高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)測(cè)方法研究

黃小明

(常州市武進(jìn)水利工程有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引 言

在水利水電工程施工全過程中，施工導(dǎo)流是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其包括導(dǎo)流建筑物布置、施工階段劃分、機(jī)組設(shè)備更換等問題[1]。施工導(dǎo)流是高拱壩施工的風(fēng)險(xiǎn)防范體系，一旦出現(xiàn)泄洪災(zāi)害，就可通過導(dǎo)流及時(shí)疏通洪水。然而，當(dāng)高拱壩出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致施工過程不安全，甚至造成下游居民人員傷亡[2]。

目前，針對(duì)工程實(shí)際，已經(jīng)建立了梯級(jí)施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)模型。此模型主要探討水電工程建設(shè)前期擋水洪水風(fēng)險(xiǎn)，但難以全面反映整個(gè)建設(shè)階段的擋水洪水風(fēng)險(xiǎn)。還有在考慮填筑高程變化的情況下，建立了大型水庫與高壩蓄水風(fēng)險(xiǎn)模型。但高堆石壩壩體與高拱壩完全不同，施工機(jī)理難以指導(dǎo)?，F(xiàn)有研究表明，風(fēng)險(xiǎn)模型只能反映出引水初期的滯洪風(fēng)險(xiǎn)，而不能反映出高拱壩的施工機(jī)理和實(shí)際澆筑過程，很難滿足檢測(cè)高拱壩施工風(fēng)險(xiǎn)率的要求。為此，本文提出基于BIM技術(shù)的高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)測(cè)方法研究。

1 基于BIM技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化

通過 BIM技術(shù)不斷更新監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控信息，利用數(shù)據(jù)庫與BIM模型的交互，實(shí)現(xiàn)三維可視模型監(jiān)控信息的顯示和自動(dòng)存儲(chǔ)[3]。

基于BIM技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化流程見圖1。

圖1 基于BIM技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化流程

由圖1可知，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化詳細(xì)流程如下：

步驟1：利用BIM技術(shù)獲取監(jiān)測(cè)傳感器信息。

步驟2：選擇監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位置，并依次編號(hào)。

步驟3：根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)位置，將待監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化處理[4]。

步驟4：依據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，模擬監(jiān)測(cè)范圍。將鄰近結(jié)構(gòu)的監(jiān)控傳感器連接在一起，形成A區(qū)，每個(gè)監(jiān)控傳感器在 A區(qū)一個(gè)角；獲得特征點(diǎn)的序列號(hào)，以及區(qū)域A范圍內(nèi)特征點(diǎn)的位置；根據(jù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)傳感器在區(qū)域A每個(gè)角點(diǎn)的位置信息和所采集的特征點(diǎn)位置信息，計(jì)算出區(qū)域A范圍內(nèi)所有特征點(diǎn)的形狀函數(shù)值[5-7]。

特征點(diǎn)函數(shù)的數(shù)值計(jì)算圖解見圖2。

圖2 特征點(diǎn)形函數(shù)數(shù)值計(jì)算示意圖

由圖2可知，依據(jù)該示意圖，計(jì)算形函數(shù)數(shù)值，公式為：

Rn1=Rn1-c1+Rn1-c2+…+Rn1-cr

(1)

式中：C1-Cr為監(jiān)測(cè)傳感器連接形成區(qū)域A；n1為區(qū)域A內(nèi)特征點(diǎn)；Rn1為形函數(shù)數(shù)值；Rn1-c1～Rn1-cr為監(jiān)測(cè)傳感器相對(duì)于特征點(diǎn)權(quán)重系數(shù)[8]。

根據(jù)各特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的形狀函數(shù)值，得到各特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模擬監(jiān)測(cè)信息，包括模擬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬監(jiān)測(cè)指標(biāo)結(jié)果：

hn1=hc1Rn1-c1+hc2Rn1-c2+…+hcrRn1-cr

(2)

gn1=gc1Rn1-c1+gc2Rn1-c2+…+gcrRn1-cr

(3)

式中：hc1～hcr為監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)際采集的待監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；gc1～gcr為hc1～hcr對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)模擬結(jié)果[9-10]。

步驟5：基于模擬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值及模擬監(jiān)測(cè)指標(biāo)結(jié)果，對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行顏色分配，特征RGB信道中的信道數(shù)據(jù)值為模擬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值或模擬監(jiān)測(cè)指標(biāo)結(jié)果，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色分布云圖分析和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)指標(biāo)分析[11]。

步驟6：基于特征點(diǎn)的顏色數(shù)字信息和位置信息，計(jì)算特征點(diǎn)所在網(wǎng)格表面元素的顏色數(shù)字分布[12]。對(duì)于由相鄰特征點(diǎn)連接而成的網(wǎng)格面元，根據(jù)每個(gè)特征點(diǎn)的顏色值，采用線性插值方法，計(jì)算網(wǎng)格面元中其它點(diǎn)的顏色值[13]。

步驟7：通過重復(fù)步驟5-步驟7，對(duì)傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行彩色云圖顯示。

2 高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)測(cè)

依據(jù)BIM技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化流程，設(shè)計(jì)高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)測(cè)流程，見圖3。

圖3 高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)測(cè)流程

由圖3可知，高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)率檢測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1：擋水度汛面貌數(shù)據(jù)獲取

通過對(duì)高拱壩施工中的擋水度汛面貌仿真分析，得到高拱壩體形狀、力學(xué)結(jié)構(gòu)、澆注混凝土施工能力、溫度控制等多個(gè)方面數(shù)據(jù)[14]。同時(shí)考慮許多復(fù)雜約束條件，用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行仿真研究，并用隨機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系模型函數(shù)對(duì)其描述。設(shè)計(jì)階段模擬施工的目的是在一定約束條件下，找出滿足工期短的施工方案。

基于上述分析，擋水度汛面貌仿真步驟為：

step1：施工仿真參數(shù)優(yōu)化

施工模擬結(jié)果與模擬參數(shù)有密切關(guān)系，其基本參數(shù)嚴(yán)格按照具體施工規(guī)程確定。在基本參數(shù)基礎(chǔ)上，參考實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化模擬方案，優(yōu)化最終模擬參數(shù)。

step2：月澆筑數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)模擬參數(shù)的優(yōu)化，得到壩體施工全過程每月澆注及接縫灌漿標(biāo)高的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果。通過確定高拱壩澆筑的總工期，得到整個(gè)施工過程中壩體的月澆筑數(shù)據(jù)，即整個(gè)施工過程中壩底高程、接縫灌漿的月系列數(shù)據(jù)[15]。

step3：導(dǎo)流階段劃分

針對(duì)高拱壩施工導(dǎo)流特點(diǎn)，按導(dǎo)流工程規(guī)模及整個(gè)施工過程中壩體月澆筑量，劃分導(dǎo)流階段，進(jìn)行施工導(dǎo)流規(guī)劃。

step4：擋水度汛面貌數(shù)據(jù)獲取

上游圍堰是在前期導(dǎo)流階段用于蓄水和防洪，由此確定擋水度汛面貌數(shù)據(jù)。

步驟2：導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

在工程設(shè)計(jì)階段，根據(jù)高拱壩施工模擬優(yōu)化結(jié)果，確定導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)流洞布置方案及圍堰尺寸。

在建立K+T年導(dǎo)流隧洞運(yùn)行過程中，主汛期洪水位超過建筑物擋水標(biāo)高的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)數(shù)學(xué)模型如下：

(4)

式中：P為高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)率；Pf為施工初期圍堰擋水風(fēng)險(xiǎn)率；PMi為高拱壩施工中期第i年擋水風(fēng)險(xiǎn)率。

步驟3：對(duì)施工洪水及導(dǎo)流洞泄流能力分析，確定各隨機(jī)因素參數(shù)

步驟4：動(dòng)態(tài)模擬汛期洪水位變化過程

步驟5：計(jì)算高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率

1) 風(fēng)險(xiǎn)因素分析。按照高拱壩施工初期引水風(fēng)險(xiǎn)模型定義，考慮流量隨機(jī)性，確定影響導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)主要因素，即洪水隨機(jī)性、導(dǎo)流洞泄流隨機(jī)性和其他影響因素。①洪水隨機(jī)性。河流主汛期的洪水周期短、漲落快，這是高拱壩施工導(dǎo)流重點(diǎn)關(guān)注因素。②導(dǎo)流洞隨機(jī)性。在施工階段，導(dǎo)流洞的泄流能力受截面面積因素影響。采用隨機(jī)模擬方法，確定導(dǎo)流洞流量密度曲線更接近三角形分布。③其他影響因素。高拱壩施工導(dǎo)流系統(tǒng)十分復(fù)雜，導(dǎo)流建筑物的結(jié)構(gòu)安全性、壩縫等因素對(duì)施工影響是不可避免的。當(dāng)導(dǎo)流孔直徑過大、不能滿足中期防洪要求時(shí)，需研究壩體預(yù)留泄洪孔的施工防洪方案。在此過程中，由于施工中預(yù)留的空隙，大壩的整個(gè)施工過程將發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化，模擬施工邊界條件也將隨之改變。

2) 風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算。考慮到洪水隨機(jī)性、導(dǎo)流洞泄流隨機(jī)性和其他影響因素，結(jié)合高拱壩施工沖刷期的洪水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，確定導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)率估算具體方案：

先期引水施工時(shí)，對(duì)前擋水汛期進(jìn)行模擬，計(jì)算確定水力隨機(jī)因素的概率分布參數(shù)，以模型參數(shù)為輸入，確定模擬值。在工程洪水過程仿真的基礎(chǔ)上，生成工程洪水峰值流量隨機(jī)數(shù)和泄量系數(shù)，擬合出工程洪水泄量曲線。經(jīng)多次采樣和模擬計(jì)算，得出壩前洪水最高水位。通過對(duì)圍堰上游最高洪位系列超出圍堰頂高的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)汛期最高洪位系列超出擋水壩和蓄水建筑物的頂高，因此計(jì)算高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)率，見步驟2中式(4)。

步驟6：對(duì)高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)判別

在導(dǎo)流隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)中，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析理論，先將設(shè)計(jì)洪水再現(xiàn)期轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，再對(duì)模擬導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算比較，以判斷導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)是否合理。

設(shè)TIE為初期導(dǎo)流洪水出現(xiàn)期，TME為中期導(dǎo)流洪水出現(xiàn)期，根據(jù)該公式，得到初期和中期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的表達(dá)式：

(5)

按照現(xiàn)行規(guī)范的要求，高拱壩超過圍堰頂高程后，就有沖毀高拱壩危機(jī)。因此，導(dǎo)流洞的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足初期和中期防洪標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)導(dǎo)流水汛期存在的兩個(gè)不同時(shí)段，進(jìn)行詳細(xì)分析：①在導(dǎo)流工程初期，若擋水建筑物仍為圍堰形式，則該時(shí)段的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)為RMi=RIi；②導(dǎo)流工程中期，若擋水建筑物為大壩形式，則該時(shí)段的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)為RMi

3 工程案例分析

為了驗(yàn)證基于BIM技術(shù)的高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)測(cè)方法研究合理性，以某座大壩進(jìn)行案例分析。

3.1 施工仿真研究

對(duì)長(zhǎng)江上游的一座大壩進(jìn)行施工模擬研究，拱壩高218 m，為一級(jí)大型工程，采用雙曲孔導(dǎo)流方式，汛期貫穿整個(gè)施工。施工導(dǎo)流規(guī)劃見表1。

表1 施工導(dǎo)流規(guī)劃

高拱壩施工導(dǎo)流受到各種因素影響，所采用的施工仿真參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程設(shè)計(jì)，依據(jù)施工總工期、進(jìn)度模擬實(shí)際施工。施工仿真結(jié)果見表2。

表2 施工仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 結(jié)果分析

理想情況下的高拱壩施工初期、中期、后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)分別從0.015、0.013和0.003 5降為0.003 5、0.003 1和0.001 2。分別使用梯級(jí)建設(shè)環(huán)境下導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)模型、高堆石壩擋水風(fēng)險(xiǎn)模型和基于BIM技術(shù)可視化監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)高拱壩施工初期、中期、后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果見圖4。

圖4 3種方法施工初期、中期、后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

由圖4(a)可知，初期、中期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率分別從0.015、0.014降為0.009 5、0.008 3；后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率從0.003 8降為0.002 9。

由圖4(b)可知，初期、中期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率分別從0.015、0.013 5降為0.009、0.007；后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率從0.003 8降為0.002 2。

由圖4(c)可知，初期、中期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率分別從0.015、0.013 8降為0.003 5、0.003 1；后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)概率從0.003 5降為0.001 2。

通過上述分析結(jié)果可知，基于BIM技術(shù)可視化監(jiān)測(cè)方法對(duì)高拱壩施工初期、中期、后期導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果與理想情況最為接近，偏差為0.000 8，分析結(jié)果較為精準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

針對(duì)高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)可視化監(jiān)測(cè)，結(jié)合BIM技術(shù)，能夠合理監(jiān)測(cè)導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)率。通過BIM模型能夠可視化顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，并依據(jù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)導(dǎo)流結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為高拱壩安全施工提供技術(shù)支持。使用該監(jiān)測(cè)方法能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，為高拱壩導(dǎo)流施工提供理論依據(jù)。

雖然使用該監(jiān)測(cè)方法能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)，但受到高拱壩施工導(dǎo)流眾多因素影響，該導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)理論與方法在工程實(shí)踐中有待進(jìn)一步完善。