乌东德水电站灌浆工程参数化设计研究与应用
施华堂 牟荣峰 肖碧
摘要：传统的灌浆工程设计方法日益无法满足工程建设信息化发展需要。为实现灌浆工程的直观显示、快速表达及智能化建设，提出采用“整体-局部-整体”的思路建立灌浆工程参数化设计模型，即先将灌浆工程系统分解为单个灌浆孔并编码;再对每一个灌浆孔分别构建几何模型，并添加灌浆工艺属性特征;最后集成灌浆参数化设计模型。通过分析单个灌浆孔结构特点、设计及施工要求，提出采用孔口坐标等8个参数表示灌浆孔几何特征，采用灌浆方法等10个参数表示灌浆工艺属性，并研究了各参数的获取方法。将该方法应用于金沙江乌东德水电站灌浆工程，实现了灌浆工程三维可视化，提高了乌东德灌浆工程建设的智能化水平。相关经验可供类似工程借鉴。
关 键 词：
灌浆工程; 参数化设计; 帷幕灌浆; 固结灌浆; 乌东德水电站
中图法分类号：
TV543
文献标志码：
A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.021
1 研究背景
基岩灌浆是水利水电工程建设中一项广泛使用的工程措施，一般是利用灌浆泵，通过钻孔等方式把水泥等浆液注入到岩体的裂隙中，以提高基岩力学性能或防渗性能[1]。设计灌浆工程施工图时一般通过二维平面图、剖面图等方式表达灌浆孔布置，通过施工技术要求等文字形式表示灌浆方法、分段、压力等施工工艺，以指导现场施工。
随着工程建设逐渐向信息化、智能化方向发展，传统的二维设计方法已不能满足工程建设发展的需求。以工程项目建设阶段的信息数据为基础，运用数字化的方式来仿真模拟真实结构，表达结构的物理特征和功能特征的BIM技术已成为工程领域的技术应用趋势。BIM因其强大的信息集成与共享功能，有助于解决传统工程建设中常面临的行业结构割裂、信息流失、生产效率低等难题[2]，在建筑工程、市政交通工程、机械电气工程、水电工程、地质工程等专业领域都得到不同程度研究和应用。范传祺[3]研究了BIM在超高层建筑设计中应用，提高了设计管理效率、算量效率和精度;田斌華[4]基于Revit API开发了一种针对公路隧道的模型快速创建与自动布置插件，实现了隧道BIM模型的在线展示;许云骅[5]基于CAD进行了综合管廊三维参数化设计，大大提高了综合管廊BIM模型的设计效率和设计质量;骆乐等[6]进行了深水航道BIM设计成果交付平台的研究，应用于连云港港30万t级航道二期工程，并取得良好效果;李小帅等[7]针对水电工程开发了嵌入“设计-校核-审查”过程管理机制，融入BIM标准体系，开展了多专业BIM设计建模，解决了地质三维模型快速剖切成图、水工结构三维设计出图、复杂异性结构三维钢筋出图等难题，并研究了水电工程三维可视化仿真场景快速搭建[8]。
灌浆工程结构和施工工艺复杂，且目前其信息化研究和应用较少。闫福根等[9]提出了“基于三维地质模型的坝基灌浆工程可视化分析”方法，进行了三维地质模型、灌浆孔模型和灌浆数据三维耦合展示的探索;孟永东等[10]以托口电站河湾地块帷幕灌浆工程为例，通过三维可视化分析方法生成单位吸灰量分布云图，为评价灌浆效果提供了一种辅助方法。可以看出，现有关于灌浆信息化的研究主要为灌浆三维几何模型或灌后成果展示分析，尚无在设计阶段系统进行参数化设计的研究成果。
2 参数化设计研究的必要性
参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为可调整的参数[11]，对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同几何特征和属性的模型。对灌浆工程参数化设计展开研究的必要性主要是基于以下几点。
（1） 灌浆工程结构复杂，包含大量的灌浆孔，每个灌浆孔都包含孔位、孔深、灌浆工艺等参数;大量的数据以二维平切图、剖面图、技术要求等传统的方式表达，不仅成果不够直观，而且使用过程复杂。通过参数化设计，可建立工程三维模型，更加清晰、直观显示灌浆孔的空间位置、相互关系及相应的灌浆工艺参数，可实现灌浆设计成果直观显示与快速表达。
（2） 灌浆工程为隐蔽工程，传统的施工方式受人为因素影响较大，不利于质量控制[12]。实现全过程智能化施工及管理的智能灌浆技术是灌浆工程建设发展的方向[13]。但要实现智能灌浆，就需要研发一套参数化的灌浆设计方法及成果，在灌浆施工之前输入与之适用的控制程序。
（3） 灌浆效果需要根据各个灌浆孔段的透水率、注入量、抬动值等信息综合分析。目前，这些海量数据基本上孤立存储、管理，使用过程复杂。进行参数化的灌浆设计，可在施工期对灌浆施工数据进行集成管理，便于灌浆成果的整理、分析及灌浆效果评价。
3 参数化设计研究的总体思路
3.1 参数化设计的总体原则
（1） 数据结构清晰。大型水利水电工程灌浆工作涉及范围大，灌浆孔信息数据量大，参数化设计需要数据结构清晰，方便查询、读取。
（2） 参数便于获取。灌浆设计的基础为水文地质条件及主体建筑物布置[14]，参数化设计的数据需要便于从设计图纸、结构模型、地质模型等获取，或可通过便捷的算法得到。
（3） 便于软件读取。参数化设计的成果需要便于输入设计程序，直接应用于现场智能灌浆，因此，数据需便于软件读取和现场实施。
（4） 便于后期数据集成与分析管理。灌浆施工过程中各灌浆段将产生透水率、注入量、抬动值等大量数据，参数化设计需要便于与后期数据集成，以便灌浆效果分析和动态调整。
3.2 参数化设计的总体架构
参数化模型的建立是参数化设计的关键。水利水电工程灌浆结构复杂，参数化设计首先需要明确结构组成，将整个灌浆工程分解成便于识别的单元，并进行编码。对每一个编码的单元，不仅需要表达其空间几何形体，还要集成其灌浆工艺属性特征。
参数化设计的总体架构为：基于灌浆部位进行分解，分别构建几何模型，并根据需要添加灌浆孔的灌浆工艺属性特征，最后集成灌浆参数化设计模型（见图1）。灌浆参数化设计模型遵循“整体-局部-整体”的建模思路。
3.3 编码单元及参数识别
3.3.1 工程系统分解
本文研究采用工程中常用的EBS（Engineering Breakdown Structure，EBS）分解体系进行灌浆工程系统分解研究。
EBS是面向工程实体对象的分解，它遵循由上而下、由粗到细、由整体到局部的总体原则，最终形成树状结构，以分层继承父类的方法进行编码，每一层级的编码均由数字或字母组成[15-16]。EBS 分解需要具有合理的细度，既能具体表达工程实体，又不至于让结构树庞大而复杂，以利于编码的管理。
灌浆工程应按照灌浆类别、灌浆孔所属的部位逐级分解编码。由于每个灌浆孔为独立的实施单元，具有不同的几何参数及施工工艺属性，灌浆工程EBS编码应以单个灌浆孔为单元。
3.3.2 几何参数识别
灌浆工程施工图设计需明确灌浆孔的空间形态，传统的二维设计一般通过桩号、间距或布孔原则等确定灌浆孔位，通过图面标注或表格给出钻孔顶角、方位角、孔深等。根据灌浆孔的钻孔特点及施工需求，灌浆孔几何参数包括孔口坐标、孔向、孔深及孔径，具体几何参数结构及组成见图2。其中，孔口坐标按大地坐标系，以北方向为X轴，东向为Y轴，高程为Z轴。
3.3.3 灌浆工艺参数识别
灌浆过程为：通过选定的灌浆方法，按要求的分段压力往孔内注入合适的浆液，达到要求的结束标准后，结束该段灌浆。灌浆工艺主要需明确灌浆孔的灌浆方法、分段与压力、浆液及变化、结束标准、抬动控制等。针对上述主要工艺，研究灌浆工艺参数的结构及组成见图3。
（5） 抬动控制参数化。
抬动控制参数包括抬动孔编码Nu和抬动控制标准U。抬动孔编码参数用监测相应灌浆孔抬动变形的抬动孔编码字符串表示，抬动控制标准用规定的允许抬动变形值（以μm为单位）表示。
5 乌东德水电站灌浆工程参数化设计应用
乌东德水电站是金沙江下游河段（攀枝花至宜宾）4个梯级中的最上游梯级，枢纽工程包括大坝、两岸地下电站、泄洪洞、水垫塘及二道坝等[18]。大坝为混凝土双曲拱坝，坝高270 m。二道坝为碾压混凝土重力坝，坝高95.5 m。
乌东德水电站大坝采用全面积固结灌浆，孔深13～23 m;二道坝河床坝段灌浆范围为上下游各1/4面积，岸坡坝段全面积，固结灌浆孔深一般为6 m，固结兼辅助帷幕孔深为15 m或25 m。乌东德水电站固结灌浆总进尺约120 km，创新性地采用全坝基无仓面固结灌浆[19]。枢纽区防渗帷幕包括大坝河床及两岸地下电站上游侧防渗帷幕、左右岸临江侧防渗帷幕、泄洪洞出口水垫塘防渗帷幕等，帷幕灌浆总进尺约400 km[20]。帷幕灌浆一般采用孔口封闭灌浆，衔接帷幕及局部主帷幕采用自上而下分段灌漿。乌东德水电站灌浆工程具有组成结构复杂、工程量大、工艺参数要求高等特点。
（1） 灌浆工程系统分解。
根据EBS系统分解原则，对乌东德水电站灌浆工程按“灌浆类型—灌浆孔部位—灌浆孔分部位—灌浆孔排号—灌浆孔排内编号”进行了逐级系统分解，每一层级的编码代表了相应的灌浆孔信息。如图6所示，二道坝7坝段固结灌浆孔编码为010207，二道坝7坝段第2排13号灌浆孔编码为0102070213。
根据以上分解原则，可得到乌东德水电站灌浆工程各个灌浆孔的编码。
（2） 参数化设计。
按灌浆工程设计方案，对乌东德水电站灌浆工程各灌浆孔几何特征和灌浆工艺属性进行参数化设计，灌浆孔几何参数和灌浆工艺参数示例分别见表1～2。
将灌浆工程参数化成果导入三维设计软件，可得到乌东德水电站灌浆工程的三维可视化模型（见图7），各灌浆孔的灌浆工艺参数在模型中作为实体特征保存。
6 结 语
针对传统的灌浆工程设计方法无法满足工程建设信息化发展需要的问题，本文分析了灌浆工程参数化设计研究的必要性，提出了灌浆工程参数化的设计的总体原则及“整体-局部-整体”的建模思路。
通过分析灌浆工程组成结构的特点，提出了基于EBS编码体系，将灌浆工程逐级分解为单个灌浆孔并编码。通过分析灌浆设计及施工特点，提出采用孔口坐标等8个参数表达灌浆孔几何特征，采用灌浆方法等10个参数表达灌浆工艺属性，并研究了各参数定义及获取方法。
根据本文提出的灌浆工程参数化设计方法，建立了乌东德水电站灌浆工程的参数化模型，实现了灌浆工程设计三维可视化，基于参数化设计成果的智能灌浆，提高了灌浆工程建设的智能化水平。
基于灌浆工程设计三维可视化模型，导入工程地质三维模型并开发信息管理平台，可进行灌浆工程的灌前预判、特殊情况三维可视化诊断、灌浆成果快速分析等，实现对灌浆工程进度和质量的全面管理、实时监控和动态优化，具有很好的应用前景，值得进一步探索。
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（编辑：胡旭东）
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