一种综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法与流程

本发明涉及水利水电工程技术、地质学领域。特别是一种综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法。
背景技术：
：截至2012年，我国已建成各类水电站4.5万多座，水电总装机规模超过2.49亿kW，水电站建成后，坝体周边的运行环境发生了剧烈的变化，在上游水压力的作用下可导致坝基渗漏，直接影响工程的安全运行。帷幕灌浆是水电站坝基防渗的重要工程手段，其目的是为了降低渗漏量，加强坝基整体性，并提高基础岩体的物理力学性质。防渗帷幕工程一般规模大、较隐蔽，帷幕体的防渗效果空间变异性很大，受施工质量的影响，有的水电工程甚至在运行初期防渗能力就满足不了设计要求，不仅危及工程运行安全，还给工程留下难以解决的隐患。因此，评价并保证防渗帷幕的施工质量是关系到水电站能否正常安全运行，发挥防渗效果的关键。由于防渗帷幕体深埋地下且延伸面积大，难以直接观察水泥灌浆液对坝基孔隙、裂隙及溶洞的充填程度，国内外对水电站防渗帷幕施工质量常以间接评价或定性评价为主。钻孔压水试验(即间接评价)是国内外检测水电站坝基防渗效果的常用方法，分为常规压水试验、高压压水试验与综合压水试验等，钻孔压水试验可以很好地反映单孔岩体的渗透能力，但其难以实现面积测量，难以评估帷幕体整体的渗透性能。此外，钻孔压水试验以计算的岩体渗透率值大小来确定防渗帷幕的施工质量，部分工程实践者认为渗透率越小，施工质量越高，然而计算的岩体渗透率低有时并不能说明帷幕灌浆施工质量高，尤其对于天然裂隙细少、渗透率低的岩体。弹性波层析成像技术(即定性评价)是基于不同介质中弹性波传播速度的差异，推断两孔间的岩体性能，利用灌浆前后层析成像检测的声波速度差异可以反映钻孔之间截面的灌浆质量，但其无法给出具体的数值，即该方法无法对防渗帷幕的施工质量进行定量评价，实践中往往作为钻孔压水试验法的辅助方法。上述两种方法仅以防渗帷幕体的渗透能力来反映其帷幕灌浆的施工质量，未考虑坝基岩体的物理力学性质，具有一定的片面性。技术实现要素：本发明的目的在于，提供一种综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法。本发明建立的评价指标体系能够更加全面地反映水电站防渗帷幕的施工质量。本发明的技术方案：一种综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法，按下述步骤进行：a、建立水电站防渗帷幕施工质量评价指标体系，体系包括两个层次，即为准则层和指标层；所述的准则层包括岩体质量、岩体渗透性能和岩体完整性三个指标；所述的指标层包括RQD值、岩体透水率、裂隙充填率、跨孔声波波速提高率和岩体完整性系数提高率五个指标；所述的RQD值反映岩体质量；所述的岩体透水率和裂隙充填率反映岩体渗透性能；所述的跨孔声波波速提高率和岩体完整性系数提高率反映岩体完整性；b、确定指标层的各指标的值；c、运用层次分析方法计算上述指标的权重；d、确定评语集；e、确定各指标的隶属度，建立单因素评判矩阵；f、运用模糊综合评价法评价水电站防渗帷幕施工质量。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤b中，RQD值的确定方法为：运用金刚石钻头和双层岩芯管在帷幕灌浆廊道基岩中钻进，连续取芯，记录取芯段长度L，计算RQD值；计算公式如下：RQD＝LR/L；其中，LR为长度≥10cm的岩心段的长度之和。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤b中，岩体透水率的确认方法为：灌浆帷幕体形成后，对各钻孔自上而下、分段卡塞进行压水试验，计算岩体透水率；计算公式如下：q＝Q/PL1；其中，q为岩体透水率；Q为压入流量；P为作用在试验段的全压力；L1为试验段长度。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤b中，裂隙充填率的确认方法为：防渗帷幕施工后，利用数字钻孔成像技术探测帷幕灌浆孔岩体的裂隙个数n1和浆脉充填个数n2，计算裂隙充填率；计算公式如下：FFR＝n2/n1×100％；其中，FFR即为裂隙充填率。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤b中，跨孔声波波速提高率的确认方法为：防渗帷幕施工前，运用声波仪对各钻孔进行跨孔声波测试，测试各帷幕灌浆孔与其前后相邻钻孔之间的岩体完整性，计算帷幕灌浆前钻孔的平均跨孔波速其中va1与va2分别为声波仪测定的灌浆孔与其前后相邻钻孔之间断面的声波速度；防渗帷幕施工后，运用相同的方法计算各灌浆孔的平均跨孔波速Vpmb；则跨孔声波波速提高率为：V’＝(Vpmb-Vpma)/Vpma×100％；其中V’即为跨孔声波波速提高率。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤b中，岩体完整性系数提高率的确认方法为：防渗帷幕施工前，取岩样打磨干净，涂黄油作耦合剂，运用声波换能器测试岩样的弹性声波速度计算帷幕灌浆前岩体完整性系数防渗帷幕施工后，运用相同的方法计算岩体完整性系数Kvb；则岩体完整性系数提高率为：Kv’＝(Kvb-Kva)/Kva×100％；其中Kv’即为岩体完整性系数提高率。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤c按下述步骤进行：c1、构造同一层次的指标重要性判断矩阵Ai；c2、计算各评价指标的权重，具体为：利用公式Det(Ai-λimaxE)＝0计算各重要性判断矩阵的最大特征值λimax，其中E为单位矩阵；利用公式Aiwi＝λimaxwi计算各最大特征值λimax对应的特征向量wi，并归一化，最后得到指标层各评价指标相对于水电站防渗帷幕施工质量的绝对权值矩阵A；c3、一致性检验，具体为：首先，利用公式CI＝(λimax-n)/(n-1)计算，其中n为重要性判断矩阵的阶数，CI为一致性指标；其次再利用公式CR＝CI/RI计算一致性比例CR，其中RI为随机一致性指标；最后当CR<0.1时，一致性检验通过。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤d按下述步骤进行：将帷幕灌浆质量分为四个等级并按百分制进行评分，根据评分量化评语集V。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤e按下述步骤进行：e1、隶属度函数的选择：采用降半梯形的形式的隶属度函数，表达式如下：式中a1、a2、a3为指标层的指标的等级分界点；e2、构建单因素模糊评判矩阵:根据步骤b确定的各指标的值和步骤d确定的评语集，并结合步骤e1确定的隶属度函数，构建单因素模糊评判矩阵R。前述的综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法所述的步骤f按下述步骤进行：构建模糊综合评判矩阵B＝A×R，根据步骤四确定的评语集V，确定帷幕灌浆施工质量Z＝B×V，将Z与施工质量评定标准表进行比对评定施工质量。有益效果与现有方法仅以渗透性指标评估防渗帷幕施工质量相比，本发明利用岩石质量指标RQD来反映岩体的物理力学性质，可以更加全面的表面了水电站防渗帷幕施工后坝基岩体的性质；本发明将裂隙充填率作为评价帷幕体防渗性能的补充因子，可以克服压水试验难以反映裂隙分布与充填效果的缺点；并引入岩体完整性评价指标，在一定程度上克服常规压水试验“一孔之见”的弊端。本发明建立的评价指标体系可以更加全面地反映水电站防渗帷幕的施工质量。利用层次分析法确定各指标的权重，并结合模糊评价法对防渗帷幕施工质量进行综合评估，给出定量的评价结果。本发明能在防渗帷幕形成初期定量评估其质量水平能否满足要求，在一定程度上减小甚至避免了后续帷幕补灌工作，具有十分重要的工程意义。附图说明图1是本发明的水电站防渗帷幕施工质量评价层次分析模型；图2是隶属度函数曲线图。附图中的标记为：M1-岩体质量，M2-岩体渗透性能，M3-岩体完整性，M11-RQD值，M21-岩体透水率，M22-裂隙充填率,M31-跨孔声波波速提高率,M32-岩体完整性系数提高率。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。实施例1。一种综合定量评价水电站防渗帷幕施工质量的方法，按下述步骤进行：a、建立水电站防渗帷幕施工质量评价指标体系，如图1所示，体系包括两个层次，即为准则层和指标层；所述的准则层包括岩体质量M1、岩体渗透性能M2和岩体完整性M3三个指标；所述的指标层包括RQD值M11、岩体透水率M21、裂隙充填率M22、跨孔声波波速提高率M31和岩体完整性系数提高率M32五个指标；所述的RQD值M11反映岩体质量M1；所述的岩体透水率M21和裂隙充填率M22反映岩体渗透性能M2；所述的跨孔声波波速提高率M31和岩体完整性系数提高率M32反映岩体完整性M3；b、确定指标层的各指标的值；c、运用层次分析方法计算上述指标的权重；d、确定评语集；e、确定各指标的隶属度，建立单因素评判矩阵；f、运用模糊综合评价法评价水电站防渗帷幕施工质量。前述的步骤b中，RQD值M11的确定方法为：运用金刚石钻头和双层岩芯管在帷幕灌浆廊道基岩中钻进，连续取芯，记录取芯段长度L，计算RQD值M11；计算公式如下：RQD＝LR/L；其中，LR为长度≥10cm的岩心段的长度之和。前述的步骤b中，岩体透水率M21的确认方法为：灌浆帷幕体形成后，对各钻孔自上而下、分段卡塞进行压水试验，计算岩体透水率M21；计算公式如下：q＝Q/PL1；其中，q为岩体透水率M21；Q为压入流量；P为作用在试验段的全压力；L1为试验段长度。前述的步骤b中，裂隙充填率M22的确认方法为：防渗帷幕施工后，利用数字钻孔成像技术探测帷幕灌浆孔岩体的裂隙个数n1和浆脉充填个数n2，计算裂隙充填率M22；计算公式如下：FFR＝n2/n1×100％；其中，FFR即为裂隙充填率M22。前述的步骤b中，跨孔声波波速提高率M31的确认方法为：防渗帷幕施工前，运用声波仪对各钻孔进行跨孔声波测试，测试各帷幕灌浆孔与其前后相邻钻孔之间的岩体完整性(对于第一个灌浆孔和最后一个灌浆孔分别对其与后一个钻孔和前一个钻孔之间的断面进行声波测试)，计算帷幕灌浆前钻孔的平均跨孔波速其中va1与va2分别为声波仪测定的灌浆孔与其前后相邻钻孔之间断面的声波速度(对于第一个灌浆孔和最后一个灌浆孔平均跨孔波速Vpma分别为其与后一个钻孔和前一个钻孔之间断面的声波速度)；防渗帷幕施工后，运用相同的方法计算各灌浆孔的平均跨孔波速Vpmb；则跨孔声波波速提高率M31为：V’＝(Vpmb-Vpma)/Vpma×100％；其中V’即为跨孔声波波速提高率M31。前述的步骤b中，岩体完整性系数提高率M32的确认方法为：防渗帷幕施工前，取岩样打磨干净，涂黄油作耦合剂，运用声波换能器测试岩样的弹性声波速度计算帷幕灌浆前岩体完整性系数防渗帷幕施工后，运用相同的方法计算岩体完整性系数Kvb；则岩体完整性系数提高率M32为：Kv’＝(Kvb-Kva)/Kva×100％；其中Kv’即为岩体完整性系数提高率M32。前述的步骤c按下述步骤进行：c1、构造同一层次的指标重要性判断矩阵Ai；c2、计算各评价指标的权重，具体为：利用公式Det(Ai-λimaxE)＝0计算各重要性判断矩阵的最大特征值λimax，其中E为单位矩阵；利用公式Aiwi＝λimaxwi计算各最大特征值λimax对应的特征向量wi，并归一化，最后得到指标层各评价指标相对于水电站防渗帷幕施工质量(简称目标层)的绝对权值矩阵A；将wi归一化后所得矩阵为某一层次指标对于上一层次某相关指标的相对重要性权值，将归一化后的准则层矩阵各因子分别乘以目标层矩阵即得到指标层各指标相对于目标层的绝对权值；c3、一致性检验，具体为：首先，利用公式CI＝(λimax-n)/(n-1)计算，其中n为重要性判断矩阵的阶数，CI为一致性指标；其次再利用公式CR＝CI/RI计算一致性比例CR，其中RI为随机一致性指标；最后当CR<0.1时，一致性检验通过。前述的步骤d按下述步骤进行：将帷幕灌浆质量分为四个等级并按百分制进行评分，根据评分量化评语集V。前述的步骤e按下述步骤进行：e1、隶属度函数的选择：采用降半梯形的形式的隶属度函数，表达式如下：式中a1、a2、a3为指标层的指标的等级分界点；e2、构建单因素模糊评判矩阵:根据步骤b确定的各指标的值和步骤d确定的评语集，并结合步骤e1确定的隶属度函数，构建单因素模糊评判矩阵R。前述的步骤f按下述步骤进行：构建模糊综合评判矩阵B＝A×R，根据步骤四确定的评语集V，确定帷幕灌浆施工质量Z＝B×V，将Z与施工质量评定标准表进行比对评定施工质量。实施例2。对某水电站防渗帷幕施工质量综合定量评价，按下述步骤进行：a、建立水电站防渗帷幕施工质量评价指标体系，如图1所示，体系包括两个层次，即为准则层和指标层；所述的准则层包括岩体质量M1、岩体渗透性能M2和岩体完整性M3三个指标；所述的指标层包括RQD值M11、岩体透水率M21、裂隙充填率M22、跨孔声波波速提高率M31和岩体完整性系数提高率M32五个指标；所述的RQD值M11反映岩体质量M1；所述的岩体透水率M21和裂隙充填率M22反映岩体渗透性能M2；所述的跨孔声波波速提高率M31和岩体完整性系数提高率M32反映岩体完整性M3；b、确定指标层的各指标的值；c、运用层次分析方法计算上述指标的权重；d、确定评语集；e、确定各指标的隶属度，建立单因素评判矩阵；f、运用模糊综合评价法评价水电站防渗帷幕施工质量。前述的步骤b中，RQD值M11的确定方法为：运用金刚石钻头和双层岩芯管在帷幕灌浆廊道基岩中钻进，连续取芯，记录取芯段长度L，计算RQD值M11；计算公式如下：RQD＝LR/L；其中，LR为长度≥10cm的岩心段的长度之和。前述的步骤b中，岩体透水率M21的确认方法为：灌浆帷幕体形成后，按《水电水利工程钻孔压水试验规程》DL/T5331-2005,SL31-2003规定，对各钻孔自上而下、分段卡塞进行压水试验，计算岩体透水率M21；计算公式如下：q＝Q/PL1；其中，q为岩体透水率M21；Q为压入流量；P为作用在试验段的全压力；L1为试验段长度。前述的步骤b中，裂隙充填率M22的确认方法为：防渗帷幕施工后，利用数字钻孔成像技术探测帷幕灌浆孔岩体的裂隙个数n1和浆脉充填个数n2，计算裂隙充填率M22；计算公式如下：FFR＝n2/n1×100％；其中，FFR即为裂隙充填率M22。前述的步骤b中，跨孔声波波速提高率M31的确认方法为：防渗帷幕施工前，运用声波仪对各钻孔进行跨孔声波测试，测试各帷幕灌浆孔与其前后相邻钻孔之间的岩体完整性(对于第一个灌浆孔和最后一个灌浆孔分别对其与后一个钻孔和前一个钻孔之间的断面进行声波测试)，计算帷幕灌浆前钻孔的平均跨孔波速Vpma＝，其中va1与va2分别为声波仪测定的灌浆孔与其前后相邻钻孔之间断面的声波速度(对于第一个灌浆孔和最后一个灌浆孔平均跨孔波速Vpma分别为其与后一个钻孔和前一个钻孔之间断面的声波速度)；防渗帷幕施工后，运用相同的方法计算各灌浆孔的平均跨孔波速Vpmb；则跨孔声波波速提高率M31为：V’＝(Vpmb-Vpma)/Vpma×100％；其中V’即为跨孔声波波速提高率M31。前述的步骤b中，岩体完整性系数提高率M32的确认方法为：防渗帷幕施工前，取岩样打磨干净，涂黄油作耦合剂，运用声波换能器测试岩样的弹性声波速度Vpra，计算帷幕灌浆前岩体完整性系数Kva,防渗帷幕施工后，运用相同的方法计算岩体完整性系数Kvb；则岩体完整性系数提高率M32为：Kv’＝Kvb-Kva/Kva×100％；其中Kv’即为岩体完整性系数提高率M32。根据上述水电站帷幕灌浆施工质量检测数据的分析，可以得到各评价指标的检测结果数据如表1所示。表1各指标结果数据表指标RQDqluFFR(％)V’(％)Kv’(％)结果892.4388168前述的步骤c按下述步骤进行：c1、构造同一层次的指标重要性判断矩阵Ai；具体为：根据前述建立的水电站防渗帷幕施工质量评价指标体系，利用Satty9级分度表表2，对各层次的评价指标进行两两重要性判断，分别建立同一层的重要性判断矩阵(见表3至表6)。表29级标度法表3判断矩阵表M水电站防渗帷幕施工质量MM1M2M3M111/31/2M2313M321/31表4判断矩阵表M1岩体质量M1M11M111表5判断矩阵表M2岩体渗透性能M2M21M22M2113M221/31表6判断矩阵表M3岩体完整性M3M31M32M3112M321/21c2、计算各评价指标的权重，具体为：利用公式Det(Ai-λimaxE)＝0计算各重要性判断矩阵的最大特征值λimax，其中E为单位矩阵；利用公式Aiwi＝λimaxwi计算各最大特征值λimax对应的特征向量wi，并归一化，最后得到指标层各评价指标相对于水电站防渗帷幕施工质量的绝对权值矩阵A；利用MATLAB软件计算上述各重要性判断矩阵的最大特征值λimax与特征向量wi，得：判断矩阵M的最大特征值λmax＝3.0536，对应的特征向量w1＝[0.2370，0.8957，0.3762]T，归一化后AM＝[0.1571,0.5936,0.2493]T；判断矩阵M1的最大特征值λmax＝1，对应的特征向量w2＝[1]T，归一化后AM1＝[1]T；判断矩阵M2的最大特征值λmax＝2，对应的特征向量w3＝[0.9487，0.3162]T，归一化后AM2＝[0.7500,0.2500]T；判断矩阵M3的最大特征值λmax＝2，对应的特征向量w4＝[0.8944，0.4472]T，归一化后AM3＝[0.6667,0.3333]T。指标层各评价指标相对于水电站防渗帷幕施工质量的绝对权值矩阵A为：A＝[0.1571,0.4452,0.1484,0.1662,0.0831]；c3、一致性检验，具体为：首先，利用公式CI＝(λimax-n)/(n-1)计算，其中n为重要性判断矩阵的阶数，CI为一致性指标；其次再利用公式CR＝CI/RI计算一致性比例CR，其中RI为随机一致性指标；最后当CR<0.1时，一致性检验通过，否则要重新构造重要性判断矩阵。经计算，上述四个重要性判断矩阵均满足一致性要求。前述的步骤d按下述步骤进行：将帷幕灌浆质量分为四个等级并按百分制进行评分，根据评分量化评语集V。为了定量评价水电站防渗帷幕施工质量效果，将帷幕灌浆质量分为四个等级并按百分制进行评分，其施工质量评定标准表见表7。表7水电站防渗帷幕施工质量评定标准表防渗帷幕施工质量等级评价描述评分I优90-100II良75-89III中50-74IV差<50根据上表中各等级的评分标准，量化后的评语集V＝[95,82,67,49]T指标层中各影响因素的等级定义表见表8。表8水电站防渗帷幕施工质量评价指标等级定义表指标优良中差RQD90-10075-9050-75<50透水率q(lu)<11-33-5>5裂隙充填率FFR(％)90-10075-9050-75<50跨孔声波波速提高率V’(％)>1510-155-10<5岩体完整性系数提高率Kv’(％)>1510-155-10<5前述的步骤e按下述步骤进行：e1、隶属度函数的选择：采用降半梯形的形式的隶属度函数，如图2所示，表达式如下：式中a1、a2、a3为指标层的指标的等级分界点；e2、构建单因素模糊评判矩阵:根据步骤b确定的各指标的值和步骤d确定的评语集，并结合步骤e1确定的隶属度函数，构建单因素模糊评判矩阵R：前述的步骤f按下述步骤进行：构建模糊综合评判矩阵B＝A×R＝[0.1845,0.5662,0.2493,0]，根据步骤四确定的评语集V，确定帷幕灌浆施工质量Z＝B×V＝80.6590，将Z与施工质量评定标准表(施工质量评定标准表根据实际工程情况具体确定，本实施例如表7所示)进行比对评定施工质量，通过评定，得出此次帷幕灌浆质量等级为良好。当前第1页1 2 3