烏東德水電站灌漿工程參數化設計研究與應用

施華堂 牟榮峰 肖碧

摘要：傳統的灌漿工程設計方法日益無法滿足工程建設信息化發展需要。為實現灌漿工程的直觀顯示、快速表達及智能化建設，提出采用“整體-局部-整體”的思路建立灌漿工程參數化設計模型，即先將灌漿工程系統分解為單個灌漿孔并編碼;再對每一個灌漿孔分別構建幾何模型，并添加灌漿工藝屬性特征;最后集成灌漿參數化設計模型。通過分析單個灌漿孔結構特點、設計及施工要求，提出采用孔口坐標等8個參數表示灌漿孔幾何特征，采用灌漿方法等10個參數表示灌漿工藝屬性，并研究了各參數的獲取方法。將該方法應用于金沙江烏東德水電站灌漿工程，實現了灌漿工程三維可視化，提高了烏東德灌漿工程建設的智能化水平。相關經驗可供類似工程借鑒。

關 鍵 詞：

灌漿工程; 參數化設計; 帷幕灌漿; 固結灌漿; 烏東德水電站

中圖法分類號： TV543

文獻標志碼： 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中一項廣泛使用的工程措施，一般是利用灌漿泵，通過鉆孔等方式把水泥等漿液注入到巖體的裂隙中，以提高基巖力學性能或防滲性能[1]。設計灌漿工程施工圖時一般通過二維平面圖、剖面圖等方式表達灌漿孔布置，通過施工技術要求等文字形式表示灌漿方法、分段、壓力等施工工藝，以指導現場施工。

隨著工程建設逐漸向信息化、智能化方向發展，傳統的二維設計方法已不能滿足工程建設發展的需求。以工程項目建設階段的信息數據為基礎，運用數字化的方式來仿真模擬真實結構，表達結構的物理特征和功能特征的BIM技術已成為工程領域的技術應用趨勢。BIM因其強大的信息集成與共享功能，有助于解決傳統工程建設中常面臨的行業結構割裂、信息流失、生產效率低等難題[2]，在建筑工程、市政交通工程、機械電氣工程、水電工程、地質工程等專業領域都得到不同程度研究和應用。范傳祺[3]研究了BIM在超高層建筑設計中應用，提高了設計管理效率、算量效率和精度;田斌華[4]基于Revit API開發了一種針對公路隧道的模型快速創建與自動布置插件，實現了隧道BIM模型的在線展示;許云驊[5]基于CAD進行了綜合管廊三維參數化設計，大大提高了綜合管廊BIM模型的設計效率和設計質量;駱樂等[6]進行了深水航道BIM設計成果交付平臺的研究，應用于連云港港30萬t級航道二期工程，并取得良好效果;李小帥等[7]針對水電工程開發了嵌入“設計-校核-審查”過程管理機制，融入BIM標準體系，開展了多專業BIM設計建模，解決了地質三維模型快速剖切成圖、水工結構三維設計出圖、復雜異性結構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景快速搭建[8]。

灌漿工程結構和施工工藝復雜，且目前其信息化研究和應用較少。閆福根等[9]提出了“基于三維地質模型的壩基灌漿工程可視化分析”方法，進行了三維地質模型、灌漿孔模型和灌漿數據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，通過三維可視化分析方法生成單位吸灰量分布云圖，為評價灌漿效果提供了一種輔助方法。可以看出，現有關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，尚無在設計階段系統進行參數化設計的研究成果。

2 參數化設計研究的必要性

參數化設計方法就是將模型中的定量信息變量化，使之成為可調整的參數[11]，對于變量化參數賦予不同數值，就可得到不同幾何特征和屬性的模型。對灌漿工程參數化設計展開研究的必要性主要是基于以下幾點。

（1） 灌漿工程結構復雜，包含大量的灌漿孔，每個灌漿孔都包含孔位、孔深、灌漿工藝等參數;大量的數據以二維平切圖、剖面圖、技術要求等傳統的方式表達，不僅成果不夠直觀，而且使用過程復雜。通過參數化設計，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、相互關系及相應的灌漿工藝參數，可實現灌漿設計成果直觀顯示與快速表達。

（2） 灌漿工程為隱蔽工程，傳統的施工方式受人為因素影響較大，不利于質量控制[12]。實現全過程智能化施工及管理的智能灌漿技術是灌漿工程建設發展的方向[13]。但要實現智能灌漿，就需要研發一套參數化的灌漿設計方法及成果，在灌漿施工之前輸入與之適用的控制程序。

（3） 灌漿效果需要根據各個灌漿孔段的透水率、注入量、抬動值等信息綜合分析。目前，這些海量數據基本上孤立存儲、管理，使用過程復雜。進行參數化的灌漿設計，可在施工期對灌漿施工數據進行集成管理，便于灌漿成果的整理、分析及灌漿效果評價。

3 參數化設計研究的總體思路

3.1 參數化設計的總體原則

（1） 數據結構清晰。大型水利水電工程灌漿工作涉及范圍大，灌漿孔信息數據量大，參數化設計需要數據結構清晰，方便查詢、讀取。

（2） 參數便于獲取。灌漿設計的基礎為水文地質條件及主體建筑物布置[14]，參數化設計的數據需要便于從設計圖紙、結構模型、地質模型等獲取，或可通過便捷的算法得到。

（3） 便于軟件讀取。參數化設計的成果需要便于輸入設計程序，直接應用于現場智能灌漿，因此，數據需便于軟件讀取和現場實施。

（4） 便于后期數據集成與分析管理。灌漿施工過程中各灌漿段將產生透水率、注入量、抬動值等大量數據，參數化設計需要便于與后期數據集成，以便灌漿效果分析和動態調整。

3.2 參數化設計的總體架構

參數化模型的建立是參數化設計的關鍵。水利水電工程灌漿結構復雜，參數化設計首先需要明確結構組成，將整個灌漿工程分解成便于識別的單元，并進行編碼。對每一個編碼的單元，不僅需要表達其空間幾何形體，還要集成其灌漿工藝屬性特征。

參數化設計的總體架構為：基于灌漿部位進行分解，分別構建幾何模型，并根據需要添加灌漿孔的灌漿工藝屬性特征，最后集成灌漿參數化設計模型（見圖1）。灌漿參數化設計模型遵循“整體-局部-整體”的建模思路。

3.3 編碼單元及參數識別

3.3.1 工程系統分解

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

EBS是面向工程實體對象的分解，它遵循由上而下、由粗到細、由整體到局部的總體原則，最終形成樹狀結構，以分層繼承父類的方法進行編碼，每一層級的編碼均由數字或字母組成[15-16]。EBS 分解需要具有合理的細度，既能具體表達工程實體，又不至于讓結構樹龐大而復雜，以利于編碼的管理。

灌漿工程應按照灌漿類別、灌漿孔所屬的部位逐級分解編碼。由于每個灌漿孔為獨立的實施單元，具有不同的幾何參數及施工工藝屬性，灌漿工程EBS編碼應以單個灌漿孔為單元。

3.3.2 幾何參數識別

灌漿工程施工圖設計需明確灌漿孔的空間形態，傳統的二維設計一般通過樁號、間距或布孔原則等確定灌漿孔位，通過圖面標注或表格給出鉆孔頂角、方位角、孔深等。根據灌漿孔的鉆孔特點及施工需求，灌漿孔幾何參數包括孔口坐標、孔向、孔深及孔徑，具體幾何參數結構及組成見圖2。其中，孔口坐標按大地坐標系，以北方向為X軸，東向為Y軸，高程為Z軸。

3.3.3 灌漿工藝參數識別

灌漿過程為：通過選定的灌漿方法，按要求的分段壓力往孔內注入合適的漿液，達到要求的結束標準后，結束該段灌漿。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、結束標準、抬動控制等。針對上述主要工藝，研究灌漿工藝參數的結構及組成見圖3。

（5） 抬動控制參數化。

抬動控制參數包括抬動孔編碼Nu和抬動控制標準U。抬動孔編碼參數用監測相應灌漿孔抬動變形的抬動孔編碼字符串表示，抬動控制標準用規定的允許抬動變形值（以μm為單位）表示。

5 烏東德水電站灌漿工程參數化設計應用

烏東德水電站是金沙江下游河段（攀枝花至宜賓）4個梯級中的最上游梯級，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，固結灌漿孔深一般為6 m，固結兼輔助帷幕孔深為15 m或25 m。烏東德水電站固結灌漿總進尺約120 km，創新性地采用全壩基無倉面固結灌漿[19]。樞紐區防滲帷幕包括大壩河床及兩岸地下電站上游側防滲帷幕、左右岸臨江側防滲帷幕、泄洪洞出口水墊塘防滲帷幕等，帷幕灌漿總進尺約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構復雜、工程量大、工藝參數要求高等特點。

（1） 灌漿工程系統分解。

根據EBS系統分解原則，對烏東德水電站灌漿工程按“灌漿類型—灌漿孔部位—灌漿孔分部位—灌漿孔排號—灌漿孔排內編號”進行了逐級系統分解，每一層級的編碼代表了相應的灌漿孔信息。如圖6所示，二道壩7壩段固結灌漿孔編碼為010207，二道壩7壩段第2排13號灌漿孔編碼為0102070213。

根據以上分解原則，可得到烏東德水電站灌漿工程各個灌漿孔的編碼。

（2） 參數化設計。

按灌漿工程設計方案，對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行參數化設計，灌漿孔幾何參數和灌漿工藝參數示例分別見表1～2。

將灌漿工程參數化成果導入三維設計軟件，可得到烏東德水電站灌漿工程的三維可視化模型（見圖7），各灌漿孔的灌漿工藝參數在模型中作為實體特征保存。

6 結 語

針對傳統的灌漿工程設計方法無法滿足工程建設信息化發展需要的問題，本文分析了灌漿工程參數化設計研究的必要性，提出了灌漿工程參數化的設計的總體原則及“整體-局部-整體”的建模思路。

通過分析灌漿工程組成結構的特點，提出了基于EBS編碼體系，將灌漿工程逐級分解為單個灌漿孔并編碼。通過分析灌漿設計及施工特點，提出采用孔口坐標等8個參數表達灌漿孔幾何特征，采用灌漿方法等10個參數表達灌漿工藝屬性，并研究了各參數定義及獲取方法。

根據本文提出的灌漿工程參數化設計方法，建立了烏東德水電站灌漿工程的參數化模型，實現了灌漿工程設計三維可視化，基于參數化設計成果的智能灌漿，提高了灌漿工程建設的智能化水平。

基于灌漿工程設計三維可視化模型，導入工程地質三維模型并開發信息管理平臺，可進行灌漿工程的灌前預判、特殊情況三維可視化診斷、灌漿成果快速分析等，實現對灌漿工程進度和質量的全面管理、實時監控和動態優化，具有很好的應用前景，值得進一步探索。

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（編輯：胡旭東）