基于BIM 技術的水利工程大壩變形監測模型分析

史蘭爽

（山東美譽工程咨詢有限公司，山東 濟寧272000）

現階段水利工程大壩的數量很多， 但在時間推移下，大壩受自然環境影響會出壩體變形情況，危害下游地區和周邊居民的生產生活安全， 因此需建立一個監測模型對大壩變形程度進行監測。 傳統的大壩變形監測模型， 由于并沒有對監測數據中的奇異值進行剔除，導致監測結果失真，因此提出構建一個基于BIM技術的大壩變形監測模型。該模型的建立增強監測數據的真實性， 確保預測變形數據與真實變形程度相吻合，為國家水利工程大壩平穩工作，提供強有力的技術支持［1］。

1 基于BIM水利工程大壩變形監測模型構建方法

1.1 BIM技術建立大壩三維模型設置機敏網

BIM技術是一個更加精確化的電腦輔助設計軟件，可生成具有三維圖像特征的水利工程大壩，因此根據BIM技術特點，大壩的易變性位置定位變形監測模型的識別范圍。 利用BIM技術，將水利工程大壩拆分成若干個大壩構建， 分別繪制這些單獨構件的三維模型，該模型主要由3個方面控制：橫截面形狀、構件中心線及構件水平高程。已知BIM技術支持的參數類型如表1，因此根據該表中的參數，調整模型設計參數［2］。

表1 軟件支持的參數類型

續表1

由表1可知，將“是”和“否”分別定義為1和0，根據表中的參數類型， 設置一個可透視操作的Excel表格，并將其以.csv的格式儲存，同時將其另存為.txt格式的文件。 打開BIM軟件，新建一個大壩結構樣本項目，將表1中的數據載入到該項目中單擊確定，BIM技術會根據自身算法自動生成大壩結構族，如圖1［3］。

圖1 大壩單獨構件族生成頁面

以上述生成的構件為參考，修改參數值，生成大壩其他部位的構件，以此建立一個完整的、高銜接度的水利工程大壩三維模型。 以建立完畢的三維大壩模型為前提，利用機敏網對三維大壩全面覆蓋，以便實現監測模型對大壩的全方位監測。圖2為機敏網的對大壩模型的覆蓋與信息傳輸方式［4］。

圖2 機敏網工作方式簡圖

利用上述機敏網，覆蓋建立完畢的大壩模型，確保監測模型對大壩的監測范圍。

1.2 預處理大壩變形數據設置模型監測條件

已知大壩受實地環境、 測量儀器設備等因素的干擾，機敏網獲取到的信號存在一定誤差，而大壩變形時變量極小，與誤差值非常接近，因此需要預處理機敏網得到的數據信號，消除粗誤差和系統誤差。假設機敏網獲得的原始變形監測信號為x，則存在變形監測序列x1，x2，…，xi，其中i表示變形信號數據量［5］。則該信號的變化特征為：

式中 ki表示i個變形信號所對應的特征值， 其中i=1，2，…，n-1，n為非零的自然數。 計算變化特征平均值和均方差：

式中 λ表示比值計算結果。 當λ＞3時，說明x值是奇異值，需要剔除；當λ＜3時，證明x不是奇異值，需要保留該監測信號［6］。 剔除奇異值后的監測序列存在數據空點， 導致監測信號斷裂， 破壞大壩的真實變形值，因此利用線性內插法，通過前后兩個可靠的監測值內插，對已經被剔除奇異值的位置進行數據補充，得出待插補監測值，該值可通過式（4）獲得：

式中 z表示待插補監測值；zi，zi+1分別表示待插補監測值的前監測值和后監測值；ti，ti+1分別表示與上述插補監測值對應的監測時間［7］。 根據內插法處理監測信號后，通過設置一個變形閾值，設置監測模型的監測條件，該閾值的設定表達式，如式（5）：

式中 γ表示監測信號降噪系數；s表示補插后的變形信號。 當監測模型的閾值μ，超出大壩基準平穩數值時， 該監測模型彈出大壩三維模型的可能變形位置界面，并對可能發生變形的部位進行詳細檢測［8］。

1.3 非概率法擬定水利工程大壩變形監測指標

由于所彈出監測界面只是大壩變形的大致范圍，具體變形位置和變形程度并不了解，因此利用非概率法擬定水利工程大壩變形監測指標， 根據監測指標級別鑒定大壩的真實變形位置， 以及監測當下的變形程度。 目前水利工程大壩的變形過程和轉異特征，主要涵蓋了彈性工作階段、屈服變形階段及破壞階段，具體表現形式如圖3［9］。

圖3 大壩變形過程示意圖

由圖3可知，f為作用到大壩上的負載；p為模型監測指標。 其中OA表示彈性工作階段，此時作用到大壩上的負載由零增至f1，大壩的變形指標為p1，可認定大壩正處于變形邊緣；AB為屈服變形階段，此時大壩受作用力影響，隨著作用力增大而超過變形基準線，處于第二階段的變形預警狀態， 此時變形指標為p2；BC為破壞階段， 該階段是水利工程大壩絕對不允許出現的階段，因為該階段的大壩變形相當嚴重，喪失了大壩繼續承載作用力的能力，隨時可能會有塌陷、崩塌的情況發生，此時變形指標p3為三級強險監測指標［10-13］。 根據上述監測指標，計算大壩變形量：

式中 p（t）表示水利工程大壩的時效變形量；pc表示溫度作用下的變形量；ph表示水位高度作用下的變形量；pt表示在一定時間內的大壩變形量。 非概率擬定的變形監測指標，可利用非概率可靠指標“正常-異常-失效”作為評判大壩變形的基本值。 利用d1，d2，d3表示大壩變形的3個階段，其中當大壩變形處于初始異常期時，則指標：

2 仿真實驗

搭建測試平臺， 對所提出的監測模型進行效果檢測， 同時將傳統方法構建的監測模型應用到此次實驗測試中，分析不同構建方法下，監測模型的監測性能。

2.1 實驗環境構建

隨機選擇一個水利工程大壩作為實驗對象，如圖4。已知該大壩位于一個V字型的河谷處，該河谷四周陡峭，其中左岸坡度在42°～45°之間，大壩的右壩肩坡度約為36.5°～45°， 已知該大壩的臨江坡度超過750m。

圖4 仿真實驗模擬對象

利用仿真測試軟件模擬上述測試對象， 設置環境溫度、氣候條件、作用力值、地形環境及水位高度等參數，同時設置周邊環境監測網，所建立的模型利用該網絡獲取周邊影響參數， 設置的環境監測網絡如圖5。

圖5 實驗測試監控網

圖中A1～A9表示設置的影響參數監控節點，根據節點設置仿真實驗空間范圍， 分別利用兩種方法構建的監測模型， 對上述實驗對象進行變形程度監測。 設置大壩變形程度，變形程度曲線走勢如圖6。

圖6 預設大壩變形程度

根據預設變形程度， 分析所建模型監測下的大壩變形監測結果， 與預設變形程度之間的相似性和差值。

2.2 實驗結果分析

將所提出構建方法的監測模型測試結果記為實驗A組，將傳統構建方法的監測模型測試結果記為實驗B組，下述兩組圖片，為兩種監測模型對水利工程大壩的變形監測結果，如圖7。

圖7 實驗測試結果

根據上述兩組實驗測試結果可知， 所提出構建方法下建立的預測模型， 得到A組大壩變形監測曲線，與實驗預設變形程度曲線的相似程度極高，經計算其監測誤差僅有0.0649。 而傳統方法構建的預測模型，得到的實驗B組大壩變形監測曲線，與預設變形程度曲線相差較大， 經計算可知其監測誤差為0.7322。 綜合上述實驗結果，可知所提出構建方法建立的預測模型，對大壩變形程度的監測效果更好。

3 結語

此次提出的預測模型構建方法，以BIM技術為依據，設計一個三維的水利工程大壩模型，實現對大壩更加全面的變形監測。所建立的預測模型，通過設置機敏網，確定監測主體范圍，并剔除監測數據中的奇異值，利用補插法填充監測數據中的空缺位置，根據非概率法擬定一個水利工程大壩變形監測指標，實現對水利工程大壩的實時監測。 通過實驗測試可以看出， 構建的監測模型可以反映所有監測節點的變形程度，通過對大壩三個階段的變形監測，得到精準的變形風險指數，保證大壩的使用安全，確保工作基站的安全運行。 但此次提出的構建方法是在不考慮大壩已使用年限的基礎上進行， 可以說是對全新建設完工大壩的變形監測，因此在使用模型時，需要考慮建設年代久遠的大壩是否適用。