方式受人為因素影響較大，不利于質(zhì)量控制[12]。實(shí)現(xiàn)全過(guò)程智能化施工及管理的智能灌漿技術(shù)是灌漿工程建設(shè)發(fā)展的方向[13]。但要實(shí)現(xiàn)智能灌漿，就需要研發(fā)一套參數(shù)化的灌漿設(shè)計(jì)方法及成果，在灌漿施工之前輸入與之適用的控制程序。

（3） 灌漿效果需要根據(jù)各個(gè)灌漿孔段的透水率、注入量、抬動(dòng)值等信息綜合分析。目前，這些海量數(shù)據(jù)基本上孤立存儲(chǔ)、管理，使用過(guò)程復(fù)雜。進(jìn)行參數(shù)化的灌漿設(shè)計(jì)，可在施工期對(duì)灌漿施工數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理，便于灌漿成果的整理、分析及灌漿效果評(píng)價(jià)。

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)研究的總體思路

3.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的總體原則

（1） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰。大型水利水電工程灌漿工作涉及范圍大，灌漿孔信息數(shù)據(jù)量大，參數(shù)化設(shè)計(jì)需要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰，方便查詢、讀取。

（2） 參數(shù)便于獲取。灌漿設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為水文地質(zhì)條件及主體建筑物布置[14]，參數(shù)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)需要便于從設(shè)計(jì)圖紙、結(jié)構(gòu)模型、地質(zhì)模型等獲取，或可通過(guò)便捷的算法得到。

（3） 便于軟件讀取。參數(shù)化設(shè)計(jì)的成果需要便于輸入設(shè)計(jì)程序，直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)智能灌漿，因此，數(shù)據(jù)需便于軟件讀取和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

（4） 便于后期數(shù)據(jù)集成與分析管理。灌漿施工過(guò)程中各灌漿段將產(chǎn)生透水率、注入量、抬動(dòng)值等大量數(shù)據(jù)，參數(shù)化設(shè)計(jì)需要便于與后期數(shù)據(jù)集成，以便灌漿效果分析和動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)

參數(shù)化模型的建立是參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。水利水電工程灌漿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)化設(shè)計(jì)首先需要明確結(jié)構(gòu)組成，將整個(gè)灌漿工程分解成便于識(shí)別的單元，并進(jìn)行編碼。對(duì)每一個(gè)編碼的單元，不僅需要表達(dá)其空間幾何形體，還要集成其灌漿工藝屬性特征。

參數(shù)化設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)為：基于灌漿部位進(jìn)行分解，分別構(gòu)建幾何模型，并根據(jù)需要添加灌漿孔的灌漿工藝屬性特征，最后集成灌漿參數(shù)化設(shè)計(jì)模型（見(jiàn)圖1）。灌漿參數(shù)化設(shè)計(jì)模型遵循“整體-局部-整體”的建模思路。

3.3 編碼單元及參數(shù)識(shí)別

3.3.1 工程系統(tǒng)分解

本文研究采用工程中常用的EBS（Engineering Breakdown Structure，EBS）分解體系進(jìn)行灌漿工程系統(tǒng)分解研究。

EBS是面向工程實(shí)體對(duì)象的分解，它遵循由上而下、由粗到細(xì)、由整體到局部的總體原則，最終形成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，以分層繼承父類(lèi)的方法進(jìn)行編碼，每一層級(jí)的編碼均由數(shù)字或字母組成[15-16]。EBS 分解需要具有合理的細(xì)度，既能具體表達(dá)工程實(shí)體，又不至于讓結(jié)構(gòu)樹(shù)龐大而復(fù)雜，以利于編碼的管理。

灌漿工程應(yīng)按照灌漿類(lèi)別、灌漿孔所屬的部位逐級(jí)分解編碼。由于每個(gè)灌漿孔為獨(dú)立的實(shí)施單元，具有不同的幾何參數(shù)及施工工藝屬性，灌漿工程EBS編碼應(yīng)以單個(gè)灌漿孔為單元。

3.3.2 幾何參數(shù)識(shí)別

灌漿工程施工圖設(shè)計(jì)需明確灌漿孔的空間形態(tài)，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)一般通過(guò)樁號(hào)、間距或布孔原則等確定灌漿孔位，通過(guò)圖面標(biāo)注或表格給出鉆孔頂角、方位角、孔深等。根據(jù)灌漿孔的鉆孔特點(diǎn)及施工需求，灌漿孔幾何參數(shù)包括孔口坐標(biāo)、孔向、孔深及孔徑，具體幾何參數(shù)結(jié)構(gòu)及組成見(jiàn)圖2。其中，孔口坐標(biāo)按大地坐標(biāo)系，以北方向?yàn)閄軸，東向?yàn)閅軸，高程為Z軸。

3.3.3 灌漿工藝參數(shù)識(shí)別

灌漿過(guò)程為：通過(guò)選定的灌漿方法，按要求的分段壓力往孔內(nèi)注入合適的漿液，達(dá)到要求的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，結(jié)束該段灌漿。灌漿工藝主要需明確灌漿孔的灌漿方法、分段與壓力、漿液及變化、結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、抬動(dòng)控制等。針對(duì)上述主要工藝，研究灌漿工藝參數(shù)的結(jié)構(gòu)及組成見(jiàn)圖3。

（5） 抬動(dòng)控制參數(shù)化。

抬動(dòng)控制參數(shù)包括抬動(dòng)孔編碼Nu和抬動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)U。抬動(dòng)孔編碼參數(shù)用監(jiān)測(cè)相應(yīng)灌漿孔抬動(dòng)變形的抬動(dòng)孔編碼字符串表示，抬動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)用規(guī)定的允許抬動(dòng)變形值（以μm為單位）表示。

5 烏東德水電站灌漿工程參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

烏東德水電站是金沙江下游河段（攀枝花至宜賓）4個(gè)梯級(jí)中的最上游梯級(jí)，樞紐工程包括大壩、兩岸地下電站、泄洪洞、水墊塘及二道壩等[18]。大壩為混凝土雙曲拱壩，壩高270 m。二道壩為碾壓混凝土重力壩，壩高95.5 m。

烏東德水電站大壩采用全面積固結(jié)灌漿，孔深13～23 m;二道壩河床壩段灌漿范圍為上下游各1/4面積，岸坡壩段全面積，固結(jié)灌漿孔深一般為6 m，固結(jié)兼輔助帷幕孔深為15 m或25 m。烏東德水電站固結(jié)灌漿總進(jìn)尺約120 km，創(chuàng)新性地采用全壩基無(wú)倉(cāng)面固結(jié)灌漿[19]。樞紐區(qū)防滲帷幕包括大壩河床及兩岸地下電站上游側(cè)防滲帷幕、左右岸臨江側(cè)防滲帷幕、泄洪洞出口水墊塘防滲帷幕等，帷幕灌漿總進(jìn)尺約400 km[20]。帷幕灌漿一般采用孔口封閉灌漿，銜接帷幕及局部主帷幕采用自上而下分段灌漿。烏東德水電站灌漿工程具有組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程量大、工藝參數(shù)要求高等特點(diǎn)。

（1） 灌漿工程系統(tǒng)分解。

根據(jù)EBS系統(tǒng)分解原則，對(duì)烏東德水電站灌漿工程按“灌漿類(lèi)型—灌漿孔部位—灌漿孔分部位—灌漿孔排號(hào)—灌漿孔排內(nèi)編號(hào)”進(jìn)行了逐級(jí)系統(tǒng)分解，每一層級(jí)的編碼代表了相應(yīng)的灌漿孔信息。如圖6所示，二道壩7壩段固結(jié)灌漿孔編碼為010207，二道壩7壩段第2排13號(hào)灌漿孔編碼為0102070213。

根據(jù)以上分解原則，可得到烏東德水電站灌漿工程各個(gè)灌漿孔的編碼。

（2） 參數(shù)化設(shè)計(jì)。

按灌漿工程設(shè)計(jì)方案，對(duì)烏東德水電站灌漿工程各灌漿孔幾何特征和灌漿工藝屬性進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，灌漿孔幾何參數(shù)和灌漿工藝參數(shù)示例分別見(jiàn)表1～2。

將灌漿工程參數(shù)化成果導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件，可得到烏東德水電站灌漿工程的三維可視化模型（見(jiàn)圖7），各灌漿孔的灌漿工藝參數(shù)在模型中作為實(shí)體特征保存。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的灌漿工程設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足工程建設(shè)信息化發(fā)展需要的問(wèn)題，本文分析了灌漿工程參數(shù)化設(shè)計(jì)研究的必要性，提出了灌漿工程參數(shù)化的設(shè)計(jì)的總體原則及“整體-局部-整體”的建模思路。

通過(guò)分析灌漿工程組成結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了基于EBS編碼體系，將灌漿工程逐級(jí)分解為單個(gè)灌漿孔并編碼。通過(guò)分析灌漿設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)，提出采用孔口坐標(biāo)等8個(gè)參數(shù)表達(dá)灌漿孔幾何特征，采用灌漿方法等10個(gè)參數(shù)表達(dá)灌漿工藝屬性，并研究了各參數(shù)定義及獲取方法。

根據(jù)本文提出的灌漿工程參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，建立了烏東德水電站灌漿工程的參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)了灌漿工程設(shè)計(jì)三維可視化，基于參數(shù)化設(shè)計(jì)成果的智能灌漿，提高了灌漿工程建設(shè)的智能化水平。

基于灌漿工程設(shè)計(jì)三維可視化模型，導(dǎo)入工程地質(zhì)三維模型并開(kāi)發(fā)信息管理平臺(tái)，可進(jìn)行灌漿工程的灌前預(yù)判、特殊情況三維可視化診斷、灌漿成果快速分析等，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌漿工程進(jìn)度和質(zhì)量的全面管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，具有很好的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)家能源局.水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范：DL/T 5148-2012[S].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[2] 王孟鈞，錢(qián)應(yīng)苗，袁瑞佳，等.國(guó)際BIM 研究演進(jìn)路徑、熱點(diǎn)及前沿可視化分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2019，41（6）：9-15.

[3] 范傳祺.基于超高層建筑設(shè)計(jì)的BIM技術(shù)應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2019：62-63.

[4] 田斌華.公路隧道BIM參數(shù)化建模方法與可視化研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019：70-71.

[5] 許云驊.基于CAD的綜合管廊三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)給水排水，2019，35（20）：62-66.

[6] 駱樂(lè)，王飛，沈?qū)W松，等.深水航道BIM設(shè)計(jì)成果交付平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2020（4）：139-143.

[7] 李小帥，張樂(lè).烏東德水電站樞紐工程BIM設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2017，9（1）：7-13.

[8] 李小帥，萬(wàn)軍，黃艷芳，等.CATIA V5環(huán)境下水電工程三維可視化仿真場(chǎng)景中的應(yīng)用研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2012，29（12）：113-118.

[9] 閆福根，鐘登華，任炳昱，等.基于B/S結(jié)構(gòu)的三維交互式灌漿可視化系統(tǒng)的研制及應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2014，45（11）：66-69.

[10] 孟永東，蘇情明，張貴金，等.托口電站河灣地塊帷幕灌漿效果可視化分析與評(píng)價(jià)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，37（1）：6-10.

[11] 胡乙欽，米彩盈.變結(jié)構(gòu)體參數(shù)設(shè)計(jì)的一種新方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（5）：46-48.

[12] 吳楠，李桂林，肖培偉.大崗山水電站施工灌漿計(jì)價(jià)與質(zhì)量管理措施探討[J].人民長(zhǎng)江，2014，45（22）：26-29.

[13] 鐘登華，時(shí)夢(mèng)楠，崔博，等.大壩智能建設(shè)研究進(jìn)展[J].水利學(xué)報(bào)，2019（12）：117-120.

[14] 王漢輝，鄒德兵，夏傳星，等.水利水電工程中防滲帷幕布置原則與方法[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010（12）：117-120.

[15] 郭攀.基于BIM的橋梁信息化協(xié)同平臺(tái)技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019：61-64.

[16] 任睿.工程系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)（EBS）及其應(yīng)用研究[D].南京：東南大學(xué)，2019：61-64.

[17] 孫釗.大壩基巖灌漿[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[18] 鈕新強(qiáng)，石伯勛，翁永紅.金沙江烏東德水電站設(shè)計(jì)重大技術(shù)問(wèn)題研究[J].人民長(zhǎng)江，2014，45（20）：1-7.

[19] 樊少鵬，丁剛，黃小艷，等.烏東德水電站壩基固結(jié)灌漿方法試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江，2014，45（23）：46-50.

[20] 施華堂，顧功開(kāi)，喬興斌，等.烏東德水電站左岸防滲帷幕布置方案優(yōu)化研究[J].人民長(zhǎng)江，2019，50（3）：161-165.

（編輯：胡旭東）