托口电站河湾地块帷幕灌浆效果可视化分析与评价

孟永东 苏情明 张贵金 杨松林

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410114；3.五凌电力有限公司，长沙 410004）

灌浆帷幕是水利工程中最常见的防渗处理措施.它是通过注浆建立一道完整、连续、低于坝体渗透性的类似帷幕的防渗结构，来提高坝基等处的防渗性能［1］.由于帷幕灌浆工程施工条件隐敝，无法直观的了解浆液的灌注情况，并借以推测灌浆帷幕的连续性、完整性，所以，对帷幕灌浆质量和防渗效果的评价显得尤为重要.目前在工程上，评价灌浆质量和防渗效果的方法多样，压水试验法是最普遍使用的方法［1］.

另外，在声波检测技术方面，雷宛，肖宏跃等详细研究了声波CT法和声波单孔、跨孔技术在灌浆质量评价中的应用，认为综合声波CT法和声波单孔、跨孔技术对灌浆效果的评价更加客观、准确［2］；彭鹏、单治钢、宋汉周等通过分析地下水宏观和微观动态，对帷幕体的防渗效果和耐久性进行研究，认为基于Bayes融合理论分析地下水宏观动态可以较准确的反映帷幕体的防渗性能及时效性，而通过对地下水微观动态的分析，定量化解析幕后地下水溶液与某种矿物之间的反应状态，也能从侧面反映帷幕体的防渗性能和耐久性的变化特征，且分析结果与地下水宏观动态反映出的规律较一致［3－4］；江思珉、朱国荣等通过分析有限单元法和有限差分法在地下水数值模拟方面的缺点，提出了采用基于区域分解原理的快速自适应组合网格方法——FAC法，并将其应用于灌浆帷幕墙体内部地下水运动规律模拟，为防渗帷幕的设计和补强提供参考依据［5］；而随着光学成像测井技术的不断更新换代，魏立巍等在小浪底水利枢纽帷幕灌浆效果评价中应用最新的数字钻孔摄像技术，通过孔壁图像资料，对钻孔内发育的节理裂隙、破碎带等处的浆液填充情况进行分析研究，其应用情况表明，将数字钻孔摄像技术应用于检查帷幕灌浆质量，分析灌浆浆液渗流路径，也是可行的［6］.

由于地质条件复杂，岩土体性质各异，且易受施工方法、灌浆压力和人员素质等随机因素的影响，灌浆帷幕往往存在缺陷，并且缺陷的分布与规模呈随机性［7］，所以，目前对灌浆效果的评价均以定性分析为主，分析结果也存在一定的局限性和不确定性.以压水试验和光学成像测井技术为例，二者均以帷幕体局部孔段的灌注质量来反映整体，结果有失偏颇.

本文以托口电站河湾地块帷幕灌浆工程为应用对象，借助帷幕灌浆各孔段的灌浆施工数据，应用空间数据场三维云图体绘制方法，引入三维云图表达单位吸灰量在灌浆断面的分布，从宏观上把握浆液的灌注情况，为灌浆质量和防渗效果的评价、帷幕的检查或补强加固提供直观的参考.

1 工程概况

托口电站位于湖南省洪江市境内，由东游祠主坝、王麻溪副坝、电站厂房、引水系统、通航建筑物和河湾地块防渗工程等组成，其中，河湾地块位于东游祠主坝和王麻溪副坝之间.托口电站河湾地块防渗工程分为两部分：位于主坝右侧的帷幕灌浆工程和位于副坝左侧的帷幕灌浆工程.河湾地块防渗工程布置如图1所示.

图1 河湾地块防渗工程布置图

河湾地块在构造上位于北东向展布的托口向斜的倾伏端，地层以震旦系南沱冰碛岩组的非可溶性碎屑岩类为基底，顶部为白垩系红层覆盖，石炭系、二叠系地层夹于二者之间.由地勘资料推断河湾地块帷幕灌浆沿线地层、断层产状、全风化带下限、强风化带下限、弱风化带下限、岩溶分布及拟防渗帷幕范围如图2所示.

图2 河湾地块帷幕灌浆断面

1.1 主要地层信息

C2＋3：为一套浅海相碳酸盐岩类，浅灰、灰白色厚层、巨厚层白云质灰岩，掺杂有呈窝状分布的杂色粉砂质泥岩、砾岩、砂岩等碎屑岩.

P2L：岩性较杂，主坝侧为厚层、巨厚层砾岩、砂岩夹薄层铝土质页岩.副坝侧，则主要为泥质粉砂岩、泥岩.

P2q：白云质灰岩、中厚至巨厚层泥质灰岩、含砾泥质灰岩夹燧石结核、炭质灰岩、炭质页岩.在主坝侧和副坝侧上部均存在弱风化带.

K1－1：杂色砾岩，层面不发育.风化剧烈、结构疏松、孔隙率大、岩体软弱破碎.根据地勘资料推断，该地层在主坝侧和副坝侧帷幕灌浆范围内均存在大范围全风化带和强风化带.

K1－2：主要为粉砂质泥岩.出现在主坝侧灌浆段内，存在强风化带.

K2－1：以砾岩、砂砾岩与粉砂质泥岩等为主.出现在主坝侧灌浆段，存在强风化带.

K2－2：紫红色粉砂质泥岩、含砾粉砂质泥岩及粉砂岩和砂岩.

1.2 地质构造及岩溶的发育与分布

据地勘资料推断，河湾地块分布有NE～NNE向的F14、F19和NEE～NWW向的F15、F17等断层.河湾地块物探及CT测试成果表明，F17、F19断层位置基本准确，F14、F17断层位置有适当偏移，偏移方向为向古冲沟方向.

河湾地块岩溶类型主要分为碳酸盐岩岩溶和碎屑岩岩溶，各地层岩溶发育程度不一，以P2q层最为发育，C2＋3层次之，P2q层炭质含量高的下部一般岩溶不发育.碳酸盐岩岩溶主要分布于P2q层及P2q层与上伏地层的交界处，形成岩溶管道较完整，因此，在P2q层的岩溶孔洞具有规模大、连通性强、分布广等特点.碎屑岩岩溶发育在胶结物具可溶性的白垩系地层中，该类岩溶普遍为因胶结物溶蚀而致岩石结构疏松的岩溶，主要见于 K1－1、K2－1层内，而溶洞等孔洞型岩溶极少见.碎屑岩岩溶由于处于岩体结构松软破碎的白垩系地层，形成的岩溶管道容易自然堵塞，因而该类型岩溶规模较小、连通性较差、延伸距离有限.

根据各地层岩性的特点，该工程采用膏浆和稳定浆液进行灌注.其中，膏浆主要针对红层，以及部分风化区和溶蚀区［8］.

2 单位吸灰量分布云图的绘制

基于X3D虚拟现实可视化技术的空间数据场三维云图体绘制方法［9］，绘制单位吸灰量分布云图的步骤如下：

1）几何载体的生成.通过对几何模型按可视化分析精度要求进行单元格离散，提取单元格节点点集，并根据点集重构几何模型［10］.

2）样本数据的整理.从灌浆施工的原始资料中整理每个灌浆孔各灌浆段的单位吸灰量，以其作为插值计算的样本，并取各单位吸灰量所在灌浆段的中点作为该样本点的坐标.

3）插值计算.考虑在灌浆工程中，浆液在地层中的扩散距离是有限的，灌浆孔的分布是依据浆液扩散半径而定，因此假定某点的灌浆效果只受其周围最近灌浆段的影响，较远的灌浆段因受较近灌浆段屏蔽而产生的影响微弱，本文采用“方位－反距离加权法”对单位吸灰量进行空间插值［11］，通过插值计算得到三维云图几何载体上各节点的单位吸灰量.

4）云图的绘制.通过颜色映射将单位吸灰量值转换成对应的RGB色彩编码，借助X3D规范提供的IndexedFaceSet节点可方便的实现几何模型的构建和云图的绘制［12－13］.

通过以上步骤，生成河湾地块帷幕灌浆断面单位吸灰量的云图，如图3所示.

图3 帷幕灌浆断面单位吸灰量的云图

3 基于单位吸灰量分布云图的灌浆效果的宏观分析

依据托口电站河湾地块帷幕工程施工资料，绘制主坝侧和副坝侧灌浆范围（如图4所示）单位吸灰量分布云图，并将地层、断层、风化带、溶洞分布等地质信息与三维云图融合，如图5～8所示.

图4 帷幕灌浆范围及地质条件可视化解析

图5 主坝侧单位吸灰量云图与地层信息

图6 副坝侧单位吸灰量云图与地层信息

图7 主坝侧单位吸灰量云图与溶洞、断层、风化界限

图8 副坝侧单位吸灰量云图与溶洞、断层、风化界限

3.1 防渗帷幕的连续性及单位吸灰量随地层的分布

分析图5～6，主坝侧帷幕覆盖的地层包括白垩系 K1－1、K1－2、K2－1层，二叠系 P2q、P2L层和石炭系 C2＋3层.帷幕上端以K1－1层为主，该地层风化剧烈、结构疏松、孔隙率大、岩体软弱破碎，与下伏地层呈不整合接触.帷幕下端以P2q层为主，据物探资料，该地层为主要的溶蚀地层.

副坝侧帷幕覆盖的地层包括白垩系K1－1层，二叠系P2q、P2L层和石炭系 C2＋3层.帷幕前半段以 K1－1层及P2q层为主，后半段主要为P2q层，该区域 K1－1层及P2q层岩性与主坝侧相似，前者松散破碎，后者受溶蚀作用明显.

两侧帷幕均与相对不透水层相交，并覆盖P2q层中的F15、F17、F14及F19断层带.其中，副坝侧帷幕中段深入相对不透水层直达P2L层底板.因此，帷幕的覆盖范围满足防渗要求.

从分布云图可以看出，白垩系地层单位吸灰量明显高于其他地层，且分布较均匀，主要原因是该地层在帷幕范围内风化剧烈、结构疏松、孔隙率大、岩体软弱破碎，吸浆量大，施工中采用膏浆灌注.其余地层单位吸灰量普遍较小，部分吸灰量较大的区域呈现块状分布，概因该地层受风化作用影响不均匀，以溶蚀为主要地质特征，溶洞及沿溶洞周围的裂隙和岩溶管道区域汇流能力强［14］，对吸灰量的影响显著，吸灰量较大的块状区域主要为受风化和溶蚀作用明显的区域.

从整体来看，单位吸灰量总体分布呈现从帷幕上侧向下侧递减、从靠近坝体侧向远离坝体侧递减的趋势.

3.2 溶洞、断层及风化带的单位吸灰量分布

分析图7～8，在溶洞群及其邻近区域单位吸灰量有显著增大趋势，并且岩溶区域的单位吸灰量随高程的降低而减少，这与“在P2q层下端，岩体炭质含量高，岩溶不易发育”的推断相吻合.

从风化强度角度分析，单位吸灰量也随风化程度的增强而显著增加，尤其在靠近主坝和副坝的P2q层的弱风化带上.主坝侧帷幕，在全风化带内，单位吸灰量大于150kg／m的区域分布广泛且连续性好，单位吸灰量大于225kg／m的区域约占全风化带面积的1／4，而弱风化带帷幕的单位吸灰量高于225kg／m的区域所占比重不足1／10，这也印证了对风化区域判断的准确性.

对断层带的云图分析可知，主坝侧帷幕，贯穿多个溶洞的F14断层的注浆较为理想，另据CT资料及钻孔录像分析结果知，F19断层部位未见岩溶发育，且风化程度低，所以断层F19的单位吸灰量较F14断层要小.副坝侧帷幕，在断层F17附近，存在大面积单位吸灰量少于50kg／m的区域，概因该区域为石炭系地层，处于相对不透水层，据CT扫描资料及物探结果分析，该区域含粉砂质泥岩，透水性差，岩溶不发育，所以单位吸灰量并无显著增加.断层F15上端贯穿强溶蚀区，吸灰量大增，而与帷幕相交部分的下端，也因含粉砂质泥岩而使吸灰量在该区域无明显增大现象.

在该灌浆段后半段中存在3个溶洞群，均位于石炭系P2q层，属碳酸盐岩岩溶，如图8所示.溶洞群A及附近区域吸灰量高于150kg／m，且呈连续的块状分布，概因溶洞群A形成的岩溶管道丰富、连通性强，强溶蚀区部位较多，局部规模大，且有断层F15贯穿.溶洞群B处于相对不透水层边界，靠近P2q层底板，该区域岩溶较不发育，根据云图显示，该区域单位吸灰量达75kg／m左右，较相邻区域并无显著增大现象.溶洞群C处于弱风化带，该区域吸灰量大于150 kg／m的区域呈带状分布，分析单位吸灰量的变化趋势，可以认为溶洞群C的规模比推断的要小，位置或有适当偏移.

4 结 论

为了直观展示防渗帷幕的灌浆效果，便于有效分析帷幕的连续性及浆液分布与地层、地质构造的关系，本文依据托口电站河湾地块帷幕工程施工资料，引入三维云图可视化显示方式表达单位吸灰量在灌浆断面的宏观分布，为进行灌浆效果的评价及帷幕的补强提供决策依据.研究分析表明：

1）从浆液宏观分布来看，灌浆断面中风化程度高、结构疏松、孔隙率大、岩体软弱破碎的地层单位吸灰量增加较显，符合灌浆工程的一般规律.在该工程中，以白垩系红层为代表.

2）从浆液宏观分布来看，岩溶孔洞越完整、岩溶通道越丰富、连通性越强的岩溶区域的单位吸灰量越大，并且在溶洞周围单位吸浆量有增大的现象，符合在溶蚀区灌浆的一般规律.该工程中，采用膏浆填充溶洞，而溶洞周围的岩溶通道则采用流动性更好（初始粘性系数为μ（0）＝19.97m2／s）的稳定浆体灌注［15］.

3）可视化分析成果图显示出防渗帷幕具有良好的连续性，帷幕的覆盖范围达到设计要求（设计要求为：以相对不透水层顶板为帷幕下限，而在副坝侧帷幕中段部分，因相对不透水层顶板下存在溶蚀作用明显区域，所以，该帷幕段以二叠系P2q地层底板作为帷幕下限）.

4）引入三维云图，从浆液宏观分布上评价灌浆效果是可行的.在防渗帷幕工程中引入三维云图可视化方式，可以良好的展示帷幕的连续性及浆液分布与地层、地质构造的关系.

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