水利水电工程灌浆施工技术探究

1 引言

随着经济的发展与科学技术的进步， 我国已进入信息化时代。 可视化仿真技术在水利水电施工中的应用也是水利水电现代化的主要标志。 西方国家已经对可视化仿真技术进行了多年研究，且取得了一定的研究成果，并在实际施工建设中广泛应用。 我国对于可视化仿真技术的研究与应用时间相对较晚，其研究水平与应用价值与当前西方国家仍有一定差距，但随着科研人员的不断努力， 我国对于可视化仿真技术的应用水平终将赶超西方国家，位列世界前茅。

2 工程概况

本文以我国甘肃省某水利水电工程建设项目为例， 对水利水电施工技术及灌浆施工进行分析。 该水电站主要以发电为主，同时兼顾当地农作物灌溉及旅游参观等功能，其正常蓄水位为1 134 m，死水位为1 126 m，发电站电机容量为3 000 MW。在其正常蓄水位下，水库库容量为18.72 亿m3，实际调节孔融3.83 亿m3。其右岸坝顶长度为318.95 m，最大坝高为70 m，堆石坝顶部宽度为12 m，两侧坡度比为1∶0.2。 其泄洪冲沙建筑主要涵盖明渠溢流孔、双泄中孔及岸边溢流孔。

3 三维可视化仿真系统

3.1 可视化仿真建模

三维可视化仿真技术可对当前水利水电施工技术及灌浆施工中的数据信息进行检索，并对其进行分析，从而构建完善且形象的三维数字模型。 该模型可对当前水利水电施工现场的地形地貌及施工设备的布置等信息进行有效呈现。

可视化仿真系统需要借助Navisworks 软件进行模型生成， 施工技术人员需要将施工技术及灌浆施工中涉及的数据信息进行采集， 并导入软件， 其系统数据管理流程图如图1所示。

图1 可视化系统数据管理流程图

针对形状相对规则的建筑，如坝体、开挖曲面等，其三维可视化建模工作可借助几何布尔运算以及变形操作进行构建。 针对形状不规则的建筑，如施工地形等，技术人员一般会使用曲面建模方法进行模型构建。

3.2 数字化地形模型构建

在水利水电灌浆施工中， 数字地形模型是对施工现场原始地形特征的数字化表现， 同时也是水利水电可视化仿真建模工作中最重要的组成部分。 施工技术人员需构建地表DTM，并通过地质勘察获取施工现场的基本地形信息，同时保证每条等高线都具有一定的高程属性。 技术人员可将等高线的高程间隔设置成为不同的数值。 为方便后续模型导入，技术人员可以采用Civil 3D 软件进行辅助操作。 在其工具空间中构建曲面节点，同时在曲线节点中增添采集数据。 同时，在图形区域中对等高线进行地形模型构建， 其数字地形模型示意如图2 所示。

图2 数字地形模型示意图

4 基于可视化仿真技术的水利水电灌浆施工技术

基于可视化仿真技术的水利水电施工技术是当前水利水电工程中最常见的施工手段。 在上述案例中，施工技术人员通过可视化仿真系统构建了三维数字模型， 对施工现场的地形及施工技术信息进行采集，并对其进行数字化建模，以提升施工流程，保证施工质量。

4.1 帷幕灌浆技术

帷幕灌浆技术的主要特点为钻孔深，且钻孔为线形排列，其灌浆压力相对较大[1]。施工技术人员在进行帷幕灌浆的过程中，需要对帷幕的位置进行明确，同时其钻孔深度需要到达不透水层， 施工技术人员可以借助可视化仿真技术对其地层信息进行采集，并对其基岩的透水率进行计算。 并且施工技术人员需要对其帷幕的厚度进行明晰， 同时明确当前需要进行几序孔施工，以此来保证帷幕的稳定性。 上述案例中，施工人员将使用自上而下的分段式灌浆施工手段， 其灌浆施工结构如图3 所示。

图3 分段式灌浆结构示意图

4.1.1 帷幕灌浆布置

帷幕灌浆施工项目被布置于坝体的左肩位置， 并由此延伸至水库的正常蓄水位与坝体的左肩边际，灌浆轴线为132 m，其中坝基占104 m，坝体左肩占28 m，呈线性分布。 施工人员需对其轴线及防渗墙进行布置，帷幕灌浆孔洞之间相距1.6 m，孔洞深入地层的不透水层5 m。 施工前需对灌浆管进行预埋，随后可进行帷幕灌浆。 帷幕灌浆孔的总数量为83 孔，灌浆时需使用分序灌浆的方式。 一序及二序孔之间的距离为6.4 m，三序孔之间的距离为3.2 m。 其中一序孔可作为先导孔洞，对其灌浆深度进行明晰； 二序孔洞及三序孔洞的实际钻深与一序孔洞相同， 都需深入不透水层5 m。 其单孔灌浆长度约8.7~26.3 m。 通常情况下，堆石坝的坝体坡度为1∶1.3，在灌浆施工时，技术人员需对其进行充分考量。

针对漏水通道，若使用常规灌浆方式，不但会耗损大量建材，且灌浆质量也大打折扣。 因此，对于没有水流作用的裂缝灌浆而言，可使用相对较为黏稠的浆液对其进行灌浆，其浆液定量体积可用式（1）计算：

式中，V 为浆液的定量体积；δ 为实际额定裂隙宽度；R 为灌浆的填充半径；A1为钻孔深度以及倾斜角度等因素，是可变的综合系数，一般的取值范围为2~4。

4.1.2 灌浆参数

施工技术人员借助可视化仿真技术对灌浆参数进行分析，针对基岩条件相对较好的灌浆段而言，技术人员可取其最大值；对破碎及存在裂隙的岩石段而言，可取其最小值。

根据帷幕限定公式，其灌浆段的注浆标准可用式（2）计算：

式中，Q 为实际注浆量；L 为灌浆段的实际长度；n 为灌浆区域的地层孔隙率；a 为灌浆的实际填充率，一般取值为0.8~1.0；β 为富余率，一般取值1.5。

在本次帷幕灌浆施工中， 施工技术人员通过可视化仿真系统对其灌浆压力值进行分析与计算，其压力参考数值如表1所示。

表1 帷幕灌浆压力参考表

除此之外，浆液的稠度受岩石吸水量影响，若起始水灰比重为5，之后依次使用3、2、1、0.8 等数值代替，其实际变化原则为：当灌浆压力不发生改变，其灌浆量减少时或浆液注入量不变，而压力上升时，不会使水灰比进行改变。 例如，灌浆量为300 L 以上时，或其灌浆时间为0.5 h，施工技术人员改变其一级水灰比，则其注入率将发生改变，其注入率将高于30 L/min。

4.1.3 灌浆施工技术要点

施工技术人员要甄选相对新鲜的硅酸盐水泥，其水泥强度等级不得低于42.5，若发现水泥结块，需对其结块进行清除。

本次施工使用三序灌浆法。 在进行灌浆施工之前，需要对坝体以及坝基的边际位置进行灌浆。 当钻孔设备接触岩石基面时，便可以使用回转钻来继续工作，并使用干钻法对基岩进行钻入，待进入基岩0.5 m 后，将钻头提出，并在下方添加麻绒土球，并对其进行套管，以此保证钻孔内壁与套管之间被土球填充，并使用清水钻继续进行钻进，当钻进基岩2 m 后，便是灌浆接触段。灌浆压力可采用0.05 MPa，以低压填充的方式进行灌浆，灌浆结束后，需等待24 h，在等待过程中，技术人员可借助可视化仿真技术，对其进行全天候的数据观测，以此保证灌浆施工质量[2]。

4.2 帷幕灌浆质量检测

施工技术人员可借助可视化仿真技术对帷幕灌浆质量进行有效检测[3]。 施工技术人员借助三维立体建模，对其灌浆检查孔的位置进行明晰。 然后对检查孔进行压水试验，并对试验结果进行分析，以此对当前灌浆施工质量进行综合评定。 其检查孔布置表如表2 所示。

表2 检查孔布置位置表

本次工程对检查孔的检测数量为总灌浆数量的10%，当灌浆施工结束后，施工技术人员需在施工间隔14 d 后，对其进行由上至下的分段式压水试验， 施工技术人员可借助五点法或是单点法进行压水试验， 以此保证本次灌浆施工的质量符合施工质量要求，为后续施工奠定基础。

除此之外， 施工技术人员还可借助可视化仿真技术构建施工建材管理模型， 以此对灌浆施工所需建材进行有效管理与保护。 施工技术人员需在施工建材使用前对其进行质量试验，同时做好特殊建材的保护工作。 施工现场位于水库，靠近大型水源，其施工现场的湿度相对较高，因此，施工技术人员需切实做好水泥防潮工作，以保证水泥建材的质量，使其符合灌浆施工质量要求， 从而最大限度地促进水利水电工程的健康发展。

5 结语