基于BIM的水利水电灌浆工程管理系统研发与应用
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作者:黄灿新 王团乐 施炎 孙云山 王梓帆
摘要：水利水电灌浆工程具有“作业隐蔽、数据量大、经验性强、涉及专业多”等特点，其质量控制与管理是行业长期面临的难题。以全生命周期、多专业协同的管理理念为指导，以网络数据库、三维可视化、面向对象编程等技术为手段，通过开发地质数据管理与建模、灌浆参数化设计、三维可视化展示与分析、灌浆资料整理与输出、渗流渗压监测等五大模块，构建了基于BIM技术的水利水电灌浆工程管理系统。在此基础上，研究了基于BIM管理系统的灌浆工程分析方法，并以乌东德水电站为实例开展工程应用。实践表明：该系统可有效减少灌浆施工过程的盲目性、提高灌浆分析的针对性，实现“施工过程透明、灌浆数据有效、设计参数动态、成果资料共享”的目标，可为隐蔽灌浆工程的质量控制与管理提供技术支撑。
关 键 词：灌浆工程; BIM管理系统; 三维可视化; 全生命周期; 多专业协同; 乌东德水电站
中图法分类号： TV543
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.09.032
0 引 言
灌浆工程是水利水电基础处理过程中常用的工程措施，其特点包括以下几个方面：① 作业隐蔽，地质条件存在不确定性，浆液的流动和扩散过程具有隐蔽性;② 数据量大，仅灌浆施工就包括了海量的过程数据及成果数据;③ 经验性强，方案多是根据经验进行系统性设计，且较少更改;④ 涉及专业多，灌浆本身是一种集勘测、设计、施工、检测平行或交叉进行的作业，需要多专业协同。传统灌浆工程因缺乏有效的分析工具与方法，使得灌浆施工在地质指导性、数据有效性、设计针对性、专业协同性等方面存在不足，其质量控制长期以来成为行业难题[1-2]。
针对传统灌浆工程面临的不足，将BIM（Building Information Modeling）技术应用至灌浆施工全过程，可为解决灌浆质量控制难题提供思路。通过对现场施工数据进行实时监控与采集，基于BIM模型对灌浆数据进行三维可视化，定量分析灌浆工程的可靠性，减小其不确定性，并进行反向设计和动态设计，同时将设计结果动态反馈至施工现场，以达到实时控制施工质量的目的（见图1）。
上述目标的实现需要一种针对灌浆工程的BIM管理系统。国内部分企业或高校，在向家坝[2-3]、溪洛渡[3]、大岗山[4]等水电站建设过程中开发了一些灌浆管理系统，但这些系统多是服务于成果资料的整理与统计方面，难以满足实际需求。为充分发挥直观性、可分析性、可共享性、可协同性的BIM核心价值，体现“全面感知、真实分析、实时控制”[5]的智能化建设理念，本文从工程实际需求出发，设计了一款水利水电灌浆工程BIM管理系统，并提出一种基于BIM管理系统的灌浆工程质量控制与分析方法，以乌东德水电站帷幕灌浆为例，验证BIM管理系统在实际工程中的应用效果。
1 灌浆BIM管理系统设计
1.1 系统设计原则
灌浆BIM管理系统的设计过程遵循以下原则：
（1） 全生命周期。灌浆BIM管理系统从勘测设计阶段、灌浆施工全过程、运行维护阶段对灌浆工程涉及的相关数据进行管理。
（2） 多专业协同。系统应面向包括地质勘测、渗控设计、灌浆施工、检测试验、工程管理、运行维护等各专业人员的业务需求，并提供一个统一的协同分析平台（见图2）。
（3） 唯一数据源。系统应提供一个集成的数据中心，所有数据均存储于网络服务器，确保数据来源唯一。
（4） 参数化建模。系统应充分发挥BIM技术的核心价值，通过参数化建模的思想，实现灌浆BIM模型的快速构建。
（5） 数据互联互通。系统通过无线网络与现场灌浆施工控制系统实现数据的互联互通，可实时获取灌浆施工过程数据，并根据分析结果，将优化后的设计方案以设计参数表的形式反馈至现场施工控制系统，指导现场施工。
1.2 总体设计
BIM管理系统总体结构框架如图3所示。
信息采集层包括现场地质编录、现场物探检测、现场质量检查资料的收集，通过人工录入的方式进入数据库。智能灌浆记录仪及自动化监测仪器则通^标准数据接口的开发实现数据实时获取。数据层则包括地质数据库、灌浆数据库、监测数据库、模型数据库以及管理类数据库。平台层主要指三维可视化平台，为整个系统提供强大的图形平台，用于BIM模型的三维显示、编辑、属性查询，以及各类数据可视化及空间耦合。应用层将操作界面和业务模块提供给最终用户，包括地质数据管理与建模、灌浆参数化设计、三维可视化展示与分析、灌浆资料整理与输出、渗流渗压监测五大模块。最终用户包括设计人员、管理人员、施工人员、监理人员、检测人员等参建各方。
1.3 系统功能设计
根据对灌浆工程各专业的需求分析，灌浆BIM管理系统设计五大功能模块（见图4），分述如下：
（1） 地质数据管理与建模，主要包括地质数据管理与地质建模两大功能。地质数据管理用于与灌浆工程相关的钻孔、平洞、物探以及测试等地质数据及文件资料的录入、编辑与管理，同时提供一定的数据统计功能。建模功能以地质数据库中的数据为基础，采用约束与插值技术，通过单一命令组合的方式实现由“点-线-面-体”复杂地质体的建模。另外，对特定的地质体类型或资料来源，也可通过操作引导，实现流程化快速建模。
（2） 灌浆参数化设计，主要用于实现帷幕、固结灌浆孔、排水孔的参数化快速建模。帷幕灌浆设计流程如下：①确定帷幕方案（即帷幕的空间边界）;②以排数、排距、孔距、孔向、孔深等为参数，批量建立钻孔三维模型;③拟定工艺参数组合方案，并批量赋予钻孔。排水孔、固结灌浆孔设计方法与之类似。
（3） 三维可视化展示与分析，用于实现灌浆工程相关信息的可视化展示，同时基于BIM模型对灌浆数据进行快速分析。其中信息展示与查询功能用以展现地质、设计及施工信息，并提供相关信息的查询功能;灌浆过程监控与控制功能，可实时访问现场智能灌浆管理系统，为灌浆记录仪配置设计参数数据，同时可获取现场灌浆实时成果，并提供灌浆异常报警功能。数据筛选功能，提供工程部位、灌浆参数、地质条件3种条件筛选方式以及手动勾选的筛选方式。数据分析功能包括频数分析、相关分析与回归分析，主要用于分析透水率、注入量等成果数据的频率分布、相关性及其数学模型。分析应用是指系统综合BIM模型、灌浆施工数据及检测成果数据等，对所选的灌浆区域进行自动化分析，包括地质条件预测、灌浆效果模拟、施工进程模拟、灌浆分析简报等。其中，地质条件预测是指系统自动对所选灌浆孔与三维模型进行三维空间交切运算，并对每个灌浆孔赋予相应的地质信息，并以表格形式输出;施工进程模拟是指利用获取的灌浆施工数据，在三维空间下动态模拟灌浆施工进度;灌浆效果模拟是指根据分排、分序施工进程，动态模拟岩体渗透性或岩体质量的变化情况，以评价灌浆效果;灌浆分析简报是指系统以标准模板为基础，自动生成灌浆分析简报。
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（4） 灌浆资料整理与输出，用于自动整理并生成SL 62-2014《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》中所规定的灌浆施工、检验测试等成果图表，包括灌浆成果统计表、灌浆孔平面布置图、灌浆综合剖面图、频率曲线图、渗透剖面图、检查孔成果表、先导孔（检查孔）钻孔柱状图等。
（5） 渗流渗压监测模块，用以实现渗流渗压监测点的三维布设、查询;通过连接渗压计、量水堰等自动化监测设备或人工录入等方式，实现渗流渗压监测数据的实时查询，用以评价帷幕的运行情况。
2 基于BIM管理系统的灌浆工程分析方法
为解决传统灌浆分析在直观性、针对性、有效性方面存在的不足，本文提出了一种基于BIM管理系统的灌浆工程全过程动态分析方法（见图5），其特征包括以下步骤。
2.1 建立灌浆BIM模型
（1） 利用平洞开挖地质资料、施工前勘探资料，通过地质数据管理与建模模块，建立灌浆工程三维地质模型。
（2） 利用灌浆参数化设计模块，在建筑物模型基础上，统筹考虑地质条件，快速建立灌浆孔三维模型，并批量赋予工艺参数信息，从而生成耦合灌浆孔及地质模型的灌浆工程BIM模型。
2.2 灌前预测预判
（1） 本单元工程施工前，在三维可视化展示与分析模块中，通过灌浆孔模型与地质模型进行三维空间交切运算，计算每个灌浆孔穿越地质体的空间位置，并根据灌浆孔分段情况，对每个灌浆段赋予地质信息，从而在灌前实现灌浆段地质条件的预测。
（2） 本单元工程内灌浆先导孔钻探施工完成后，现场采集先导孔岩芯及孔内电视地质资料，通过先导孔的实测地质条件与预测地质条件进行对比，检验地质模型的准确性。若先导孔揭露的地质资料与预测不一致，则利用先导孔成果进一步更新地质模型，并重复步骤（1）;若先导孔揭露的地质资料与预测一致，则说明模型准确性较高。
（3） 收集本单元工程施工之前已完成的灌浆成果，通过回归分析或神经网络等方法，建立以岩性、序次、设计压力、压水吕荣值为因子的单位注灰量预测模型。
2.3 灌中质量控制
（1） 先导孔之间的灌浆孔施工开始后，BIM管理系统自动访问现场灌浆记录仪，获取压水试验成果数据，根据预测模型自动计算单位注灰量预测值。同时，获取流量、密度、抬动观测值、单位注灰量等实时数据。
（2） 实时数据分析，比较单位注灰量实时数据与预测值的大小。当实际值远小于预测值时，可采取增大灌浆压力等方式;当实际值远大于预测值时，可增大浆液密度;当二者相当时，正常灌浆至结束。
（3） 成果数据分析。该段灌浆施工完成后，获取成果数据，利用BIM管理系统直观展示透水率、单位注灰量空间分布情况，分析是否存在集中大透水率或大注入量现象。不存在时，继续灌注下一段，重复步骤（1）。
（4） 地质条件复核。当出现集中大透水率或大注入量现象时，先查询BIM模型中是否存在特殊地质体，如果模型中不存在，则通过孔内电视或钻孔取芯开展补充勘察工作，确定特殊地质体的空间范围及性状。
（5） 特殊地质体效果评价。以特殊地质体空间范围为边界，筛选已完成的灌浆成果数据，分析可灌性等灌浆特性，评价灌浆效果。
（6） 工艺调整。当效果较好时，继续灌注下一段;当效果不好时，根据步骤（5）中的分析结果，调整设计方案或施工工艺后再继续灌注下一段。
2.4 灌后效果评价
（1） 本单元所有灌浆孔施工完成后，利用BIM管理系统快速生成单元工程单位注灰量与透水率成果统计表、区间分布图、频率曲线图、散点关系图、综合剖面图等成果图表。
（2） 以单元工程为基本对象，分析不同孔排、不同次序的岩体吕荣值或声波值改善情况，评价灌浆效果，总结岩体的可灌性、设计参数的合理性以及灌浆工艺的适宜性，并后续的灌浆设计方案进行持续动态优化。
3 工程实例及应用
乌东德水电站大坝两岸防渗帷幕线路全长1 865 km，防渗帷幕底线于坝基及近岸段伸入透水率≤1 Lu的岩体，远岸段伸入透水率≤3 Lu的岩体。两岸皆采用6层灌浆平洞分层搭接的形式，相互连接形成一个完整的库水防渗帷幕。灌浆平洞自上而下分布高程分别为988，945，890（895），850，780，733 m[6]。主防渗帷幕穿越地层主要为浅变质的碳酸盐岩，存在断层、岩溶（溶洞、溶缝、溶蚀风化区）、角砾岩等不良地质体[7]。大坝防渗帷幕自2018年4月开始施工，至2020年9月完成施工。施工过程中，开展了灌浆BIM管理系统的工程应用。
3.1 灌浆BIM模型
以前期勘探、灌浆平洞开挖等揭露地质资料为依据，利用地质数据管理与建模模块，建立乌东德水电站大坝防渗帷幕区的地质模型，地质模型包括地层、断层、长大裂隙、剪切带、不良地质体等的空间位置信息及地质属性信息。施工过程中，利用灌浆先导孔揭露的地质资料，动态更新三维模型。
利用灌浆孔参数化设计模块，以帷幕线路、排数、排距、孔距、孔深、孔向等为参数，批量建立灌浆三维设计模型，并根据技术要求，对灌浆孔批量赋予工艺参数信息，包括灌浆段长划分、灌浆方法、水泥类型、水灰比、分级注入量、结束标准、抬动控制标准等。耦合后地质模型及灌浆孔模型如图6所示。
3.2 地质条件预测
右岸高程850 m灌浆平洞第5单元施工前，在BIM管理系统中进行三维空间运算，计算灌浆孔所处地质条件。系统可在三维环境下查询任意单孔地质条件，同时也可批量输出灌浆孔段地质条件预测表（见表1）。如存在特殊地质体，可将特殊地质体的灌浆段进行标注，并传输至现场灌浆施工控制系统，提醒现场施工人员及参建各方重点关注。
3.3 单位注灰量预测模型
单位注灰量的影响因素包括灌浆段裂隙发育程度、宽度、导水率等地质特征以及浆液性质、密度、灌浆压力等工艺特征[8]。实际工程中灌浆段的地质特征参数往往难以获取，灌前压水吕荣值、灌浆压力等特征参数与单位注灰量之间也没有明显的线性关系，因此想要准确预测单位注灰量是一项十分困难的工作。一种可行的办法是，根据不同工程区特点及经验，将单位注灰量进行分级，采用BP神经网络或回归分析预测单位注灰量级别，作为灌浆施工实时控制的参考指标。当实际注入量小于预测值时，可加大压力或延长灌浆时间;当实际注入量远大于预测值时，可加大浆液浓度或待凝等方式。
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选择右岸850 m以下共计475段灌浆成果，其中367段为训练样本，108段为检验样本，选择岩性、序次、透水率、灌浆压力作为因子，根据乌东德帷幕工程单位注灰量分级标准（见表2），采用BP神经网络，建立注入量级别预测模型。结果表明，训练样本预测成功率为70%，检验样本预测成功率达74%，见表3。
3.4 灌中异常分析
如图7所示，右岸850 m灌浆平洞第5单元帷幕施工过程中，出现集中大透水率情况，表明地质条件出现异常。此时进行补充勘察，查明导致透水率偏大的原因是在Pt2l3-1灰岩地层中存在一处封闭的角砾岩溶蚀区，利用灌浆孔进一步查明溶蚀区的空间范围、性状，并动态更新三维地质模型。
第一排灌浆完成后，以溶蚀区为边界，BIM管理系统自动计算灌浆段与溶蚀区地质模型的空间关系，筛选模型范围内的灌浆段，并根据需要自动统计灌浆成果数据，如图8所示。
随着序次增加，透水率均值无明显递减规律，合格率（<1 Lu频率）无明显增加，单位注灰量递减幅度不明显，不符合一般灌浆规律，表明当前工艺下角砾岩溶蚀区灌浆效果不佳。为确保帷幕质量，设计在第5单元原有帷幕的基础上又新增一排灌浆孔补强，新增灌浆孔采用化学+超细水泥浆液进行同孔复合灌浆。
3.5 灌后效果评价
右岸850 m灌浆平洞第5单元原设计帷幕及补强帷幕施工完成后，利用BIM管理系统自动生成规范要求的相关成果图表。图9分别为单位注灰量、灌后压水检查频率曲线图。从图中可以看出，第5单元补强帷幕注入量与原设计帷幕相差不大，但灌后透水率得到明显改善，合格率达90%以上，灌浆效果较好。
4 应用效果及展望
在乌东德水电站防渗帷幕施工过程中，利用BIM管理系统，在事前对每个灌浆孔穿越的勘探平洞、长大裂隙、岩溶区、断层等进行预测，提前采取相应的措施：对于遇勘探平洞的孔段，提前先采用浓浆封灌，避免浆液浪费;遇长大裂隙的孔段则需提前优化施工顺序，防止串浆情况的发生;岩溶区采取对应的岩溶灌浆工艺;而对于不同性状的断层，则采取针对性的灌浆处理措施。在事中实时优化灌浆策略，有效保障了灌浆质量，灌后压水检查合格率（<1 Lu）达99%，满足设计要求。事后，通^对成果数据的快速分析，在后续施工过程中持续优化设计方案，如优化了基础廊道第三排部分帷幕灌浆孔，缩短帷幕进尺7 525 m。
本文从实际工程需求出发，研发了一款面向全生命周期管理、多专业协同共享的灌浆BIM管理系统，提出了一种基于BIM管理系统的灌浆全过程分析方法。工程应用结果表明：
（1） 灌浆BIM管理系统可充分发挥BIM技术的核心价值，有效减小灌浆施工过程中的盲目性，提高灌浆分析的直观性、针对性、有效性。
（2） 基于BIM管理系统的灌浆分析方法可从事前、事中、事后全过程对灌浆质量进行分析与控制，突破了传统分析多集中于灌后评价的局限性，实现“施工过程透明、灌浆数据有效、设计参数动态、成果资料共享”的目标，对保证灌浆质量、避免投资浪费具有重要指导意义。
（3） 随着灌浆工程信息化程度的提高，基于数据实时采集、深度融合与动态反馈的灌浆设计，应从理论上进一步完善，建立标准化的动态设计方法与流程，推动灌浆工程向精细化的目标发展。
（4） 在运维阶段除了对幕后渗流渗压监测数据进行集成管理外，还应进一步研究基于监测数据的渗流场实时计算方法，并实现三维渗流场的直观展示与动态预测，从而为工程运行期的长久安全提供支撑。
参考文献：
[1] 夏可风.夏可风灌浆技术文集[M].北京：中国水利水电出版社，2015.
[2] 闫福根，缪正建，李明超，等.基于三维地质模型的坝基灌浆工程可视化分析[J].岩土工程学报，2012，34（3）：567-572.
[3] 饶小康，姚振和.溪洛渡水电站灌浆网络管理信息系统设计与开发[J].水电能源科学，2013，31（9）：186-188.
[4] 饶小康，王晖.基于B/S结构的灌浆数字化系统在水利工程中的应用[J].长江科学院院报，2013，30（2）：79-83.
[5] 樊启祥，林鹏，魏鹏程，等.智能建造闭环控制理论[J].清华大学学报（自然科学版），2021，61（7）：660-670.
[6] 李会中，黄孝泉，向家菠.金沙江乌东德水电站可行性研究报告 第四篇：工程地质[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2015.
[7] 向家菠，王团乐，倪凯军，等.乌东德水电站大坝防渗帷幕成幕影响地质因素分析及处理措施[J].吉林大学学报（地球科学版），2018，48（5）：1581-1588.
[8] 罗平平.裂隙岩体可灌性及灌浆数值模拟研究[D].南京：河海大学，2006.
（编辑：郑 毅）
Design and application of management system based on BIM technology in water conservancy and hydropower grouting project
HUANG Canxin1，WANG Tuanle2，SHI Yan2，SUN Yunshan1，WANG Zifan2
（1.China Three Gorges Projects Development Co.，Ltd.，Chengdu 610041，China; 2.Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）
Abstract：
Water conservancy and hydropower grouting engineering has the characteristics of concealed operation，large amount of data，strong dependence on experience，multi-sector involvement，its quality control and management are long-term problems faced by the industry.Guided by the management concept of lifecycle and multi-professional collaboration，the technology of network database，3D visualization technology，object-oriented programming，etc，were used to develop a water conservancy and hydropower grouting project management system based on BIM technology，which included five major modules of geological data management and modeling，grouting parametric design，3D visualization display and analysis，grouting data sorting and output，and seepage quantity and seepage pressure monitoring.We studied the analysis method of grouting engineering based on the proposed system aiming at the Wudongde Hydropower Station.The practice showed that the system could effectively reduce blindness in the grouting construction process，improve the pertinence of grouting analysis，and achieve the goal of transparency in the construction process，effective grouting data，dynamic design parameters，and sharing of results and data，thus providing technical support for the control and management of grouting quality.
Key words：
grouting engineering;BIM management system;3D visualization;lifecycle;multi-professional collaboration;Wudongde Hydropower Station
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