基于模糊綜合評價的巖溶帷幕灌漿效果分析

閆福根 鄒德兵 閔征輝 肖偉

摘要：

針對巖溶帷幕灌漿效果評價存在控制因素多、難以統(tǒng)籌定量分析、現(xiàn)行方法具有片面性等問題，提出了基于模糊綜合評價法的灌漿效果評價模型。首先構建了模型因素集U、評價集V、評價矩陣R，然后確定了基于層次分析法的權系數(shù)向量D，通過模糊合成算子得到了決策集E，實現(xiàn)了灌漿效果多維度定量評價。并以構皮灘水電站為例對模型進行了驗證分析，分析結果表明：提出的灌漿效果評價模型與現(xiàn)行傳統(tǒng)評價方法具有較好的同步性，但相較于現(xiàn)行方法，該模型不僅可反饋灌后巖體透水率，也可詮釋灌后巖體完整性和巖溶封堵程度，具有更高的評價維度和更全面真實的評價體系，具有廣闊的行業(yè)推廣前景。

關 鍵 詞：

帷幕灌漿； 巖溶； 模糊綜合評價； 構皮灘水電站

中圖法分類號： TV72

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.026

0 引 言

現(xiàn)行SL 62-2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》和DL/T 5148-2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》均規(guī)定：“帷幕灌漿工程的質量應以檢查孔壓水試驗成果為主，結合對施工記錄、施工成果資料和檢驗測試資料的分析，進行綜合評定”。馬家?guī)r水庫大壩［1］、新集水庫［2］、糯扎渡水電站大壩［3］、亭子口水電站大壩［4］等工程均采用了檢查孔壓水試驗對帷幕灌漿進行了評價，即通過檢查孔壓水試驗獲取的Lugeon值，對灌后巖體的滲透性和整體性進行分析。另外，張貴金等［5］考慮了檢查孔壓水試驗和鉆孔取芯兩個方面因素，對帷幕灌漿耐久性進行了定性分析。趙云等［6］從巖芯采取率、測孔斜、水泥結石統(tǒng)計、壓水試驗等多個指標對帷幕灌漿進行綜合性定性評價。郝忠友、Roman等［7-8］分析了鉆孔取芯和孔內(nèi)錄像成果對帷幕灌漿效果的影響。上述研究成果更多局限于單因素對帷幕灌漿效果的影響，未能建立考慮多因素評價體系的帷幕灌漿效果定量評價模型。為了解決此難題，本文探索出一種全面定量評價巖溶帷幕灌漿效果的方法，提出了基于模糊綜合評價法的巖溶帷幕灌漿效果評價模型，利用檢查孔壓水試驗透水率、檢查孔巖芯采取率和巖溶充填程度3個因素對帷幕灌漿效果進行綜合評價，有效克服了透水率單一指標評價的局限性，實現(xiàn)了耦合多指標的帷幕灌漿效果定量評價。其中，檢查孔壓水試驗透水率是現(xiàn)行帷幕灌漿效果評價指標，檢查孔巖芯采取率是反映灌后巖體裂隙發(fā)育情況和破碎程度的重要指標，在實際應用中也常常用來表示滲透性［9］。巖溶填充程度主要反映水泥漿液對溶洞、溶縫、溶腔的填充效果，其側重評價帷幕灌漿對巖溶處理效果，是對巖溶帷幕灌漿效果最為直接的體現(xiàn)。

1 灌漿效果評價模型構建

模糊綜合評價法［10-14］是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法，其根據(jù)模糊數(shù)學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價，它具有結果清晰、系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決帷幕灌漿效果評價這類多因素控制、難以量化的非確定性問題。

1.1 確定評價因素和評價集合

灌漿效果評價為多因素控制事件［15-17］，考慮到各評價因素的可得性及對灌漿效果的影響度，本文選取檢查孔壓水試驗透水率、檢查孔巖芯采取率和巖溶充填程度這3個指標作為灌漿效果評價模型評價因素，評價因素集U可用式（1）表達。

1.4 確定評價指標權重

利用層次分析法確定灌漿效果評價模型各元素的權重包括以下6個步驟：

（1） 分析系統(tǒng)中各因素之間的關系，構造包含目標層、準則層和方案層的層次結構模型。其中目標層為灌漿效果評價；準則層包括巖體的滲透性和完整性；方案層包括檢查孔壓水試驗透水率、檢查孔巖芯采取率值和巖溶充填程度。灌漿效果評價層次結構模型如圖1所示。

（2） 對同一層次的各元素對于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，建立比較判斷矩陣。針對步驟（1）建立的層次結構模型，帷幕灌漿效果評價模型需建立3個判斷矩陣：即準則層對目標層的判斷矩陣A，方案層對準則層的判斷矩陣B1和B2，各矩陣如表1～3所列。

2 灌漿效果評價模型求解

灌漿效果評價模型求解流程包括：確定因素集U、評價集V，構造評價矩陣R，基于層次分析法確定權系數(shù)向量D，確定決策集E以及最終的灌漿效果評價值p，具體如圖2所示。

3 灌漿效果評價模型應用實例

本文以構皮灘水電站為例，選取右岸465 m灌漿平洞作為模型輸入條件，對應帷幕灌漿范圍：沿壩軸線方向長403 m，高程范圍350～465 m，灌后布置13個檢查孔和193個檢查孔段次，具體布置如圖3所示。

依據(jù)檢查孔壓水試驗、巖芯照片及鉆孔電視獲取評價因素集U數(shù)據(jù)，其中透水率u1范圍值為0.02～7.34 Lu，巖芯采取率u2范圍值為54%～100%，巖溶充填程度u3為完全封堵、大部分封堵、部分封堵、小部分封堵和未封堵，評價因素集U數(shù)據(jù)如表6所列。

4 灌漿效果評價模型驗證與分析

針對上一章計算實例，對現(xiàn)行巖溶帷幕灌漿評價方法和本文提出的巖溶帷幕灌漿效果評價模型進行對比分析。

（1） 方法一：現(xiàn)行巖溶帷幕灌漿評價方法。以檢查孔壓水試驗透水率單因素進行評價，經(jīng)計算，第一單元、第二單元和第三單元的灌漿效果評價值分別為p1=4.64，p2=4.54和p3=4.06。

（2） 方法二：本文提出了基于模糊綜合評價法的巖溶帷幕灌漿效果評價模型。

兩種方法相差不大，說明本文提出的灌漿評價方法與現(xiàn)行評價方法具有較好的同步性和一致性。

為進一步分析兩種評價方法的差異，直觀體現(xiàn)各工程部位帷幕灌漿效果，本文將灌漿效果評價值精準至193個檢查孔孔段，提煉出灌漿效果評價云圖，如圖4所示。

（1） 圖4（a）中灌漿效果評價值基本大于4，圖4（b）中評價值為2.9～4.5，后者評價值更分散。其原因為：方法一采用單一評價指標，區(qū)域內(nèi)檢查孔透水率基本小于1 Lu，平均值達到0.3 Lu，因此其評價值基本大于4。方法二同時考慮了巖芯采取率和巖溶充填程度，區(qū)域內(nèi)巖芯采取率值為54%～99%，部分區(qū)域巖芯采取率較低，巖溶整體封堵較好，但局部存在未完全封堵溶洞，因此其評價值為2.9～4.5，方法二評價值雖然低些，但更科學全面。

（2） 圖4（a）中A區(qū)域灌漿效果評價值大于4，圖4（b）中對應區(qū)域評價值為3.0～3.9。其原因為：雖然A區(qū)域巖體透水率小于1 Lu，但該區(qū)域檢查孔R465-10巖芯采取率僅為64%，采取率較低，巖體較為破碎。同時，鉆孔電視顯示檢查孔R465-10在孔深29.3～30.8 m和60.8～63.0 m處仍然存在沒有被完全封堵的溶洞，所以對于A區(qū)域方法二評價值低于方法一，說明帷幕體仍存在薄弱環(huán)節(jié)，A區(qū)域應進行補強灌漿。

（3） 圖4（a）中B區(qū)域分布兩處灌漿效果評價值為2～3的區(qū)域，圖4（b）中對應區(qū)域評價值則基本大于4。其原因為：雖然B區(qū)域巖體透水率大于1 Lu，但該區(qū)域檢查孔R465-17巖芯采取率達到95%，鉆孔電視顯示該區(qū)域無未被封堵的溶洞，說明該區(qū)域的巖溶得到較好地充填，灌后巖體完整性較好，灌漿取得了良好的效果，透水率較大不能反映實際的灌漿效果。

為了更好地對比分析兩種方法的評價結果，本文繪制了兩種方法灌漿效果三維圖，如圖5所示。

從圖5可以看到：圖（a）和圖（b）總體起伏較同步，說明兩種方法對灌漿效果評價結論具有較好的一致性。圖（a）整體平坦，局部區(qū)域出現(xiàn)凸凹點，區(qū)域內(nèi)評價值相差不大；圖（b）凸凹程度更為明顯，區(qū)域內(nèi)評價值差值較圖（a）大。其原因是，圖（b）的評價值是對灌后巖體的透水性、巖體完整性和巖溶充填程度的全面反映，較圖（a）更能代表實際灌漿所取得的效果。

5 結 論

本文針對巖溶帷幕灌漿效果評價存在控制因素多、難以統(tǒng)籌量化等難題，提出了基于模糊綜合評價法的巖溶帷幕灌漿效果評價模型，實現(xiàn)了灌漿效果多維度、多角度的綜合評價，并以構皮灘水電站為例對模型進行了驗證分析，得出如下結論。

（1） 本文提出的灌漿效果評價模型與現(xiàn)行評價方法具有較好的同步性和一致性。

（2） 巖芯照片及鉆孔錄像揭示：局部區(qū)域A巖芯采取率為64%、高程29.3～30.8 m和60.8～63.0 m存在未完全封堵溶腔，透水率小于1 Lu，現(xiàn)行評價方法僅考慮了透水率，認為灌漿效果良好，實際該區(qū)域巖體完整性較差且存在未完全充填溶腔，說明該區(qū)域需要進一步補強灌漿。

（3） 巖芯照片及鉆孔錄像揭示：局部區(qū)域B檢查孔巖芯采取率為95%，無未被封堵的溶洞，透水率大于1 Lu，現(xiàn)行評價方法僅考慮了透水率，認為灌漿效果一般，實際該區(qū)域巖溶得到較好的充填，灌后巖體完整性較好，灌漿取得了良好的效果，透水率較大不能反映實際的灌漿效果。

綜上認為：相較于現(xiàn)行評價方法，本文提出的評價模型不僅反映了灌后巖體透水率，也詮釋了灌后巖體完整性和巖溶封堵程度，具有更高的評價維度和更全面的評價體系，具有較好的行業(yè)推廣前景。

參考文獻：

［1］ 牛宏偉.馬家?guī)r水庫大壩高壓帷幕灌漿試驗研究［J］.人民黃河，2008，30（8）：92-93.

［2］ 王生勛.新集水庫帷幕灌漿試驗結果分析［J］.甘肅水利水電技術，2016，52（10）：58-62，65.

［3］ 王連喜，梁龍群，王健.糯扎渡水電站大壩基礎帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗施工［J］.水利水電技術，2009，40（6）：46-48.

［4］ 秦志國，熊高明.嘉陵江亭子口水電站帷幕灌漿試驗研究［J］.施工技術，2013，42（11）：52-56.

［5］ 張貴金，李小梅，雷鵬，等.灌漿防滲帷幕施工質量與耐久性評價綜述［J］.水利水電技術，2014，45（8）：86-91，97.

［6］ 趙云，張來飛.砂礫巖地層帷幕灌漿效果評價［J］.云南水力發(fā)電，2018，34（2）：149-151.

［7］ 郝忠友，李傳貴.應用物探技術檢測帷幕灌漿效果［J］.吉林水利，2003（2）：11-15.

［8］ ROMAN W M，HOCKENBERRY A N，BEREZNIAK J N，et al.Evaluation of grouting for hydraulic barriers in rock［J］.Environmental & Engineering Geoscience，2013，19（4）：363-375.

［9］ 張潔，趙堅.層次分析法在帷幕灌漿效果評價中的應用［J］.水電能源科學，2009，27（3）：124-126，146.

［10］ 劉宗顯，余佳，吳斌平，等.基于LWOA和MKSVM算法的帷幕灌漿施工質量模糊綜合動態(tài)評價研究［J］.水利水電技術，2020，51（6）：72-83.

［11］ 寧向可，于慶增.基于模糊評價法的抽水蓄能電站施工機械設備選型方法研究［J］.水利水電快報，2022，43（5）：94-98.

［12］ 馮博，周皓，徐陽，等.礦區(qū)農(nóng)地重金屬污染風險評價：基于改進的模糊綜合評價法［J］.有色金屬工程，2022，12（2）：138-145.

［13］ 李冬陽，王德超，趙德金，等.基于熵權模糊綜合評價法的加工中心可靠性分析［J］.機床與液壓，2021，49（22）：199-205.

［14］ 王靜，董肖麗.模糊評價中最大隸屬度原則的改進［J］.河北水利，2011（2）：27-28.

［15］ 夏峻峰，岳雪波，張紹奎，等.大壩帷幕灌漿第三方質量檢查及效果評價［J］.人民長江，2013，44（6）：89-92.

［16］ 郭鐵柱，謝寶瑜，魏紅.海子水庫巖溶滲漏分析及帷幕灌漿防滲效果評價［J］.水利水電技術，2009，40（4）：73-75.

［17］ 張自信.壓水試驗在帷幕灌漿初期防滲效果評價中的運用［J］.工程技術研究，2020，5（16）：120-121.

［18］ 朱芳芳，王士同，李志華.基于加權支持向量機的網(wǎng)絡入侵檢測研究［J］.計算機工程與設計，2007，28（22）：5374-5377.

［19］ 徐迎軍，尹世久，陳默，等.互反判斷矩陣一致性指標研究［J］.運籌與管理，2020，29（3）：117-124.

［20］ 楊靜，邱菀華.模糊互補判斷矩陣一致性檢驗和改進方法［J］.系統(tǒng)管理學報，2010（1）：14-18.

［21］ 洪志國，李焱，范植華，等.層次分析法中高階平均隨機一致性指標（RI）的計算［J］.計算機工程與應用，2002，38（12）：45-47，150.

［22］ 韋振中.各種標度系統(tǒng)的隨機一致性指標［J］.廣西師范學院學報（自然科學版），2002，19（2）：26-29，36.

［23］ 呂躍進.指數(shù)標度判斷矩陣的一致性檢驗方法［J］.統(tǒng)計與決策，2006（18）：31-32.

（編輯：胡旭東）

Abstract：

Aiming at the problems of many control factors，difficulty in overall quantitative analysis，and one-sidedness of current method in the evaluation of karst curtain grouting，this paper proposed a grouting effect evaluation model based on fuzzy comprehensive evaluation method.Firstly constructing a model factor set U，an evaluation set V，and an evaluation matrix R.Then the weight coefficient vector D based on AHP was determined，the decision set E was obtained through the fuzzy synthesis operator，and the multi-dimensional quantitative evaluation of the grouting effect was realized.The model was verified and analyzed by Goupitan Hydropower Station.It showed that the evaluation model of grouting effect proposed in this paper had good synchronization with the current method.Compared with current the method，the proposed model can not only feeds back the water permeability of the rock mass after grouting，but also interpret the integrity of rock mass and the sealing degree of karst after grouting.This model has a higher evaluation dimensions and more comprehensive and real evaluation system，and has broad prospects for industrial promotion.

Key words：

curtain grouting；karst；fuzzy comprehensive evaluation；Goupitan Hydropower Station