基于BIM的水利水電灌漿工程管理系統研發與應用

黃 燦 新，王 團 樂，施 炎，孫 云 山，王 梓 帆

(1.中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 610041； 2.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引 言

灌漿工程是水利水電基礎處理過程中常用的工程措施，其特點包括以下幾個方面：① 作業隱蔽，地質條件存在不確定性，漿液的流動和擴散過程具有隱蔽性；② 數據量大，僅灌漿施工就包括了海量的過程數據及成果數據；③ 經驗性強，方案多是根據經驗進行系統性設計，且較少更改；④ 涉及專業多，灌漿本身是一種集勘測、設計、施工、檢測平行或交叉進行的作業，需要多專業協同。傳統灌漿工程因缺乏有效的分析工具與方法，使得灌漿施工在地質指導性、數據有效性、設計針對性、專業協同性等方面存在不足，其質量控制長期以來成為行業難題[1-2]。

針對傳統灌漿工程面臨的不足，將BIM(Building Information Modeling)技術應用至灌漿施工全過程，可為解決灌漿質量控制難題提供思路。通過對現場施工數據進行實時監控與采集，基于BIM模型對灌漿數據進行三維可視化，定量分析灌漿工程的可靠性，減小其不確定性，并進行反向設計和動態設計，同時將設計結果動態反饋至施工現場，以達到實時控制施工質量的目的(見圖1)。

上述目標的實現需要一種針對灌漿工程的BIM管理系統。國內部分企業或高校，在向家壩[2-3]、溪洛渡[3]、大崗山[4]等水電站建設過程中開發了一些灌漿管理系統，但這些系統多是服務于成果資料的整理與統計方面，難以滿足實際需求。為充分發揮直觀性、可分析性、可共享性、可協同性的BIM核心價值，體現“全面感知、真實分析、實時控制”[5]的智能化建設理念，本文從工程實際需求出發，設計了一款水利水電灌漿工程BIM管理系統，并提出一種基于BIM管理系統的灌漿工程質量控制與分析方法，以烏東德水電站帷幕灌漿為例，驗證BIM管理系統在實際工程中的應用效果。

1 灌漿BIM管理系統設計

1.1 系統設計原則

灌漿BIM管理系統的設計過程遵循以下原則：

(1) 全生命周期。灌漿BIM管理系統從勘測設計階段、灌漿施工全過程、運行維護階段對灌漿工程涉及的相關數據進行管理。

(2) 多專業協同。系統應面向包括地質勘測、滲控設計、灌漿施工、檢測試驗、工程管理、運行維護等各專業人員的業務需求，并提供一個統一的協同分析平臺(見圖2)。

(3) 唯一數據源。系統應提供一個集成的數據中心，所有數據均存儲于網絡服務器，確保數據來源唯一。

(4) 參數化建模。系統應充分發揮BIM技術的核心價值，通過參數化建模的思想，實現灌漿BIM模型的快速構建。

(5) 數據互聯互通。系統通過無線網絡與現場灌漿施工控制系統實現數據的互聯互通，可實時獲取灌漿施工過程數據，并根據分析結果，將優化后的設計方案以設計參數表的形式反饋至現場施工控制系統，指導現場施工。

1.2 總體設計

BIM管理系統總體結構框架如圖3所示。

信息采集層包括現場地質編錄、現場物探檢測、現場質量檢查資料的收集，通過人工錄入的方式進入數據庫。智能灌漿記錄儀及自動化監測儀器則通過標準數據接口的開發實現數據實時獲取。數據層則包括地質數據庫、灌漿數據庫、監測數據庫、模型數據庫以及管理類數據庫。平臺層主要指三維可視化平臺，為整個系統提供強大的圖形平臺，用于BIM模型的三維顯示、編輯、屬性查詢，以及各類數據可視化及空間耦合。應用層將操作界面和業務模塊提供給最終用戶，包括地質數據管理與建模、灌漿參數化設計、三維可視化展示與分析、灌漿資料整理與輸出、滲流滲壓監測五大模塊。最終用戶包括設計人員、管理人員、施工人員、監理人員、檢測人員等參建各方。

1.3 系統功能設計

根據對灌漿工程各專業的需求分析，灌漿BIM管理系統設計五大功能模塊(見圖4)，分述如下：

(1) 地質數據管理與建模，主要包括地質數據管理與地質建模兩大功能。地質數據管理用于與灌漿工程相關的鉆孔、平洞、物探以及測試等地質數據及文件資料的錄入、編輯與管理，同時提供一定的數據統計功能。建模功能以地質數據庫中的數據為基礎，采用約束與插值技術，通過單一命令組合的方式實現由“點-線-面-體”復雜地質體的建模。另外，對特定的地質體類型或資料來源，也可通過操作引導，實現流程化快速建模。

(2) 灌漿參數化設計，主要用于實現帷幕、固結灌漿孔、排水孔的參數化快速建模。帷幕灌漿設計流程如下：①確定帷幕方案(即帷幕的空間邊界)；②以排數、排距、孔距、孔向、孔深等為參數，批量建立鉆孔三維模型；③擬定工藝參數組合方案，并批量賦予鉆孔。排水孔、固結灌漿孔設計方法與之類似。

(3) 三維可視化展示與分析，用于實現灌漿工程相關信息的可視化展示，同時基于BIM模型對灌漿數據進行快速分析。其中信息展示與查詢功能用以展現地質、設計及施工信息，并提供相關信息的查詢功能；灌漿過程監控與控制功能，可實時訪問現場智能灌漿管理系統，為灌漿記錄儀配置設計參數數據，同時可獲取現場灌漿實時成果，并提供灌漿異常報警功能。數據篩選功能，提供工程部位、灌漿參數、地質條件3種條件篩選方式以及手動勾選的篩選方式。數據分析功能包括頻數分析、相關分析與回歸分析，主要用于分析透水率、注入量等成果數據的頻率分布、相關性及其數學模型。分析應用是指系統綜合BIM模型、灌漿施工數據及檢測成果數據等，對所選的灌漿區域進行自動化分析，包括地質條件預測、灌漿效果模擬、施工進程模擬、灌漿分析簡報等。其中，地質條件預測是指系統自動對所選灌漿孔與三維模型進行三維空間交切運算，并對每個灌漿孔賦予相應的地質信息，并以表格形式輸出；施工進程模擬是指利用獲取的灌漿施工數據，在三維空間下動態模擬灌漿施工進度；灌漿效果模擬是指根據分排、分序施工進程，動態模擬巖體滲透性或巖體質量的變化情況，以評價灌漿效果；灌漿分析簡報是指系統以標準模板為基礎，自動生成灌漿分析簡報。

(4) 灌漿資料整理與輸出，用于自動整理并生成SL 62-2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》中所規定的灌漿施工、檢驗測試等成果圖表，包括灌漿成果統計表、灌漿孔平面布置圖、灌漿綜合剖面圖、頻率曲線圖、滲透剖面圖、檢查孔成果表、先導孔(檢查孔)鉆孔柱狀圖等。

(5) 滲流滲壓監測模塊，用以實現滲流滲壓監測點的三維布設、查詢；通過連接滲壓計、量水堰等自動化監測設備或人工錄入等方式，實現滲流滲壓監測數據的實時查詢，用以評價帷幕的運行情況。

2 基于BIM管理系統的灌漿工程分析方法

為解決傳統灌漿分析在直觀性、針對性、有效性方面存在的不足，本文提出了一種基于BIM管理系統的灌漿工程全過程動態分析方法(見圖5)，其特征包括以下步驟。

2.1 建立灌漿BIM模型

(1) 利用平洞開挖地質資料、施工前勘探資料，通過地質數據管理與建模模塊，建立灌漿工程三維地質模型。

(2) 利用灌漿參數化設計模塊，在建筑物模型基礎上，統籌考慮地質條件，快速建立灌漿孔三維模型，并批量賦予工藝參數信息，從而生成耦合灌漿孔及地質模型的灌漿工程BIM模型。

2.2 灌前預測預判

(1) 本單元工程施工前，在三維可視化展示與分析模塊中，通過灌漿孔模型與地質模型進行三維空間交切運算，計算每個灌漿孔穿越地質體的空間位置，并根據灌漿孔分段情況，對每個灌漿段賦予地質信息，從而在灌前實現灌漿段地質條件的預測。

(2) 本單元工程內灌漿先導孔鉆探施工完成后，現場采集先導孔巖芯及孔內電視地質資料，通過先導孔的實測地質條件與預測地質條件進行對比，檢驗地質模型的準確性。若先導孔揭露的地質資料與預測不一致，則利用先導孔成果進一步更新地質模型，并重復步驟(1)；若先導孔揭露的地質資料與預測一致，則說明模型準確性較高。

(3) 收集本單元工程施工之前已完成的灌漿成果，通過回歸分析或神經網絡等方法，建立以巖性、序次、設計壓力、壓水呂榮值為因子的單位注灰量預測模型。

2.3 灌中質量控制

(1) 先導孔之間的灌漿孔施工開始后，BIM管理系統自動訪問現場灌漿記錄儀，獲取壓水試驗成果數據，根據預測模型自動計算單位注灰量預測值。同時，獲取流量、密度、抬動觀測值、單位注灰量等實時數據。

(2) 實時數據分析，比較單位注灰量實時數據與預測值的大小。當實際值遠小于預測值時，可采取增大灌漿壓力等方式；當實際值遠大于預測值時，可增大漿液密度；當二者相當時，正常灌漿至結束。

(3) 成果數據分析。該段灌漿施工完成后，獲取成果數據，利用BIM管理系統直觀展示透水率、單位注灰量空間分布情況，分析是否存在集中大透水率或大注入量現象。不存在時，繼續灌注下一段，重復步驟(1)。

(4) 地質條件復核。當出現集中大透水率或大注入量現象時，先查詢BIM模型中是否存在特殊地質體，如果模型中不存在，則通過孔內電視或鉆孔取芯開展補充勘察工作，確定特殊地質體的空間范圍及性狀。

(5) 特殊地質體效果評價。以特殊地質體空間范圍為邊界，篩選已完成的灌漿成果數據，分析可灌性等灌漿特性，評價灌漿效果。

(6) 工藝調整。當效果較好時，繼續灌注下一段；當效果不好時，根據步驟(5)中的分析結果，調整設計方案或施工工藝后再繼續灌注下一段。

2.4 灌后效果評價

(1) 本單元所有灌漿孔施工完成后，利用BIM管理系統快速生成單元工程單位注灰量與透水率成果統計表、區間分布圖、頻率曲線圖、散點關系圖、綜合剖面圖等成果圖表。

(2) 以單元工程為基本對象，分析不同孔排、不同次序的巖體呂榮值或聲波值改善情況，評價灌漿效果，總結巖體的可灌性、設計參數的合理性以及灌漿工藝的適宜性，并對后續的灌漿設計方案進行持續動態優化。

3 工程實例及應用

烏東德水電站大壩兩岸防滲帷幕線路全長1 865 km，防滲帷幕底線于壩基及近岸段伸入透水率≤1 Lu的巖體，遠岸段伸入透水率≤3 Lu的巖體。兩岸皆采用6層灌漿平洞分層搭接的形式，相互連接形成一個完整的庫水防滲帷幕。灌漿平洞自上而下分布高程分別為988，945，890(895)，850，780，733 m[6]。主防滲帷幕穿越地層主要為淺變質的碳酸鹽巖，存在斷層、巖溶(溶洞、溶縫、溶蝕風化區)、角礫巖等不良地質體[7]。大壩防滲帷幕自2018年4月開始施工，至2020年9月完成施工。施工過程中，開展了灌漿BIM管理系統的工程應用。

3.1 灌漿BIM模型

以前期勘探、灌漿平洞開挖等揭露地質資料為依據，利用地質數據管理與建模模塊，建立烏東德水電站大壩防滲帷幕區的地質模型，地質模型包括地層、斷層、長大裂隙、剪切帶、不良地質體等的空間位置信息及地質屬性信息。施工過程中，利用灌漿先導孔揭露的地質資料，動態更新三維模型。

利用灌漿孔參數化設計模塊，以帷幕線路、排數、排距、孔距、孔深、孔向等為參數，批量建立灌漿三維設計模型，并根據技術要求，對灌漿孔批量賦予工藝參數信息，包括灌漿段長劃分、灌漿方法、水泥類型、水灰比、分級注入量、結束標準、抬動控制標準等。耦合后地質模型及灌漿孔模型如圖6所示。

3.2 地質條件預測

右岸高程850 m灌漿平洞第5單元施工前，在BIM管理系統中進行三維空間運算，計算灌漿孔所處地質條件。系統可在三維環境下查詢任意單孔地質條件，同時也可批量輸出灌漿孔段地質條件預測表(見表1)。如存在特殊地質體，可將特殊地質體的灌漿段進行標注，并傳輸至現場灌漿施工控制系統，提醒現場施工人員及參建各方重點關注。

表1 灌漿孔段地質條件預測Tab.1 Geological condition prediction of grouting hole section

3.3 單位注灰量預測模型

單位注灰量的影響因素包括灌漿段裂隙發育程度、寬度、導水率等地質特征以及漿液性質、密度、灌漿壓力等工藝特征[8]。實際工程中灌漿段的地質特征參數往往難以獲取，灌前壓水呂榮值、灌漿壓力等特征參數與單位注灰量之間也沒有明顯的線性關系，因此想要準確預測單位注灰量是一項十分困難的工作。一種可行的辦法是，根據不同工程區特點及經驗，將單位注灰量進行分級，采用BP神經網絡或回歸分析預測單位注灰量級別，作為灌漿施工實時控制的參考指標。當實際注入量小于預測值時，可加大壓力或延長灌漿時間；當實際注入量遠大于預測值時，可加大漿液濃度或待凝等方式。

選擇右岸850 m以下共計475段灌漿成果，其中367段為訓練樣本，108段為檢驗樣本，選擇巖性、序次、透水率、灌漿壓力作為因子，根據烏東德帷幕工程單位注灰量分級標準(見表2)，采用BP神經網絡，建立注入量級別預測模型。結果表明，訓練樣本預測成功率為70%，檢驗樣本預測成功率達74%，見表3。

表2 帷幕灌漿單位注灰量分級標準Tab.2 Grading standard of ash injection amount per unit of curtain grouting

表3 單位注灰量預測模型訓練樣本Tab.3 Training samples of forecast model for unit ash injection amount

3.4 灌中異常分析

如圖7所示，右岸850 m灌漿平洞第5單元帷幕施工過程中，出現集中大透水率情況，表明地質條件出現異常。此時進行補充勘察，查明導致透水率偏大的原因是在Pt2l3-1灰巖地層中存在一處封閉的角礫巖溶蝕區，利用灌漿孔進一步查明溶蝕區的空間范圍、性狀，并動態更新三維地質模型。

第一排灌漿完成后，以溶蝕區為邊界，BIM管理系統自動計算灌漿段與溶蝕區地質模型的空間關系，篩選模型范圍內的灌漿段，并根據需要自動統計灌漿成果數據，如圖8所示。

隨著序次增加，透水率均值無明顯遞減規律，合格率(<1 Lu頻率)無明顯增加，單位注灰量遞減幅度不明顯，不符合一般灌漿規律，表明當前工藝下角礫巖溶蝕區灌漿效果不佳。為確保帷幕質量，設計在第5單元原有帷幕的基礎上又新增一排灌漿孔補強，新增灌漿孔采用化學+超細水泥漿液進行同孔復合灌漿。

3.5 灌后效果評價

右岸850 m灌漿平洞第5單元原設計帷幕及補強帷幕施工完成后，利用BIM管理系統自動生成規范要求的相關成果圖表。圖9分別為單位注灰量、灌后壓水檢查頻率曲線圖。從圖中可以看出，第5單元補強帷幕注入量與原設計帷幕相差不大，但灌后透水率得到明顯改善，合格率達90%以上，灌漿效果較好。

4 應用效果及展望

在烏東德水電站防滲帷幕施工過程中，利用BIM管理系統，在事前對每個灌漿孔穿越的勘探平洞、長大裂隙、巖溶區、斷層等進行預測，提前采取相應的措施：對于遇勘探平洞的孔段，提前先采用濃漿封灌，避免漿液浪費；遇長大裂隙的孔段則需提前優化施工順序，防止串漿情況的發生；巖溶區采取對應的巖溶灌漿工藝；而對于不同性狀的斷層，則采取針對性的灌漿處理措施。在事中實時優化灌漿策略，有效保障了灌漿質量，灌后壓水檢查合格率(<1 Lu)達99%，滿足設計要求。事后，通過對成果數據的快速分析，在后續施工過程中持續優化設計方案，如優化了基礎廊道第三排部分帷幕灌漿孔，縮短帷幕進尺7 525 m。

本文從實際工程需求出發，研發了一款面向全生命周期管理、多專業協同共享的灌漿BIM管理系統，提出了一種基于BIM管理系統的灌漿全過程分析方法。工程應用結果表明：

(1) 灌漿BIM管理系統可充分發揮BIM技術的核心價值，有效減小灌漿施工過程中的盲目性，提高灌漿分析的直觀性、針對性、有效性。

(2) 基于BIM管理系統的灌漿分析方法可從事前、事中、事后全過程對灌漿質量進行分析與控制，突破了傳統分析多集中于灌后評價的局限性，實現“施工過程透明、灌漿數據有效、設計參數動態、成果資料共享”的目標，對保證灌漿質量、避免投資浪費具有重要指導意義。

(3) 隨著灌漿工程信息化程度的提高，基于數據實時采集、深度融合與動態反饋的灌漿設計，應從理論上進一步完善，建立標準化的動態設計方法與流程，推動灌漿工程向精細化的目標發展。

(4) 在運維階段除了對幕后滲流滲壓監測數據進行集成管理外，還應進一步研究基于監測數據的滲流場實時計算方法，并實現三維滲流場的直觀展示與動態預測，從而為工程運行期的長久安全提供支撐。