托口電站河灣地塊帷幕灌漿效果可視化分析與評(píng)價(jià)

孟永東 蘇情明 張貴金 楊松林

（1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；3.五凌電力有限公司，長(zhǎng)沙 410004）

灌漿帷幕是水利工程中最常見(jiàn)的防滲處理措施.它是通過(guò)注漿建立一道完整、連續(xù)、低于壩體滲透性的類(lèi)似帷幕的防滲結(jié)構(gòu)，來(lái)提高壩基等處的防滲性能［1］.由于帷幕灌漿工程施工條件隱敝，無(wú)法直觀的了解漿液的灌注情況，并借以推測(cè)灌漿帷幕的連續(xù)性、完整性，所以，對(duì)帷幕灌漿質(zhì)量和防滲效果的評(píng)價(jià)顯得尤為重要.目前在工程上，評(píng)價(jià)灌漿質(zhì)量和防滲效果的方法多樣，壓水試驗(yàn)法是最普遍使用的方法［1］.

另外，在聲波檢測(cè)技術(shù)方面，雷宛，肖宏躍等詳細(xì)研究了聲波CT法和聲波單孔、跨孔技術(shù)在灌漿質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，認(rèn)為綜合聲波CT法和聲波單孔、跨孔技術(shù)對(duì)灌漿效果的評(píng)價(jià)更加客觀、準(zhǔn)確［2］；彭鵬、單治鋼、宋漢周等通過(guò)分析地下水宏觀和微觀動(dòng)態(tài)，對(duì)帷幕體的防滲效果和耐久性進(jìn)行研究，認(rèn)為基于Bayes融合理論分析地下水宏觀動(dòng)態(tài)可以較準(zhǔn)確的反映帷幕體的防滲性能及時(shí)效性，而通過(guò)對(duì)地下水微觀動(dòng)態(tài)的分析，定量化解析幕后地下水溶液與某種礦物之間的反應(yīng)狀態(tài)，也能從側(cè)面反映帷幕體的防滲性能和耐久性的變化特征，且分析結(jié)果與地下水宏觀動(dòng)態(tài)反映出的規(guī)律較一致［3－4］；江思珉、朱國(guó)榮等通過(guò)分析有限單元法和有限差分法在地下水?dāng)?shù)值模擬方面的缺點(diǎn)，提出了采用基于區(qū)域分解原理的快速自適應(yīng)組合網(wǎng)格方法——FAC法，并將其應(yīng)用于灌漿帷幕墻體內(nèi)部地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律模擬，為防滲帷幕的設(shè)計(jì)和補(bǔ)強(qiáng)提供參考依據(jù)［5］；而隨著光學(xué)成像測(cè)井技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，魏立巍等在小浪底水利樞紐帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)中應(yīng)用最新的數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)，通過(guò)孔壁圖像資料，對(duì)鉆孔內(nèi)發(fā)育的節(jié)理裂隙、破碎帶等處的漿液填充情況進(jìn)行分析研究，其應(yīng)用情況表明，將數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)應(yīng)用于檢查帷幕灌漿質(zhì)量，分析灌漿漿液滲流路徑，也是可行的［6］.

由于地質(zhì)條件復(fù)雜，巖土體性質(zhì)各異，且易受施工方法、灌漿壓力和人員素質(zhì)等隨機(jī)因素的影響，灌漿帷幕往往存在缺陷，并且缺陷的分布與規(guī)模呈隨機(jī)性［7］，所以，目前對(duì)灌漿效果的評(píng)價(jià)均以定性分析為主，分析結(jié)果也存在一定的局限性和不確定性.以壓水試驗(yàn)和光學(xué)成像測(cè)井技術(shù)為例，二者均以帷幕體局部孔段的灌注質(zhì)量來(lái)反映整體，結(jié)果有失偏頗.

本文以托口電站河灣地塊帷幕灌漿工程為應(yīng)用對(duì)象，借助帷幕灌漿各孔段的灌漿施工數(shù)據(jù)，應(yīng)用空間數(shù)據(jù)場(chǎng)三維云圖體繪制方法，引入三維云圖表達(dá)單位吸灰量在灌漿斷面的分布，從宏觀上把握漿液的灌注情況，為灌漿質(zhì)量和防滲效果的評(píng)價(jià)、帷幕的檢查或補(bǔ)強(qiáng)加固提供直觀的參考.

1 工程概況

托口電站位于湖南省洪江市境內(nèi)，由東游祠主壩、王麻溪副壩、電站廠房、引水系統(tǒng)、通航建筑物和河灣地塊防滲工程等組成，其中，河灣地塊位于東游祠主壩和王麻溪副壩之間.托口電站河灣地塊防滲工程分為兩部分：位于主壩右側(cè)的帷幕灌漿工程和位于副壩左側(cè)的帷幕灌漿工程.河灣地塊防滲工程布置如圖1所示.

圖1 河灣地塊防滲工程布置圖

河灣地塊在構(gòu)造上位于北東向展布的托口向斜的傾伏端，地層以震旦系南沱冰磧巖組的非可溶性碎屑巖類(lèi)為基底，頂部為白堊系紅層覆蓋，石炭系、二疊系地層夾于二者之間.由地勘資料推斷河灣地塊帷幕灌漿沿線地層、斷層產(chǎn)狀、全風(fēng)化帶下限、強(qiáng)風(fēng)化帶下限、弱風(fēng)化帶下限、巖溶分布及擬防滲帷幕范圍如圖2所示.

圖2 河灣地塊帷幕灌漿斷面

1.1 主要地層信息

C2＋3：為一套淺海相碳酸鹽巖類(lèi)，淺灰、灰白色厚層、巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r，摻雜有呈窩狀分布的雜色粉砂質(zhì)泥巖、礫巖、砂巖等碎屑巖.

P2L：巖性較雜，主壩側(cè)為厚層、巨厚層礫巖、砂巖夾薄層鋁土質(zhì)頁(yè)巖.副壩側(cè)，則主要為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖.

P2q：白云質(zhì)灰?guī)r、中厚至巨厚層泥質(zhì)灰?guī)r、含礫泥質(zhì)灰?guī)r夾燧石結(jié)核、炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)頁(yè)巖.在主壩側(cè)和副壩側(cè)上部均存在弱風(fēng)化帶.

K1－1：雜色礫巖，層面不發(fā)育.風(fēng)化劇烈、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大、巖體軟弱破碎.根據(jù)地勘資料推斷，該地層在主壩側(cè)和副壩側(cè)帷幕灌漿范圍內(nèi)均存在大范圍全風(fēng)化帶和強(qiáng)風(fēng)化帶.

K1－2：主要為粉砂質(zhì)泥巖.出現(xiàn)在主壩側(cè)灌漿段內(nèi)，存在強(qiáng)風(fēng)化帶.

K2－1：以礫巖、砂礫巖與粉砂質(zhì)泥巖等為主.出現(xiàn)在主壩側(cè)灌漿段，存在強(qiáng)風(fēng)化帶.

K2－2：紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、含礫粉砂質(zhì)泥巖及粉砂巖和砂巖.

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及巖溶的發(fā)育與分布

據(jù)地勘資料推斷，河灣地塊分布有NE～NNE向的F14、F19和NEE～NWW向的F15、F17等斷層.河灣地塊物探及CT測(cè)試成果表明，F(xiàn)17、F19斷層位置基本準(zhǔn)確，F(xiàn)14、F17斷層位置有適當(dāng)偏移，偏移方向?yàn)橄蚬艣_溝方向.

河灣地塊巖溶類(lèi)型主要分為碳酸鹽巖巖溶和碎屑巖巖溶，各地層巖溶發(fā)育程度不一，以P2q層最為發(fā)育，C2＋3層次之，P2q層炭質(zhì)含量高的下部一般巖溶不發(fā)育.碳酸鹽巖巖溶主要分布于P2q層及P2q層與上伏地層的交界處，形成巖溶管道較完整，因此，在P2q層的巖溶孔洞具有規(guī)模大、連通性強(qiáng)、分布廣等特點(diǎn).碎屑巖巖溶發(fā)育在膠結(jié)物具可溶性的白堊系地層中，該類(lèi)巖溶普遍為因膠結(jié)物溶蝕而致巖石結(jié)構(gòu)疏松的巖溶，主要見(jiàn)于 K1－1、K2－1層內(nèi)，而溶洞等孔洞型巖溶極少見(jiàn).碎屑巖巖溶由于處于巖體結(jié)構(gòu)松軟破碎的白堊系地層，形成的巖溶管道容易自然堵塞，因而該類(lèi)型巖溶規(guī)模較小、連通性較差、延伸距離有限.

根據(jù)各地層巖性的特點(diǎn)，該工程采用膏漿和穩(wěn)定漿液進(jìn)行灌注.其中，膏漿主要針對(duì)紅層，以及部分風(fēng)化區(qū)和溶蝕區(qū)［8］.

2 單位吸灰量分布云圖的繪制

基于X3D虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)的空間數(shù)據(jù)場(chǎng)三維云圖體繪制方法［9］，繪制單位吸灰量分布云圖的步驟如下：

1）幾何載體的生成.通過(guò)對(duì)幾何模型按可視化分析精度要求進(jìn)行單元格離散，提取單元格節(jié)點(diǎn)點(diǎn)集，并根據(jù)點(diǎn)集重構(gòu)幾何模型［10］.

2）樣本數(shù)據(jù)的整理.從灌漿施工的原始資料中整理每個(gè)灌漿孔各灌漿段的單位吸灰量，以其作為插值計(jì)算的樣本，并取各單位吸灰量所在灌漿段的中點(diǎn)作為該樣本點(diǎn)的坐標(biāo).

3）插值計(jì)算.考慮在灌漿工程中，漿液在地層中的擴(kuò)散距離是有限的，灌漿孔的分布是依據(jù)漿液擴(kuò)散半徑而定，因此假定某點(diǎn)的灌漿效果只受其周?chē)罱酀{段的影響，較遠(yuǎn)的灌漿段因受較近灌漿段屏蔽而產(chǎn)生的影響微弱，本文采用“方位－反距離加權(quán)法”對(duì)單位吸灰量進(jìn)行空間插值［11］，通過(guò)插值計(jì)算得到三維云圖幾何載體上各節(jié)點(diǎn)的單位吸灰量.

4）云圖的繪制.通過(guò)顏色映射將單位吸灰量值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的RGB色彩編碼，借助X3D規(guī)范提供的IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)可方便的實(shí)現(xiàn)幾何模型的構(gòu)建和云圖的繪制［12－13］.

通過(guò)以上步驟，生成河灣地塊帷幕灌漿斷面單位吸灰量的云圖，如圖3所示.

圖3 帷幕灌漿斷面單位吸灰量的云圖

3 基于單位吸灰量分布云圖的灌漿效果的宏觀分析

依據(jù)托口電站河灣地塊帷幕工程施工資料，繪制主壩側(cè)和副壩側(cè)灌漿范圍（如圖4所示）單位吸灰量分布云圖，并將地層、斷層、風(fēng)化帶、溶洞分布等地質(zhì)信息與三維云圖融合，如圖5～8所示.

圖4 帷幕灌漿范圍及地質(zhì)條件可視化解析

圖5 主壩側(cè)單位吸灰量云圖與地層信息

圖6 副壩側(cè)單位吸灰量云圖與地層信息

圖7 主壩側(cè)單位吸灰量云圖與溶洞、斷層、風(fēng)化界限

圖8 副壩側(cè)單位吸灰量云圖與溶洞、斷層、風(fēng)化界限

3.1 防滲帷幕的連續(xù)性及單位吸灰量隨地層的分布

分析圖5～6，主壩側(cè)帷幕覆蓋的地層包括白堊系 K1－1、K1－2、K2－1層，二疊系 P2q、P2L層和石炭系 C2＋3層.帷幕上端以K1－1層為主，該地層風(fēng)化劇烈、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大、巖體軟弱破碎，與下伏地層呈不整合接觸.帷幕下端以P2q層為主，據(jù)物探資料，該地層為主要的溶蝕地層.

副壩側(cè)帷幕覆蓋的地層包括白堊系K1－1層，二疊系P2q、P2L層和石炭系 C2＋3層.帷幕前半段以 K1－1層及P2q層為主，后半段主要為P2q層，該區(qū)域 K1－1層及P2q層巖性與主壩側(cè)相似，前者松散破碎，后者受溶蝕作用明顯.

兩側(cè)帷幕均與相對(duì)不透水層相交，并覆蓋P2q層中的F15、F17、F14及F19斷層帶.其中，副壩側(cè)帷幕中段深入相對(duì)不透水層直達(dá)P2L層底板.因此，帷幕的覆蓋范圍滿(mǎn)足防滲要求.

從分布云圖可以看出，白堊系地層單位吸灰量明顯高于其他地層，且分布較均勻，主要原因是該地層在帷幕范圍內(nèi)風(fēng)化劇烈、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大、巖體軟弱破碎，吸漿量大，施工中采用膏漿灌注.其余地層單位吸灰量普遍較小，部分吸灰量較大的區(qū)域呈現(xiàn)塊狀分布，概因該地層受風(fēng)化作用影響不均勻，以溶蝕為主要地質(zhì)特征，溶洞及沿溶洞周?chē)牧严逗蛶r溶管道區(qū)域匯流能力強(qiáng)［14］，對(duì)吸灰量的影響顯著，吸灰量較大的塊狀區(qū)域主要為受風(fēng)化和溶蝕作用明顯的區(qū)域.

從整體來(lái)看，單位吸灰量總體分布呈現(xiàn)從帷幕上側(cè)向下側(cè)遞減、從靠近壩體側(cè)向遠(yuǎn)離壩體側(cè)遞減的趨勢(shì).

3.2 溶洞、斷層及風(fēng)化帶的單位吸灰量分布

分析圖7～8，在溶洞群及其鄰近區(qū)域單位吸灰量有顯著增大趨勢(shì)，并且?guī)r溶區(qū)域的單位吸灰量隨高程的降低而減少，這與“在P2q層下端，巖體炭質(zhì)含量高，巖溶不易發(fā)育”的推斷相吻合.

從風(fēng)化強(qiáng)度角度分析，單位吸灰量也隨風(fēng)化程度的增強(qiáng)而顯著增加，尤其在靠近主壩和副壩的P2q層的弱風(fēng)化帶上.主壩側(cè)帷幕，在全風(fēng)化帶內(nèi)，單位吸灰量大于150kg／m的區(qū)域分布廣泛且連續(xù)性好，單位吸灰量大于225kg／m的區(qū)域約占全風(fēng)化帶面積的1／4，而弱風(fēng)化帶帷幕的單位吸灰量高于225kg／m的區(qū)域所占比重不足1／10，這也印證了對(duì)風(fēng)化區(qū)域判斷的準(zhǔn)確性.

對(duì)斷層帶的云圖分析可知，主壩側(cè)帷幕，貫穿多個(gè)溶洞的F14斷層的注漿較為理想，另?yè)?jù)CT資料及鉆孔錄像分析結(jié)果知，F(xiàn)19斷層部位未見(jiàn)巖溶發(fā)育，且風(fēng)化程度低，所以斷層F19的單位吸灰量較F14斷層要小.副壩側(cè)帷幕，在斷層F17附近，存在大面積單位吸灰量少于50kg／m的區(qū)域，概因該區(qū)域?yàn)槭肯档貙樱幱谙鄬?duì)不透水層，據(jù)CT掃描資料及物探結(jié)果分析，該區(qū)域含粉砂質(zhì)泥巖，透水性差，巖溶不發(fā)育，所以單位吸灰量并無(wú)顯著增加.斷層F15上端貫穿強(qiáng)溶蝕區(qū)，吸灰量大增，而與帷幕相交部分的下端，也因含粉砂質(zhì)泥巖而使吸灰量在該區(qū)域無(wú)明顯增大現(xiàn)象.

在該灌漿段后半段中存在3個(gè)溶洞群，均位于石炭系P2q層，屬碳酸鹽巖巖溶，如圖8所示.溶洞群A及附近區(qū)域吸灰量高于150kg／m，且呈連續(xù)的塊狀分布，概因溶洞群A形成的巖溶管道豐富、連通性強(qiáng)，強(qiáng)溶蝕區(qū)部位較多，局部規(guī)模大，且有斷層F15貫穿.溶洞群B處于相對(duì)不透水層邊界，靠近P2q層底板，該區(qū)域巖溶較不發(fā)育，根據(jù)云圖顯示，該區(qū)域單位吸灰量達(dá)75kg／m左右，較相鄰區(qū)域并無(wú)顯著增大現(xiàn)象.溶洞群C處于弱風(fēng)化帶，該區(qū)域吸灰量大于150 kg／m的區(qū)域呈帶狀分布，分析單位吸灰量的變化趨勢(shì)，可以認(rèn)為溶洞群C的規(guī)模比推斷的要小，位置或有適當(dāng)偏移.

4 結(jié) 論

為了直觀展示防滲帷幕的灌漿效果，便于有效分析帷幕的連續(xù)性及漿液分布與地層、地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，本文依據(jù)托口電站河灣地塊帷幕工程施工資料，引入三維云圖可視化顯示方式表達(dá)單位吸灰量在灌漿斷面的宏觀分布，為進(jìn)行灌漿效果的評(píng)價(jià)及帷幕的補(bǔ)強(qiáng)提供決策依據(jù).研究分析表明：

1）從漿液宏觀分布來(lái)看，灌漿斷面中風(fēng)化程度高、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大、巖體軟弱破碎的地層單位吸灰量增加較顯，符合灌漿工程的一般規(guī)律.在該工程中，以白堊系紅層為代表.

2）從漿液宏觀分布來(lái)看，巖溶孔洞越完整、巖溶通道越豐富、連通性越強(qiáng)的巖溶區(qū)域的單位吸灰量越大，并且在溶洞周?chē)鷨挝晃鼭{量有增大的現(xiàn)象，符合在溶蝕區(qū)灌漿的一般規(guī)律.該工程中，采用膏漿填充溶洞，而溶洞周?chē)膸r溶通道則采用流動(dòng)性更好（初始粘性系數(shù)為μ（0）＝19.97m2／s）的穩(wěn)定漿體灌注［15］.

3）可視化分析成果圖顯示出防滲帷幕具有良好的連續(xù)性，帷幕的覆蓋范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)要求為：以相對(duì)不透水層頂板為帷幕下限，而在副壩側(cè)帷幕中段部分，因相對(duì)不透水層頂板下存在溶蝕作用明顯區(qū)域，所以，該帷幕段以二疊系P2q地層底板作為帷幕下限）.

4）引入三維云圖，從漿液宏觀分布上評(píng)價(jià)灌漿效果是可行的.在防滲帷幕工程中引入三維云圖可視化方式，可以良好的展示帷幕的連續(xù)性及漿液分布與地層、地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系.

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