BIM技術(shù)在沙河水庫除險加固工程中的應(yīng)用

陳小云

(湖北水總工程勘察設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

沙河水庫位于湖北省棗陽市東北部，水庫在漢水流域唐白河水系沙河干流，壩址位于棗陽市鹿頭鎮(zhèn)王莊村，距棗陽市城區(qū)26km，距鹿頭鎮(zhèn)2.1km。沙河水庫集雨面積125km2，水庫總庫容7050萬m3，興利庫容5070萬m3，死庫容80萬m3。沙河水庫樞紐工程于1958年10月動工，1959年5月建成蓄水，是一座以灌溉為主，兼有防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水等綜合效益的中型水庫。

沙河水庫工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。本次除險加固采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)為：洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)50年一遇(P=2%)，洪水校核標(biāo)準(zhǔn)1000年一遇(P=0.1%)，消能防沖按30年一遇洪水設(shè)計；水庫下游防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。水庫正常蓄水位169.69m(黃海高程，下同)，設(shè)計洪水位170.37m，校核洪水位171.56m，死水位156.39m。水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵管、石梯水庫灌溉暗涵(石梯水庫灌渠穿沙河水庫大壩輸水涵管)及導(dǎo)流涵管等建筑物組成。

2 水庫加固內(nèi)容

2.1 主壩

壩體及壩基防滲采用塑性混凝土防滲墻；壩頂混凝土路面拆除重建，防浪墻破損處局部維修，壩頂下游側(cè)新建電纜溝及路燈；大壩上游混凝土護(hù)坡局部拆除重建；下游壩坡局部整平，并回填過壩明渠；清除下游壩腳反濾鋪壓，增設(shè)貼坡排水體；拆除重建下游壩坡縱、橫排水溝，新建下游壩腳排水溝；對大壩壩坡、左右壩肩及溢洪道進(jìn)行白蟻防治。

2.2 溢洪道

新建進(jìn)水渠岸坡護(hù)砌，拆除重建控制段交通橋護(hù)欄，改建海漫段，疏挖尾水渠172m，并對其岸坡進(jìn)行護(hù)砌，拆除重建“沙石黃”北總干渠穿溢洪道海漫段倒虹吸。

2.3 取水建筑物

拆除輸水涵管進(jìn)口段，新建豎井式取水口，并設(shè)檢修閘門及工作閘門；輸水涵管管身段采用鋼管內(nèi)襯；涵管出口豎井拆除，消力池采用防水砂漿處理；輸水涵管進(jìn)口左右閘墩內(nèi)埋設(shè)生態(tài)流量泄放管。

2.4 南干渠連通工程渡槽

新建渡槽自輸水涵管出口引水至南干渠，渡槽設(shè)計流量2.38m3/s，采用U形斷面，渡槽下部采用排架基礎(chǔ)，渡槽進(jìn)出口設(shè)明渠連接段。

2.5 涵管

對導(dǎo)流涵管進(jìn)行封堵；拆除進(jìn)口排架及啟閉機(jī)室，新建進(jìn)口豎井及啟閉機(jī)室，增設(shè)工作橋。

2.6 左岸庫岸綜合治理

左岸上壩道路加高至173.39m，新建混凝土路面，灌溉明渠局部改建箱涵，局部漿砌石擋墻護(hù)岸拆除重建。

2.7 金屬結(jié)構(gòu)和啟閉設(shè)備更新改造

溢洪道弧形閘門進(jìn)行防腐處理，輸水涵管進(jìn)口新建工作閘門、檢修閘門及啟閉設(shè)備，穿溢洪道倒虹吸進(jìn)口增設(shè)攔污柵，石梯水庫灌溉暗涵進(jìn)口更換兩扇工作閘門。

2.8 其他除險加固項目

改造防汛道路，更新改造電氣及信息化設(shè)備，完善水雨情及安全監(jiān)測設(shè)施，維修改造管理用房，局部拆除重建界墻。

3 主要問題

水利水電工程中，水庫除險加固工程與常規(guī)的水庫大壩新建工程的方案設(shè)計存在明顯的不同，因此，相關(guān)的BIM應(yīng)用流程及方案存在一定的差異。

a.沙河水庫前期資料均為早期平面設(shè)計圖紙，在進(jìn)行除險加固工程相關(guān)方案設(shè)計之前，主體工程數(shù)據(jù)及資料均須在水庫運(yùn)行現(xiàn)狀及險情勘測的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量的數(shù)字化和矢量化工作。

b.水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵管、石梯水庫灌溉暗涵(石梯水庫灌渠穿沙河水庫大壩輸水涵管)及導(dǎo)流涵管等建筑物組成。采用BIM技術(shù)進(jìn)行沙河水庫除險加固工程方案設(shè)計，需要對原有工程地質(zhì)信息、地下及地上建筑物進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和模型重建工作。

c.沙河水庫除險加固工程中涉及的多處加固工程、拆除工程、新建工程均須在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行BIM設(shè)計與建模，與原有工程存在交叉和疊加的問題。

4 BIM技術(shù)應(yīng)用

沙河水庫除險加固工程以Civil3D、Revit、Inventor 等為BIM基礎(chǔ)設(shè)計與建模工具，以Navisworks為模型觀測與碰撞檢查工具，以Infraworks為總方案可視化和信息化集成平臺[1]。

4.1 沙河水庫現(xiàn)狀BIM模型重建

首先，依托現(xiàn)場地形勘測數(shù)據(jù)，采用Civil3D建立三維地形模型，并導(dǎo)入Infraworks中疊加高清衛(wèi)星正向攝影圖；其次，在原始設(shè)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Inventor、Revit快速建立均質(zhì)土壩、溢洪道、輸水管涵等現(xiàn)有建筑模型，并集成到Infraworks場景模型中，從而形成工程范圍區(qū)域的實景化原始面貌及建筑物的三維BIM場景模型(見圖1)。

圖1 沙河水庫現(xiàn)狀BIM模型集成

4.2 沙河水庫險情分布BIM模型

在沙河水庫現(xiàn)狀BIM模型基礎(chǔ)上，通過三維可視化且?guī)畔⒌娜S坐標(biāo)關(guān)注點及區(qū)域覆蓋范圍等方式，將詳細(xì)沙河水庫現(xiàn)狀險情勘察信息，附著在原始工程建筑物一一對應(yīng)的精確的坐標(biāo)范圍內(nèi)，從而為除險加固方案設(shè)計提供整體宏觀的BIM信息及模型數(shù)據(jù)支持(見圖2～圖4)。

圖2 沙河水庫左岸險情分布

圖3 沙河水庫右岸及溢洪道險情分布

圖4 沙河水庫大壩及其附屬建筑險情分布

4.3 沙河水庫加固工程

a.大壩防滲灌漿工程。沙河水庫大壩防滲方案根據(jù)不同壩段特征采用不同的防滲方案，本項目采用Inventor進(jìn)行大壩灌漿方案BIM設(shè)計，其中主要針對4種典型斷面進(jìn)行了相應(yīng)的防滲灌漿方案設(shè)計(見圖5～圖8)。

b.溢洪道加固工程。溢洪道加固工程主要方案為：對進(jìn)水渠段采用C20混凝土進(jìn)行護(hù)砌，控制段交通橋護(hù)欄重建，溢洪道防汛管理用房拆除重建，海漫段兩岸擋土墻拆除重建，尾水渠進(jìn)行疏挖河護(hù)砌。主要采用Inventor進(jìn)行方案設(shè)計，并集成到Infraworks整體場景模型中進(jìn)行方案比選與展示(見圖9、圖10)。

圖5 大壩0-460典型斷面高壓擺噴灌漿防滲方案

圖6 大壩0-700典型斷面高壓旋噴+擺噴及帷幕灌漿防滲方案

圖7 大壩0-1085典型斷面高壓旋噴+擺噴及帷幕灌漿防滲方案

圖8 大壩0-1800典型斷面高壓擺噴灌漿防滲方案

圖9 溢洪道加固工程方案設(shè)計

圖10 溢洪道加固工程方案集成

c.大壩附屬工程拆除重建及庫內(nèi)道路連通。大壩附屬工程拆除重建內(nèi)容為：壩坡縱橫向排水溝、壩腳排水溝、壩頂公路等，庫內(nèi)道路連通主要將大壩下游右岸道路連通至左岸上壩道路(見圖11～圖13)。

圖11 壩坡縱橫向排水溝、壩腳排水溝拆除重建工程

圖12 壩頂路面拆除重建工程

圖13 庫內(nèi)道路連通工程

d.左岸綜合治理工程。左岸綜合治理工程主要包括管理用房改造、職工生活用房拆除重建、防汛倉庫拆除重建、石梯暗涵加固改造、上壩道路加高，以及施工期相關(guān)施工場地及設(shè)施布置等。主要采用Civil3D、Revit進(jìn)行設(shè)計與建模(見圖14)。

圖14 左岸綜合治理工程

4.4 沙河水庫新建工程

a.新建南干渠輸水管涵工程。新建南干渠輸水管涵工程主要內(nèi)容為：拆除輸水管進(jìn)口斜拉閘，新建排架式進(jìn)水口，并對管身碳化處理、止水修復(fù)等。主要采用Revit進(jìn)行方案設(shè)計，并集成到Infraworks整體場景模型中進(jìn)行方案比選與展示(見圖15、圖16)。

圖15 新建南干渠輸水管涵工程方案設(shè)計

圖16 新建南干渠輸水管涵工程方案集成

b.新建渡槽工程。新建渡槽長約735m，其中上游明渠段長45m，渡槽段長636m，下游明渠段長54m，渡槽方案主要采用Revit進(jìn)行設(shè)計(見圖17、圖18)。

圖17 新建渡槽工程方案設(shè)計

圖18 新建渡槽工程方案集成

5 結(jié) 語

隨著先進(jìn)生產(chǎn)工具的發(fā)展和應(yīng)用，BIM作為一種新型的生產(chǎn)組織方式，在勘察設(shè)計行業(yè)得到推廣和應(yīng)用，為我們帶來了新的設(shè)計理念和方式[2]。

在水利水電工程中，BIM技術(shù)雖然在新建工程中的應(yīng)用越來越普及和成熟，但在已建項目的除險加固和運(yùn)行管護(hù)等工程中卻缺乏相關(guān)方案探索和應(yīng)用。文章通過實踐研究[3]，在設(shè)計階段基于BIM技術(shù)實現(xiàn)了沙河水庫除險加固工程的深化設(shè)計應(yīng)用與實踐。在進(jìn)行沙河水庫除險加固工程的BIM技術(shù)應(yīng)用實踐過程中，不僅進(jìn)行了工程范圍場景模型和各建筑物的三維BIM的精細(xì)化設(shè)計，還將設(shè)計信息與設(shè)計文件進(jìn)行了同步關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了整體設(shè)計方案的信息化與可視化的完美整合，可為工程全生命周期[4]提供基于BIM技術(shù)的集成信息服務(wù)，可為類似工程參考。