水利水電工程灌漿施工技術探究

1 引言

隨著經濟的發展與科學技術的進步， 我國已進入信息化時代。 可視化仿真技術在水利水電施工中的應用也是水利水電現代化的主要標志。 西方國家已經對可視化仿真技術進行了多年研究，且取得了一定的研究成果，并在實際施工建設中廣泛應用。 我國對于可視化仿真技術的研究與應用時間相對較晚，其研究水平與應用價值與當前西方國家仍有一定差距，但隨著科研人員的不斷努力， 我國對于可視化仿真技術的應用水平終將趕超西方國家，位列世界前茅。

2 工程概況

本文以我國甘肅省某水利水電工程建設項目為例， 對水利水電施工技術及灌漿施工進行分析。 該水電站主要以發電為主，同時兼顧當地農作物灌溉及旅游參觀等功能，其正常蓄水位為1 134 m，死水位為1 126 m，發電站電機容量為3 000 MW。在其正常蓄水位下，水庫庫容量為18.72 億m3，實際調節孔融3.83 億m3。其右岸壩頂長度為318.95 m，最大壩高為70 m，堆石壩頂部寬度為12 m，兩側坡度比為1∶0.2。 其泄洪沖沙建筑主要涵蓋明渠溢流孔、雙泄中孔及岸邊溢流孔。

3 三維可視化仿真系統

3.1 可視化仿真建模

三維可視化仿真技術可對當前水利水電施工技術及灌漿施工中的數據信息進行檢索，并對其進行分析，從而構建完善且形象的三維數字模型。 該模型可對當前水利水電施工現場的地形地貌及施工設備的布置等信息進行有效呈現。

可視化仿真系統需要借助Navisworks 軟件進行模型生成， 施工技術人員需要將施工技術及灌漿施工中涉及的數據信息進行采集， 并導入軟件， 其系統數據管理流程圖如圖1所示。

圖1 可視化系統數據管理流程圖

針對形狀相對規則的建筑，如壩體、開挖曲面等，其三維可視化建模工作可借助幾何布爾運算以及變形操作進行構建。 針對形狀不規則的建筑，如施工地形等，技術人員一般會使用曲面建模方法進行模型構建。

3.2 數字化地形模型構建

在水利水電灌漿施工中， 數字地形模型是對施工現場原始地形特征的數字化表現， 同時也是水利水電可視化仿真建模工作中最重要的組成部分。 施工技術人員需構建地表DTM，并通過地質勘察獲取施工現場的基本地形信息，同時保證每條等高線都具有一定的高程屬性。 技術人員可將等高線的高程間隔設置成為不同的數值。 為方便后續模型導入，技術人員可以采用Civil 3D 軟件進行輔助操作。 在其工具空間中構建曲面節點，同時在曲線節點中增添采集數據。 同時，在圖形區域中對等高線進行地形模型構建， 其數字地形模型示意如圖2 所示。

圖2 數字地形模型示意圖

4 基于可視化仿真技術的水利水電灌漿施工技術

基于可視化仿真技術的水利水電施工技術是當前水利水電工程中最常見的施工手段。 在上述案例中，施工技術人員通過可視化仿真系統構建了三維數字模型， 對施工現場的地形及施工技術信息進行采集，并對其進行數字化建模，以提升施工流程，保證施工質量。

4.1 帷幕灌漿技術

帷幕灌漿技術的主要特點為鉆孔深，且鉆孔為線形排列，其灌漿壓力相對較大[1]。施工技術人員在進行帷幕灌漿的過程中，需要對帷幕的位置進行明確，同時其鉆孔深度需要到達不透水層， 施工技術人員可以借助可視化仿真技術對其地層信息進行采集，并對其基巖的透水率進行計算。 并且施工技術人員需要對其帷幕的厚度進行明晰， 同時明確當前需要進行幾序孔施工，以此來保證帷幕的穩定性。 上述案例中，施工人員將使用自上而下的分段式灌漿施工手段， 其灌漿施工結構如圖3 所示。

圖3 分段式灌漿結構示意圖

4.1.1 帷幕灌漿布置

帷幕灌漿施工項目被布置于壩體的左肩位置， 并由此延伸至水庫的正常蓄水位與壩體的左肩邊際，灌漿軸線為132 m，其中壩基占104 m，壩體左肩占28 m，呈線性分布。 施工人員需對其軸線及防滲墻進行布置，帷幕灌漿孔洞之間相距1.6 m，孔洞深入地層的不透水層5 m。 施工前需對灌漿管進行預埋，隨后可進行帷幕灌漿。 帷幕灌漿孔的總數量為83 孔，灌漿時需使用分序灌漿的方式。 一序及二序孔之間的距離為6.4 m，三序孔之間的距離為3.2 m。 其中一序孔可作為先導孔洞，對其灌漿深度進行明晰； 二序孔洞及三序孔洞的實際鉆深與一序孔洞相同， 都需深入不透水層5 m。 其單孔灌漿長度約8.7~26.3 m。 通常情況下，堆石壩的壩體坡度為1∶1.3，在灌漿施工時，技術人員需對其進行充分考量。

針對漏水通道，若使用常規灌漿方式，不但會耗損大量建材，且灌漿質量也大打折扣。 因此，對于沒有水流作用的裂縫灌漿而言，可使用相對較為黏稠的漿液對其進行灌漿，其漿液定量體積可用式（1）計算：

式中，V 為漿液的定量體積；δ 為實際額定裂隙寬度；R 為灌漿的填充半徑；A1為鉆孔深度以及傾斜角度等因素，是可變的綜合系數，一般的取值范圍為2~4。

4.1.2 灌漿參數

施工技術人員借助可視化仿真技術對灌漿參數進行分析，針對基巖條件相對較好的灌漿段而言，技術人員可取其最大值；對破碎及存在裂隙的巖石段而言，可取其最小值。

根據帷幕限定公式，其灌漿段的注漿標準可用式（2）計算：

式中，Q 為實際注漿量；L 為灌漿段的實際長度；n 為灌漿區域的地層孔隙率；a 為灌漿的實際填充率，一般取值為0.8~1.0；β 為富余率，一般取值1.5。

在本次帷幕灌漿施工中， 施工技術人員通過可視化仿真系統對其灌漿壓力值進行分析與計算，其壓力參考數值如表1所示。

表1 帷幕灌漿壓力參考表

除此之外，漿液的稠度受巖石吸水量影響，若起始水灰比重為5，之后依次使用3、2、1、0.8 等數值代替，其實際變化原則為：當灌漿壓力不發生改變，其灌漿量減少時或漿液注入量不變，而壓力上升時，不會使水灰比進行改變。 例如，灌漿量為300 L 以上時，或其灌漿時間為0.5 h，施工技術人員改變其一級水灰比，則其注入率將發生改變，其注入率將高于30 L/min。

4.1.3 灌漿施工技術要點

施工技術人員要甄選相對新鮮的硅酸鹽水泥，其水泥強度等級不得低于42.5，若發現水泥結塊，需對其結塊進行清除。

本次施工使用三序灌漿法。 在進行灌漿施工之前，需要對壩體以及壩基的邊際位置進行灌漿。 當鉆孔設備接觸巖石基面時，便可以使用回轉鉆來繼續工作，并使用干鉆法對基巖進行鉆入，待進入基巖0.5 m 后，將鉆頭提出，并在下方添加麻絨土球，并對其進行套管，以此保證鉆孔內壁與套管之間被土球填充，并使用清水鉆繼續進行鉆進，當鉆進基巖2 m 后，便是灌漿接觸段。灌漿壓力可采用0.05 MPa，以低壓填充的方式進行灌漿，灌漿結束后，需等待24 h，在等待過程中，技術人員可借助可視化仿真技術，對其進行全天候的數據觀測，以此保證灌漿施工質量[2]。

4.2 帷幕灌漿質量檢測

施工技術人員可借助可視化仿真技術對帷幕灌漿質量進行有效檢測[3]。 施工技術人員借助三維立體建模，對其灌漿檢查孔的位置進行明晰。 然后對檢查孔進行壓水試驗，并對試驗結果進行分析，以此對當前灌漿施工質量進行綜合評定。 其檢查孔布置表如表2 所示。

表2 檢查孔布置位置表

本次工程對檢查孔的檢測數量為總灌漿數量的10%，當灌漿施工結束后，施工技術人員需在施工間隔14 d 后，對其進行由上至下的分段式壓水試驗， 施工技術人員可借助五點法或是單點法進行壓水試驗， 以此保證本次灌漿施工的質量符合施工質量要求，為后續施工奠定基礎。

除此之外， 施工技術人員還可借助可視化仿真技術構建施工建材管理模型， 以此對灌漿施工所需建材進行有效管理與保護。 施工技術人員需在施工建材使用前對其進行質量試驗，同時做好特殊建材的保護工作。 施工現場位于水庫，靠近大型水源，其施工現場的濕度相對較高，因此，施工技術人員需切實做好水泥防潮工作，以保證水泥建材的質量，使其符合灌漿施工質量要求， 從而最大限度地促進水利水電工程的健康發展。

5 結語