基于BIM架構的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法研究

林德裕

(中水興鋒盈控股有限公司，福州 350821)

0 引 言

大壩的基礎灌漿是水利水電工程建設中基礎處理經常使用的方法，水利工程樞紐的功能豐富，大壩灌漿的主要作用就是能夠為水利工程樞紐進行除險防滲加固，因此一些綜合的水電樞紐工程都會采用大壩灌漿來進行地基處理[1-2]。大壩灌漿是水利水電工程中的重要環(huán)節(jié)，在實際的施工過程中，大壩灌漿工程相對隱蔽，因此其質量檢測難度較高，出現的質量問題無法表征，且影響灌漿質量的因素很多，人員操作、材料設備、方法技術以及大壩的地質環(huán)境都會影響大壩灌漿質量。根據相關的資料統(tǒng)計，一些大壩發(fā)生事故的原因都是因為地基的原因而引起的，以往對于大壩灌漿施工全域監(jiān)管基本都是靜態(tài)的風險預測和評估，但是在水利水電工程大壩灌漿工程施工過程中，施工人員的技術水平、設備性能、材料選擇以及地質環(huán)境都存在著很多不確定性，施工的風險因素以及大壩灌漿的質量就會隨著時間而發(fā)生變化。傳統(tǒng)的靜態(tài)監(jiān)管方法很難預測和評估這樣動態(tài)的風險，難以采取合適的措施防范風險，因此本文設計一種基于BIM架構的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法。

1 基于BIM架構的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法研究

1.1 建立大壩BIM模型

為了實現大壩灌漿施工過程的動態(tài)監(jiān)管，可以引入BIM技術，建立大壩的BIM模型。在大壩建模過程中，根據工程的實際需要專門定制AutoCAD軟件包，這是一種業(yè)內常用的能夠有助于快速完成道路工程規(guī)劃設計的軟件[3-4]。在大壩模型中，能夠完成存在的曲面、橫斷面、縱斷面等之間的動態(tài)連接。大壩模型需要在地形曲面上建立，兩者融合后確定模型軸線，依據地形創(chuàng)建截面，最后得到整體模型[5-6]。在建模過程中，需要確定相關的模型參數，在不同的施工工程中，大壩的規(guī)模也不相同。在大壩高度增量相同的情況下，高度越高沉降變形越大，因此需要嚴格要求大壩在建模過程中的填筑標準，見表1。

表1 大壩填筑標準

壩型不同，填筑標準也會有所不同。由于大壩壩體的防滲體剛度差異很大，因此變形的適應能力也不同，為了保證大壩防滲的穩(wěn)固，針對不同的壩料種類設置填筑標準。在壩料的施工參數的計算過程中，首先要清楚不同壩料的級配和強度指標，保證壩料性能[7-8]。壩高規(guī)模與深厚覆蓋層這兩個壩基條件是首先要考慮到的，壩料在相對密度的計算過程中，可以遵循下式：

(1)

式中：Dr為壩料的相對密度；emax為在最松弛狀態(tài)下的孔隙比；emin為最緊密狀態(tài)下的孔隙比；e為自然狀態(tài)下的孔隙比。

由于孔隙比很難直接測得，孔隙比可以通過下式求出：

(2)

式中：ρd為實際的干密度；ρs為飽和密度。

因此可以將公式(1)寫為：

(3)

式中：ρdmax為壩料的最大干密度；ρdmin為最小干密度[9-10]。

壩料的質量與大壩灌漿填筑的質量密切相關，因此在料源的控制與選擇上，一般的面板堆石壩的壩料主要為砂礫料和碎石料。這兩種原料的相關質量指標見表2。

表2 原料灌漿質量技術指標

需要注意的是，在砂礫料的質量指標中，滲透系數要大于防滲體的50倍，可以根據地域和具體的設計要求進行調整。至此完成大壩BIM模型系數的確定。

1.2 大壩灌漿風險識別

在水利水電工程中，大壩灌漿屬于規(guī)模龐大的基礎工程，對其進行風險因素的正確識別，是實現施工全域監(jiān)管的基礎。本文在風險識別過程中，提出TBS-RBS動態(tài)識別方法[11-12]。在大壩灌漿工程這個龐大的施工系統(tǒng)中，一旦出現會影響質量的風險因素，經過動態(tài)的演變和累積，量變引發(fā)質變，就會發(fā)生風險事件，整個施工系統(tǒng)出現異常而引發(fā)大壩灌漿的質量問題。在大壩灌漿的整體施工過程中，在不同的時間段會存在著不同的風險因素，即便是相同的風險因素在隨著時間推移的過程中也會發(fā)生一定的改變。因此隨著時間序列的推移，風險因素是變動的，因此本文使用的TBS-RBS動態(tài)識別方法能夠隨著工作時間法推進而將時間進行劃分，在不同的時間段內對風險進行識別。除此之外，還能夠實現在一個時間段對工程中整個空間范圍內的風險進行識別分解。在本文使用的動態(tài)識別方法中，能夠對時間和風險進行分解，得到時間/風險分解結構圖，見圖1。

圖1 時間/風險結構圖

首先需要明確大壩灌漿施工過程中總體的時間跨度、風險識別的對象以及范圍，分別根據研究對象的時間跨度和項目特點，將其按照時間推移進行分解，并找出施工項目的風險源[13-15]。在經過圖1的分解后，將時間分解與風險分解進行交叉，得到風險識別矩陣，見表3。

表3 TBS-RBS風險識別矩陣

通過表3中的風險識別矩陣，按照矩陣中的原始數據判斷各個時間點中是否存在該矩陣橫行所對應的風險，若存在風險，aij的值為1；若不存在風險或風險小到可以忽略，則aij的值為0，以此為方式進行風險識別。本文的監(jiān)管方式中，使用TBS-RBS動態(tài)識別可以將工程施工系統(tǒng)中的各個時間與風險進行分解，有效避免風險因素遺漏，細化風險的定性分析。

1.3 實現全域監(jiān)管

在工程施工的過程中，風險發(fā)生是有一定概率的。在實現大壩灌漿的全域監(jiān)管方法中，需要引入動態(tài)貝葉斯網絡。貝葉斯網絡使用的是無環(huán)圖進行表示，其中的節(jié)點能夠表示系統(tǒng)中的變量，其中的有向邊能夠表示變量之間的因果依賴關系，沿著時間軸的動態(tài)貝葉斯網絡圖見圖2。

圖2 動態(tài)貝葉斯網絡模型

從大壩灌漿施工來看，基礎的灌漿施工能夠直接對灌漿質量產生影響，而人、材、機直接影響灌漿施工的質量。對大壩灌漿進行全域監(jiān)管時，其中各個影響節(jié)點的狀態(tài)描述見圖3。

圖3 灌漿質量風險影響分析圖

在上述條件下，要根據實際的工程需求分析制定初步計劃，選擇邀請專家對問題進行詳細分析，確定相關變量及狀態(tài)空間后，選擇相應的知識庫和基于知識的建模方法，當存在樣本數據時，利用專家知識和數據樣本學習相結合的方法確定網絡結構，從數據中獲取概率分布；在不存在樣本數據時，由專家確定網絡結構和概率分布，最后對全域監(jiān)管的模型進行測試和修正，最終實現基于BIM架構的大壩灌漿施工全域監(jiān)管。

2 實例分析

2.1 工程概況

本文選擇某水庫擴建工程作為分析實例。使用本文設計的方法建立大壩實體的BIM模型，其三維視圖見圖4。

圖4 大壩BIM模型三維視圖

該水庫工程主要作用為灌溉、防洪，并兼顧發(fā)電和航運。該水庫的正常蓄水位241 m3，鋼筋混凝土面板堆石壩壩頂高程264.0 m，最大壩高114 m，壩頂長328 m，壩頂寬10 m。大壩灌漿主要是河床以及左右岸坡趾板趾基固結灌漿、帷幕灌漿。在X線布置過程中，設計的孔距為2.4 m，單個孔深為8～11 m，在207 m高程以下，采用主副帷幕雙排進行帷幕灌漿，雙排排距1.0 m；207 m高程以上采用單排主帷幕。根據上述工程規(guī)模，可以計算出該工程的主要工程施工量，固結灌漿鉆孔長度約為8 125 m，帷幕灌漿鉆孔總長度為16 511 m，灌漿長度為13 150 m，帷幕灌漿孔總數量共416個，孔的編號從Q1-Q416。大壩的平面布置見圖5。

圖5 施工大壩的平面布置圖

在上述的工程概況下，使用本文設計的全域監(jiān)管方法進行施工風險評估。

2.2 風險識別與評估

首先對該基礎灌漿工程對灌漿質量產生影響的因素所在時間進行分解。為了提高計算效率，設置4個時間節(jié)點，分別為第1個月、第3個月、第6個月、第8個月。由于大壩基礎灌漿工程的質量風險因素識別中，主要有人、料、機、方法、環(huán)境等幾方面，因此需要以分解的時間為基礎，對這幾方面進行風險識別，得到的風險識別結果見表4。

表4 風險識別結果

從表4的識別結果可以看出，在大壩灌漿的各個階段都存在各個方面的細分因素，因此不同因素在各階段中的狀態(tài)需要在BIM模型建立后，通過貝葉斯網絡中的條件概率進行確認，并通過結果給出相應的改進建議。為了驗證本文設計的基于BIM架構的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法在風險評估過程中具有一定的有效性，同時使用傳統(tǒng)的監(jiān)管方法對該施工過程進行風險評估，同樣給出一定的改進建議，最后對兩種監(jiān)管方法給出的改進建議進行風險值評估。

2.3 實驗結果與對比分析

在上述實驗條件下，分別得到兩種監(jiān)管方法改進建議的風險值評估結果，見表5。

表5 改進建議風險值評估結果比較

在表5的風險值評估過程中，8條改進的建議是針對風險識別的結果而提出來的，傳統(tǒng)的監(jiān)管方法和本文監(jiān)管方法各自提出相關的改進建議，利用綜合的風險值評估方法對以上提出的建議進行評估，得到表5中的結果。通過結果可以計算出，傳統(tǒng)監(jiān)管方法的綜合風險值平均為0.46，本文方法的綜合風險值平均為0.17。根據這個結果可以推斷出，本文設計的基于BIM架構的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法在風險識別過程中具有一定的有效性。

3 結 語

大壩灌漿這種隱蔽工程的質量還無法直觀地進行檢測，因此在出現質量問題時也難以發(fā)現。另外，影響大壩灌漿質量的因素會隨著時間而發(fā)生改變，傳統(tǒng)的靜態(tài)監(jiān)管方法無法準確識別施工風險，因此很容易造成大壩質量風險問題。針對這一點，本文設計一種基于BIM架構的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法，通過建立BIM模型，引入TBS-RBS動態(tài)識別方法和貝葉斯網絡，實現動態(tài)的風險識別與全域監(jiān)管。通過實例分析進行驗證，結果證明本文設計的方法在風險識別過程中具有更高的準確性。