水利水电工程坝基灌浆统一模型与分析理论及应用

【摘要】：灌浆作为大坝坝基加固的重要手段，其不仅可以改善坝基的性能，提高坝基的整体性，并能有效的降低坝基的渗透性，是解决坝基渗透稳定、不均匀沉降和深层抗滑稳定等问题的重要工程措施。然而目前的坝基灌浆工程面临着灌浆孔的地质条件难以预测、灌浆施工过程难以控制、施工工艺复杂、海量的灌浆数据如何及时有效整理、灌浆效果如何全面的评价以及缺乏一个综合管理平台等关键性问题。如何解决这些问题，成为目前灌浆工程的挑战，本文就上述问题展开深入的研究分析，并取得了以下创新性研究成果： （1）提出了水利水电工程灌浆统一模型数学模型和建模理论与方法 针对灌浆工程对灌浆孔地质信息认识不足的问题以及目前的三维建模研究成果并不能真正应用到实际灌浆工程中的现状；本文结合灌浆工程的特点，提出了灌浆统一模型数学模型，并依据各类模型建模方法所需原始数据的类型，对数据源进行了有效的分类分析，最终实现各类数据源的有效解析和空间三维耦合；同时，在此基础上提出灌浆工程多尺度建模理论和方法，分别建立了大尺度地质体模型、中尺度灌浆孔模型、小尺度裂隙模型和灌浆辅助建筑物模型，通过数学模型中的耦合算子，有效的表达了各类模型的三维空间耦合关系，从而为基于灌浆统一模型的灌浆孔地质条件预测等分析控制方法提供了必要的理论支撑。 （2）提出了水利水电工程灌浆施工数据实时采集与监控分析方法 针对实际灌浆工程施工过程难以控制的问题以及目前的实时控制方法只限于施工现场，其难以满足实际工程对施工过程远程实时监控的需求；本文从灌浆工程施工过程的数据采集、监控和动态整理的角度出发，建立了灌浆施工数据实时采集与集成方法、灌浆施工实时监控与报警方法和灌浆数据动态整理与分析方法；在此基础上，进一步研究了灌浆施工过程监测网络组建技术、Web环境下文件接口上传及unity插件技术、灌浆报警类型及判定标准分析方法、灌浆报警分析模型和灌浆数据动态整理与分析技术。上述方法的实现有效地保证灌浆工程师对整个灌浆施工过程的远程监控、实时地获取灌浆异常报警信息，而且可以及时地掌握各施工单元的灌浆成果数据，从而保证了整个灌浆始终处于受控状态。 （3）基于灌浆统一模型及实时监控技术的分析方法研究 由于灌浆工程为地下隐蔽工程，所以对灌浆孔地质条件的准确预测对灌浆分析控制十分重要；然而目前的分析方法只是结合二维地质剖面对灌浆孔的地质信息进行分析，其影响了分析结果的准确性；进一步这些方法并没有与实时的灌浆数据相结合进行分析，这也限制了这些方法在实际工程的应用。本文结合灌浆统一模型与实时监控技术，通过耦合灌浆数据、三维地质模型和灌浆孔模型，实现了对灌浆孔地质条件的预测，并在此基础上提出了灌浆工程复杂地质信息预报分析方法、灌浆工程岩体抬动控制分析方法、灌浆工程灌浆参数可视化分析方法、灌浆工程岩体可灌性分析方法以及基于遗传神经网络的单位注灰量预测分析方法；上述分析方法有效地降低了灌浆工程对地质条件认识的盲目性，减少了实际灌浆工程的抬动发生，为灌浆工程师优化灌浆孔的布置，调整灌浆孔的施工工艺提供必要的技术支持，从而也保证了整个灌浆工程的质量。 （4）基于模糊综合评价法的灌浆效果评价模型研究 目前实际灌浆工程的帷幕灌浆效果评价方法，是将检查孔的压水试验透水率作为唯一的评价指标，然而灌浆是否有效地对岩体的裂隙进行了填充以及岩体的完整性是否通过灌浆得到了提高，目前的评价方法并没有体现；这将给工程蓄水后坝基渗控问题带来很大的隐患。因此，提出了基于模糊综合评价法的灌浆效果评价模型，该模型同时考虑了压水试验透水率、裂隙的水泥填充率、岩体的RQD值等三个方面因素的综合影响，建立了基于模糊综合评价法的灌浆效果评价模型。比较传统的压水试验单因素评价方法，本文建立的模型综合反映了灌后岩体的透水性、裂隙的水泥填充情况以及岩体的完整性，其评价结果更为全面合理，也为后续灌浆施工提供了更为可靠的依据。 （5）建立水利水电工程灌浆施工实时监控与灌浆统一模型分析系统 针对灌浆工程缺乏一个包含各阶段信息的三维综合管理平台以及目前的系统多为二维角度的分析整理，并且其主要是灌浆施工阶段信息集成，对于地质信息、设计信息、灌后检查信息以及材料核销等信息综合集成鲜有研究的现状，本文结合实际灌浆工程的需要和实时监控与灌浆统一模型理论和方法，采用数据库技术、计算机图形处理技术、面向对象技术和三维可视化技术，自主研发了基于B/S结构的水利水电工程灌浆施工实时监控与灌浆统一模型分析系统，系统从三维的角度为工程管理人员提供了灌浆各阶段控制分析平台。 以我国西南金沙江下游某水电站为例，将上述的研究成果的理论、方法、技术和系统应用到实际工程中，实践表明本文的研究的内容，有效地保证灌浆工程的质量和进度，甚至对整个工程的长期渗控稳定运行起到了重要的作用。 【关键词】：灌浆工程 灌浆统一模型 实时监控技术 灌浆分析方法 灌浆效果评价 灌浆分析系统
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV543
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 问题的提出13-15
• 1.1.1 研究背景和意义13-14
• 1.1.2 问题的提出14-15
• 1.2 国内外研究现状15-22
• 1.2.1 水利水电工程灌浆地质建模技术研究现状15-17
• 1.2.2 水利水电工程坝基灌浆分析研究现状17-21
• 1.2.3 已有研究的局限性21-22
• 1.3 本文研究思路与主要内容22-25
• 1.3.1 研究思路22
• 1.3.2 主要内容22-25
• 第二章 水利水电工程坝基灌浆统一模型的数学模型及建模理论与方法25-45
• 2.1 灌浆统一模型数学模型的建立25-26
• 2.2 水利水电工程灌浆统一模型数据源及可视化集成分析26-31
• 2.2.1 数据来源分析与分类方法研究26-30
• 2.2.2 灌浆统一模型数据耦合集成与可视化原理30-31
• 2.3 水利水电工程坝基灌浆统一模型多尺度建模理论和方法31-43
• 2.3.1 大尺度确定性结构面多重地质体三维建模理论方法31-34
• 2.3.2 中尺度灌浆孔三维建模理论方法34-36
• 2.3.3 小尺度裂隙结构面三维建模理论方法36-42
• 2.3.4 灌浆辅助建筑物建模42-43
• 2.4 水利水电工程坝基灌浆统一模型的建立43-44
• 2.4.1 统一模型的建立43
• 2.4.2 基于灌浆统一模型的分析方法原理43-44
• 2.5 本章小结44-45
• 第三章 水利水电工程坝基灌浆施工数据实时采集与分析方法45-56
• 3.1 内容概述45-46
• 3.2 灌浆施工数据实时采集与集成方法46-49
• 3.2.1 灌浆施工过程监测网络组建技术47-48
• 3.2.2 Web 环境下文件接口上传及 unity 插件技术48-49
• 3.3 灌浆施工实时监控与报警方法49-53
• 3.3.1 灌浆参数实时监控方法50
• 3.3.2 灌浆施工报警方法50-53
• 3.4 灌浆数据动态整理与分析方法53-55
• 3.4.1 灌浆数据动态整理与分析的必要性53-54
• 3.4.2 灌浆数据动态整理与分析的实现54-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 基于灌浆统一模型及实时监控技术的分析方法56-82
• 4.1 灌浆工程复杂地质信息预报分析方法56-63
• 4.1.1 复杂地质信息预测分析算法57-58
• 4.1.2 灌浆工程地质信息可视化方法58-63
• 4.2 灌浆工程抬动分析控制方法63-67
• 4.2.1 抬动分析控制模型63-65
• 4.2.2 灌浆抬动控制可视化方法65-67
• 4.3 灌浆工程灌浆参数可视化分析方法67-72
• 4.3.1 灌浆参数区间分级及分析方法68-70
• 4.3.2 灌浆参数可视化分析70-72
• 4.4 灌浆工程岩体可灌性分析与方法72-76
• 4.4.1 基于透水性的岩体分类方法73-74
• 4.4.2 岩体可灌性分析方法74-76
• 4.5 基于遗传神经网络的灌浆工程单位注灰量预测方法76-81
• 4.5.1 遗传神经网络方法76-78
• 4.5.2 遗传神经网络在灌浆工程单位注灰量预测中的应用78-81
• 4.6 本章小结81-82
• 第五章 基于模糊综合评价法的灌浆效果评价模型82-97
• 5.1 灌浆效果评价模型的建立82-89
• 5.1.1 确立评价因素和评价集83
• 5.1.2 构造评价矩阵83-84
• 5.1.3 评价指标的权系数向量84
• 5.1.4 评价指标权重的确定84-88
• 5.1.5 确定模糊合成算子88
• 5.1.6 决策判断88-89
• 5.2 灌浆效果评价模型的求解与计算分析89-96
• 5.2.1 求解流程89-90
• 5.2.2 边界条件及计算结果90-93
• 5.2.3 模型计算结果对比分析93-96
• 5.3 本章小结96-97
• 第六章 水利水电工程灌浆施工实时监控与统一模型分析系统97-127
• 6.1 系统需求分析98-99
• 6.2 系统设计99-104
• 6.2.1 系统的总体设计99-100
• 6.2.2 系统设计原则100-101
• 6.2.3 系统的功能设计101-103
• 6.2.4 系统数据库和系统界面设计103-104
• 6.3 系统功能的实现104-125
• 6.3.1 数据的采集与导入模块104-105
• 6.3.2 实时数据监控模块105-106
• 6.3.3 灌浆设计信息模块106-107
• 6.3.4 灌浆成果分析模块107-112
• 6.3.5 灌后检查分析模块112-114
• 6.3.6 灌浆统一模型分析模块114-124
• 6.3.7 材料核销124
• 6.3.8 成果共享124-125
• 6.3.9 进度报告125
• 6.3.10 系统管理125
• 6.4 本章小结125-127
• 第七章 工程应用127-154
• 7.1 工程概况127-129
• 7.1.1 工程地质概况128
• 7.1.2 工程灌浆概况128-129
• 7.2 灌浆统一模型129-139
• 7.2.1 大尺度确定性结构面多重地质体三维模拟130-131
• 7.2.2 中尺度灌浆模型三维模拟131-132
• 7.2.3 小尺度裂隙结构面三维模拟132-137
• 7.2.4 大、中、小尺度三维耦合模型137-139
• 7.3 灌浆分析控制方法分析成果139-153
• 7.3.1 施工过程实时监控与报警分析139-140
• 7.3.2 灌浆信息动态整理与分析处理140-141
• 7.3.3 灌浆工程复杂地质信息预测成果141-144
• 7.3.4 灌浆工程抬动预测及施工方案优化144-146
• 7.3.5 灌浆参数可视化分析成果146-149
• 7.3.6 岩层可灌性分析成果149-153
• 7.4 本章小结153-154
• 第八章 结论与展望154-159
• 8.1 结论154-158
• 8.2 展望158-159
• 参考文献159-168
• 发表论文和参加科研情况说明168-170
• 致谢170

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