1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 我國已進(jìn)入信息化時代。 可視化仿真技術(shù)在水利水電施工中的應(yīng)用也是水利水電現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。 西方國家已經(jīng)對可視化仿真技術(shù)進(jìn)行了多年研究，且取得了一定的研究成果，并在實際施工建設(shè)中廣泛應(yīng)用。 我國對于可視化仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用時間相對較晚，其研究水平與應(yīng)用價值與當(dāng)前西方國家仍有一定差距，但隨著科研人員的不斷努力， 我國對于可視化仿真技術(shù)的應(yīng)用水平終將趕超西方國家，位列世界前茅。

2 工程概況

本文以我國甘肅省某水利水電工程建設(shè)項目為例， 對水利水電施工技術(shù)及灌漿施工進(jìn)行分析。 該水電站主要以發(fā)電為主，同時兼顧當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物灌溉及旅游參觀等功能，其正常蓄水位為1 134 m，死水位為1 126 m，發(fā)電站電機(jī)容量為3 000 MW。在其正常蓄水位下，水庫庫容量為18.72 億m3，實際調(diào)節(jié)孔融3.83 億m3。其右岸壩頂長度為318.95 m，最大壩高為70 m，堆石壩頂部寬度為12 m，兩側(cè)坡度比為1∶0.2。 其泄洪沖沙建筑主要涵蓋明渠溢流孔、雙泄中孔及岸邊溢流孔。

3 三維可視化仿真系統(tǒng)

3.1 可視化仿真建模

三維可視化仿真技術(shù)可對當(dāng)前水利水電施工技術(shù)及灌漿施工中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢索，并對其進(jìn)行分析，從而構(gòu)建完善且形象的三維數(shù)字模型。 該模型可對當(dāng)前水利水電施工現(xiàn)場的地形地貌及施工設(shè)備的布置等信息進(jìn)行有效呈現(xiàn)。

可視化仿真系統(tǒng)需要借助Navisworks 軟件進(jìn)行模型生成， 施工技術(shù)人員需要將施工技術(shù)及灌漿施工中涉及的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集， 并導(dǎo)入軟件， 其系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理流程圖如圖1所示。

圖1 可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理流程圖

針對形狀相對規(guī)則的建筑，如壩體、開挖曲面等，其三維可視化建模工作可借助幾何布爾運算以及變形操作進(jìn)行構(gòu)建。 針對形狀不規(guī)則的建筑，如施工地形等，技術(shù)人員一般會使用曲面建模方法進(jìn)行模型構(gòu)建。

3.2 數(shù)字化地形模型構(gòu)建

在水利水電灌漿施工中， 數(shù)字地形模型是對施工現(xiàn)場原始地形特征的數(shù)字化表現(xiàn)， 同時也是水利水電可視化仿真建模工作中最重要的組成部分。 施工技術(shù)人員需構(gòu)建地表DTM，并通過地質(zhì)勘察獲取施工現(xiàn)場的基本地形信息，同時保證每條等高線都具有一定的高程屬性。 技術(shù)人員可將等高線的高程間隔設(shè)置成為不同的數(shù)值。 為方便后續(xù)模型導(dǎo)入，技術(shù)人員可以采用Civil 3D 軟件進(jìn)行輔助操作。 在其工具空間中構(gòu)建曲面節(jié)點，同時在曲線節(jié)點中增添采集數(shù)據(jù)。 同時，在圖形區(qū)域中對等高線進(jìn)行地形模型構(gòu)建， 其數(shù)字地形模型示意如圖2 所示。

圖2 數(shù)字地形模型示意圖

4 基于可視化仿真技術(shù)的水利水電灌漿施工技術(shù)

基于可視化仿真技術(shù)的水利水電施工技術(shù)是當(dāng)前水利水電工程中最常見的施工手段。 在上述案例中，施工技術(shù)人員通過可視化仿真系統(tǒng)構(gòu)建了三維數(shù)字模型， 對施工現(xiàn)場的地形及施工技術(shù)信息進(jìn)行采集，并對其進(jìn)行數(shù)字化建模，以提升施工流程，保證施工質(zhì)量。

4.1 帷幕灌漿技術(shù)

帷幕灌漿技術(shù)的主要特點為鉆孔深，且鉆孔為線形排列，其灌漿壓力相對較大[1]。施工技術(shù)人員在進(jìn)行帷幕灌漿的過程中，需要對帷幕的位置進(jìn)行明確，同時其鉆孔深度需要到達(dá)不透水層， 施工技術(shù)人員可以借助可視化仿真技術(shù)對其地層信息進(jìn)行采集，并對其基巖的透水率進(jìn)行計算。 并且施工技術(shù)人員需要對其帷幕的厚度進(jìn)行明晰， 同時明確當(dāng)前需要進(jìn)行幾序孔施工，以此來保證帷幕的穩(wěn)定性。 上述案例中，施工人員將使用自上而下的分段式灌漿施工手段， 其灌漿施工結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 分段式灌漿結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.1 帷幕灌漿布置

帷幕灌漿施工項目被布置于壩體的左肩位置， 并由此延伸至水庫的正常蓄水位與壩體的左肩邊際，灌漿軸線為132 m，其中壩基占104 m，壩體左肩占28 m，呈線性分布。 施工人員需對其軸線及防滲墻進(jìn)行布置，帷幕灌漿孔洞之間相距1.6 m，孔洞深入地層的不透水層5 m。 施工前需對灌漿管進(jìn)行預(yù)埋，隨后可進(jìn)行帷幕灌漿。 帷幕灌漿孔的總數(shù)量為83 孔，灌漿時需使用分序灌漿的方式。 一序及二序孔之間的距離為6.4 m，三序孔之間的距離為3.2 m。 其中一序孔可作為先導(dǎo)孔洞，對其灌漿深度進(jìn)行明晰； 二序孔洞及三序孔洞的實際鉆深與一序孔洞相同， 都需深入不透水層5 m。 其單孔灌漿長度約8.7~26.3 m。 通常情況下，堆石壩的壩體坡度為1∶1.3，在灌漿施工時，技術(shù)人員需對其進(jìn)行充分考量。

針對漏水通道，若使用常規(guī)灌漿方式，不但會耗損大量建材，且灌漿質(zhì)量也大打折扣。 因此，對于沒有水流作用的裂縫灌漿而言，可使用相對較為黏稠的漿液對其進(jìn)行灌漿，其漿液定量體積可用式（1）計算：

式中，V 為漿液的定量體積；δ 為實際額定裂隙寬度；R 為灌漿的填充半徑；A1為鉆孔深度以及傾斜角度等因素，是可變的綜合系數(shù)，一般的取值范圍為2~4。

4.1.2 灌漿參數(shù)

施工技術(shù)人員借助可視化仿真技術(shù)對灌漿參數(shù)進(jìn)行分析，針對基巖條件相對較好的灌漿段而言，技術(shù)人員可取其最大值；對破碎及存在裂隙的巖石段而言，可取其最小值。

根據(jù)帷幕限定公式，其灌漿段的注漿標(biāo)準(zhǔn)可用式（2）計算：

式中，Q 為實際注漿量；L 為灌漿段的實際長度；n 為灌漿區(qū)域的地層孔隙率；a 為灌漿的實際填充率，一般取值為0.8~1.0；β 為富余率，一般取值1.5。

在本次帷幕灌漿施工中， 施工技術(shù)人員通過可視化仿真系統(tǒng)對其灌漿壓力值進(jìn)行分析與計算，其壓力參考數(shù)值如表1所示。

表1 帷幕灌漿壓力參考表

除此之外，漿液的稠度受巖石吸水量影響，若起始水灰比重為5，之后依次使用3、2、1、0.8 等數(shù)值代替，其實際變化原則為：當(dāng)灌漿壓力不發(fā)生改變，其灌漿量減少時或漿液注入量不變，而壓力上升時，不會使水灰比進(jìn)行改變。 例如，灌漿量為300 L 以上時，或其灌漿時間為0.5 h，施工技術(shù)人員改變其一級水灰比，則其注入率將發(fā)生改變，其注入率將高于30 L/min。

4.1.3 灌漿施工技術(shù)要點

施工技術(shù)人員要甄選相對新鮮的硅酸鹽水泥，其水泥強(qiáng)度等級不得低于42.5，若發(fā)現(xiàn)水泥結(jié)塊，需對其結(jié)塊進(jìn)行清除。

本次施工使用三序灌漿法。 在進(jìn)行灌漿施工之前，需要對壩體以及壩基的邊際位置進(jìn)行灌漿。 當(dāng)鉆孔設(shè)備接觸巖石基面時，便可以使用回轉(zhuǎn)鉆來繼續(xù)工作，并使用干鉆法對基巖進(jìn)行鉆入，待進(jìn)入基巖0.5 m 后，將鉆頭提出，并在下方添加麻絨土球，并對其進(jìn)行套管，以此保證鉆孔內(nèi)壁與套管之間被土球填充，并使用清水鉆繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)基巖2 m 后，便是灌漿接觸段。灌漿壓力可采用0.05 MPa，以低壓填充的方式進(jìn)行灌漿，灌漿結(jié)束后，需等待24 h，在等待過程中，技術(shù)人員可借助可視化仿真技術(shù)，對其進(jìn)行全天候的數(shù)據(jù)觀測，以此保證灌漿施工質(zhì)量[2]。

4.2 帷幕灌漿質(zhì)量檢測

施工技術(shù)人員可借助可視化仿真技術(shù)對帷幕灌漿質(zhì)量進(jìn)行有效檢測[3]。 施工技術(shù)人員借助三維立體建模，對其灌漿檢查孔的位置進(jìn)行明晰。 然后對檢查孔進(jìn)行壓水試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，以此對當(dāng)前灌漿施工質(zhì)量進(jìn)行綜合評定。 其檢查孔布置表如表2 所示。

表2 檢查孔布置位置表

本次工程對檢查孔的檢測數(shù)量為總灌漿數(shù)量的10%，當(dāng)灌漿施工結(jié)束后，施工技術(shù)人員需在施工間隔14 d 后，對其進(jìn)行由上至下的分段式壓水試驗， 施工技術(shù)人員可借助五點法或是單點法進(jìn)行壓水試驗， 以此保證本次灌漿施工的質(zhì)量符合施工質(zhì)量要求，為后續(xù)施工奠定基礎(chǔ)。

除此之外， 施工技術(shù)人員還可借助可視化仿真技術(shù)構(gòu)建施工建材管理模型， 以此對灌漿施工所需建材進(jìn)行有效管理與保護(hù)。 施工技術(shù)人員需在施工建材使用前對其進(jìn)行質(zhì)量試驗，同時做好特殊建材的保護(hù)工作。 施工現(xiàn)場位于水庫，靠近大型水源，其施工現(xiàn)場的濕度相對較高，因此，施工技術(shù)人員需切實做好水泥防潮工作，以保證水泥建材的質(zhì)量，使其符合灌漿施工質(zhì)量要求， 從而最大限度地促進(jìn)水利水電工程的健康發(fā)展。

5 結(jié)語