閆福根 鄒德兵 閔征輝 肖偉

摘要：

針對(duì)巖溶帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)存在控制因素多、難以統(tǒng)籌定量分析、現(xiàn)行方法具有片面性等問(wèn)題，提出了基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的灌漿效果評(píng)價(jià)模型。首先構(gòu)建了模型因素集U、評(píng)價(jià)集V、評(píng)價(jià)矩陣R，然后確定了基于層次分析法的權(quán)系數(shù)向量D，通過(guò)模糊合成算子得到了決策集E，實(shí)現(xiàn)了灌漿效果多維度定量評(píng)價(jià)。并以構(gòu)皮灘水電站為例對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析，分析結(jié)果表明：提出的灌漿效果評(píng)價(jià)模型與現(xiàn)行傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法具有較好的同步性，但相較于現(xiàn)行方法，該模型不僅可反饋灌后巖體透水率，也可詮釋灌后巖體完整性和巖溶封堵程度，具有更高的評(píng)價(jià)維度和更全面真實(shí)的評(píng)價(jià)體系，具有廣闊的行業(yè)推廣前景。

關(guān) 鍵 詞：

帷幕灌漿； 巖溶； 模糊綜合評(píng)價(jià)； 構(gòu)皮灘水電站

中圖法分類號(hào)： TV72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.026

0 引 言

現(xiàn)行SL 62-2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5148-2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》均規(guī)定：“帷幕灌漿工程的質(zhì)量應(yīng)以檢查孔壓水試驗(yàn)成果為主，結(jié)合對(duì)施工記錄、施工成果資料和檢驗(yàn)測(cè)試資料的分析，進(jìn)行綜合評(píng)定”。馬家?guī)r水庫(kù)大壩［1］、新集水庫(kù)［2］、糯扎渡水電站大壩［3］、亭子口水電站大壩［4］等工程均采用了檢查孔壓水試驗(yàn)對(duì)帷幕灌漿進(jìn)行了評(píng)價(jià)，即通過(guò)檢查孔壓水試驗(yàn)獲取的Lugeon值，對(duì)灌后巖體的滲透性和整體性進(jìn)行分析。另外，張貴金等［5］考慮了檢查孔壓水試驗(yàn)和鉆孔取芯兩個(gè)方面因素，對(duì)帷幕灌漿耐久性進(jìn)行了定性分析。趙云等［6］從巖芯采取率、測(cè)孔斜、水泥結(jié)石統(tǒng)計(jì)、壓水試驗(yàn)等多個(gè)指標(biāo)對(duì)帷幕灌漿進(jìn)行綜合性定性評(píng)價(jià)。郝忠友、Roman等［7-8］分析了鉆孔取芯和孔內(nèi)錄像成果對(duì)帷幕灌漿效果的影響。上述研究成果更多局限于單因素對(duì)帷幕灌漿效果的影響，未能建立考慮多因素評(píng)價(jià)體系的帷幕灌漿效果定量評(píng)價(jià)模型。為了解決此難題，本文探索出一種全面定量評(píng)價(jià)巖溶帷幕灌漿效果的方法，提出了基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的巖溶帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)模型，利用檢查孔壓水試驗(yàn)透水率、檢查孔巖芯采取率和巖溶充填程度3個(gè)因素對(duì)帷幕灌漿效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，有效克服了透水率單一指標(biāo)評(píng)價(jià)的局限性，實(shí)現(xiàn)了耦合多指標(biāo)的帷幕灌漿效果定量評(píng)價(jià)。其中，檢查孔壓水試驗(yàn)透水率是現(xiàn)行帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，檢查孔巖芯采取率是反映灌后巖體裂隙發(fā)育情況和破碎程度的重要指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中也常常用來(lái)表示滲透性［9］。巖溶填充程度主要反映水泥漿液對(duì)溶洞、溶縫、溶腔的填充效果，其側(cè)重評(píng)價(jià)帷幕灌漿對(duì)巖溶處理效果，是對(duì)巖溶帷幕灌漿效果最為直接的體現(xiàn)。

1 灌漿效果評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

模糊綜合評(píng)價(jià)法［10-14］是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，其根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)，它具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)這類多因素控制、難以量化的非確定性問(wèn)題。

1.1 確定評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)集合

灌漿效果評(píng)價(jià)為多因素控制事件［15-17］，考慮到各評(píng)價(jià)因素的可得性及對(duì)灌漿效果的影響度，本文選取檢查孔壓水試驗(yàn)透水率、檢查孔巖芯采取率和巖溶充填程度這3個(gè)指標(biāo)作為灌漿效果評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)因素，評(píng)價(jià)因素集U可用式（1）表達(dá)。

1.4 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

利用層次分析法確定灌漿效果評(píng)價(jià)模型各元素的權(quán)重包括以下6個(gè)步驟：

（1） 分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，構(gòu)造包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層的層次結(jié)構(gòu)模型。其中目標(biāo)層為灌漿效果評(píng)價(jià)；準(zhǔn)則層包括巖體的滲透性和完整性；方案層包括檢查孔壓水試驗(yàn)透水率、檢查孔巖芯采取率值和巖溶充填程度。灌漿效果評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

（2） 對(duì)同一層次的各元素對(duì)于上一層次中某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，建立比較判斷矩陣。針對(duì)步驟（1）建立的層次結(jié)構(gòu)模型，帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)模型需建立3個(gè)判斷矩陣：即準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣A，方案層對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣B1和B2，各矩陣如表1～3所列。

2 灌漿效果評(píng)價(jià)模型求解

灌漿效果評(píng)價(jià)模型求解流程包括：確定因素集U、評(píng)價(jià)集V，構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣R，基于層次分析法確定權(quán)系數(shù)向量D，確定決策集E以及最終的灌漿效果評(píng)價(jià)值p，具體如圖2所示。

3 灌漿效果評(píng)價(jià)模型應(yīng)用實(shí)例

本文以構(gòu)皮灘水電站為例，選取右岸465 m灌漿平洞作為模型輸入條件，對(duì)應(yīng)帷幕灌漿范圍：沿壩軸線方向長(zhǎng)403 m，高程范圍350～465 m，灌后布置13個(gè)檢查孔和193個(gè)檢查孔段次，具體布置如圖3所示。

依據(jù)檢查孔壓水試驗(yàn)、巖芯照片及鉆孔電視獲取評(píng)價(jià)因素集U數(shù)據(jù)，其中透水率u1范圍值為0.02～7.34 Lu，巖芯采取率u2范圍值為54%～100%，巖溶充填程度u3為完全封堵、大部分封堵、部分封堵、小部分封堵和未封堵，評(píng)價(jià)因素集U數(shù)據(jù)如表6所列。

4 灌漿效果評(píng)價(jià)模型驗(yàn)證與分析

針對(duì)上一章計(jì)算實(shí)例，對(duì)現(xiàn)行巖溶帷幕灌漿評(píng)價(jià)方法和本文提出的巖溶帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)模型進(jìn)行對(duì)比分析。

（1） 方法一：現(xiàn)行巖溶帷幕灌漿評(píng)價(jià)方法。以檢查孔壓水試驗(yàn)透水率單因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，經(jīng)計(jì)算，第一單元、第二單元和第三單元的灌漿效果評(píng)價(jià)值分別為p1=4.64，p2=4.54和p3=4.06。

（2） 方法二：本文提出了基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的巖溶帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)模型。

兩種方法相差不大，說(shuō)明本文提出的灌漿評(píng)價(jià)方法與現(xiàn)行評(píng)價(jià)方法具有較好的同步性和一致性。

為進(jìn)一步分析兩種評(píng)價(jià)方法的差異，直觀體現(xiàn)各工程部位帷幕灌漿效果，本文將灌漿效果評(píng)價(jià)值精準(zhǔn)至193個(gè)檢查孔孔段，提煉出灌漿效果評(píng)價(jià)云圖，如圖4所示。

（1） 圖4（a）中灌漿效果評(píng)價(jià)值基本大于4，圖4（b）中評(píng)價(jià)值為2.9～4.5，后者評(píng)價(jià)值更分散。其原因?yàn)椋悍椒ㄒ徊捎脝我辉u(píng)價(jià)指標(biāo)，區(qū)域內(nèi)檢查孔透水率基本小于1 Lu，平均值達(dá)到0.3 Lu，因此其評(píng)價(jià)值基本大于4。方法二同時(shí)考慮了巖芯采取率和巖溶充填程度，區(qū)域內(nèi)巖芯采取率值為54%～99%，部分區(qū)域巖芯采取率較低，巖溶整體封堵較好，但局部存在未完全封堵溶洞，因此其評(píng)價(jià)值為2.9～4.5，方法二評(píng)價(jià)值雖然低些，但更科學(xué)全面。

（2） 圖4（a）中A區(qū)域灌漿效果評(píng)價(jià)值大于4，圖4（b）中對(duì)應(yīng)區(qū)域評(píng)價(jià)值為3.0～3.9。其原因?yàn)椋弘m然A區(qū)域巖體透水率小于1 Lu，但該區(qū)域檢查孔R(shí)465-10巖芯采取率僅為64%，采取率較低，巖體較為破碎。同時(shí)，鉆孔電視顯示檢查孔R(shí)465-10在孔深29.3～30.8 m和60.8～63.0 m處仍然存在沒(méi)有被完全封堵的溶洞，所以對(duì)于A區(qū)域方法二評(píng)價(jià)值低于方法一，說(shuō)明帷幕體仍存在薄弱環(huán)節(jié)，A區(qū)域應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿。

（3） 圖4（a）中B區(qū)域分布兩處灌漿效果評(píng)價(jià)值為2～3的區(qū)域，圖4（b）中對(duì)應(yīng)區(qū)域評(píng)價(jià)值則基本大于4。其原因?yàn)椋弘m然B區(qū)域巖體透水率大于1 Lu，但該區(qū)域檢查孔R(shí)465-17巖芯采取率達(dá)到95%，鉆孔電視顯示該區(qū)域無(wú)未被封堵的溶洞，說(shuō)明該區(qū)域的巖溶得到較好地充填，灌后巖體完整性較好，灌漿取得了良好的效果，透水率較大不能反映實(shí)際的灌漿效果。

為了更好地對(duì)比分析兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，本文繪制了兩種方法灌漿效果三維圖，如圖5所示。

從圖5可以看到：圖（a）和圖（b）總體起伏較同步，說(shuō)明兩種方法對(duì)灌漿效果評(píng)價(jià)結(jié)論具有較好的一致性。圖（a）整體平坦，局部區(qū)域出現(xiàn)凸凹點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)評(píng)價(jià)值相差不大；圖（b）凸凹程度更為明顯，區(qū)域內(nèi)評(píng)價(jià)值差值較圖（a）大。其原因是，圖（b）的評(píng)價(jià)值是對(duì)灌后巖體的透水性、巖體完整性和巖溶充填程度的全面反映，較圖（a）更能代表實(shí)際灌漿所取得的效果。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)巖溶帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)存在控制因素多、難以統(tǒng)籌量化等難題，提出了基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的巖溶帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了灌漿效果多維度、多角度的綜合評(píng)價(jià)，并以構(gòu)皮灘水電站為例對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得出如下結(jié)論。

（1） 本文提出的灌漿效果評(píng)價(jià)模型與現(xiàn)行評(píng)價(jià)方法具有較好的同步性和一致性。

（2） 巖芯照片及鉆孔錄像揭示：局部區(qū)域A巖芯采取率為64%、高程29.3～30.8 m和60.8～63.0 m存在未完全封堵溶腔，透水率小于1 Lu，現(xiàn)行評(píng)價(jià)方法僅考慮了透水率，認(rèn)為灌漿效果良好，實(shí)際該區(qū)域巖體完整性較差且存在未完全充填溶腔，說(shuō)明該區(qū)域需要進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)灌漿。

（3） 巖芯照片及鉆孔錄像揭示：局部區(qū)域B檢查孔巖芯采取率為95%，無(wú)未被封堵的溶洞，透水率大于1 Lu，現(xiàn)行評(píng)價(jià)方法僅考慮了透水率，認(rèn)為灌漿效果一般，實(shí)際該區(qū)域巖溶得到較好的充填，灌后巖體完整性較好，灌漿取得了良好的效果，透水率較大不能反映實(shí)際的灌漿效果。

綜上認(rèn)為：相較于現(xiàn)行評(píng)價(jià)方法，本文提出的評(píng)價(jià)模型不僅反映了灌后巖體透水率，也詮釋了灌后巖體完整性和巖溶封堵程度，具有更高的評(píng)價(jià)維度和更全面的評(píng)價(jià)體系，具有較好的行業(yè)推廣前景。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

Aiming at the problems of many control factors，difficulty in overall quantitative analysis，and one-sidedness of current method in the evaluation of karst curtain grouting，this paper proposed a grouting effect evaluation model based on fuzzy comprehensive evaluation method.Firstly constructing a model factor set U，an evaluation set V，and an evaluation matrix R.Then the weight coefficient vector D based on AHP was determined，the decision set E was obtained through the fuzzy synthesis operator，and the multi-dimensional quantitative evaluation of the grouting effect was realized.The model was verified and analyzed by Goupitan Hydropower Station.It showed that the evaluation model of grouting effect proposed in this paper had good synchronization with the current method.Compared with current the method，the proposed model can not only feeds back the water permeability of the rock mass after grouting，but also interpret the integrity of rock mass and the sealing degree of karst after grouting.This model has a higher evaluation dimensions and more comprehensive and real evaluation system，and has broad prospects for industrial promotion.

Key words：

curtain grouting；karst；fuzzy comprehensive evaluation；Goupitan Hydropower Station