高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險可視化監(jiān)測方法研究

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)險防范體系，一旦出現(xiàn)泄洪災(zāi)害，就可通過導(dǎo)流及時疏通洪水。然而，當(dāng)高拱壩出現(xiàn)漫頂現(xiàn)象時，就會導(dǎo)致施工過程不安全，甚至造成下游居民人員傷亡[2]。

目前，針對工程實際，已經(jīng)建立了梯級施工導(dǎo)流風(fēng)險模型。此模型主要探討水電工程建設(shè)前期擋水洪水風(fēng)險，但難以全面反映整個建設(shè)階段的擋水洪水風(fēng)險。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)。現(xiàn)有研究表明，風(fēng)險模型只能反映出引水初期的滯洪風(fēng)險，而不能反映出高拱壩的施工機(jī)理和實際澆筑過程，很難滿足檢測高拱壩施工風(fēng)險率的要求。為此，本文提出基于BIM技術(shù)的高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險可視化監(jiān)測方法研究。

1 基于BIM技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)三維可視化

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

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

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

由圖1可知，監(jiān)測數(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)測傳感器信息。

步驟2：選擇監(jiān)測結(jié)構(gòu)特征點位置，并依次編號。

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

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

特征點函數(shù)的數(shù)值計算圖解見圖2。

圖2 特征點形函數(shù)數(shù)值計算示意圖

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

Rn1=Rn1-c1+Rn1-c2+…+Rn1-cr

(1)

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

根據(jù)各特征點對應(yīng)的形狀函數(shù)值，得到各特征點對應(yīng)的模擬監(jiān)測信息，包括模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬監(jiān)測指標(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)測傳感器實際采集的待監(jiān)測數(shù)據(jù)；gc1～gcr為hc1～hcr對應(yīng)的監(jiān)測指標(biāo)模擬結(jié)果[9-10]。

步驟5：基于模擬監(jiān)測數(shù)據(jù)值及模擬監(jiān)測指標(biāo)結(jié)果，對特征點進(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)測數(shù)據(jù)值或模擬監(jiān)測指標(biāo)結(jié)果，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色分布云圖分析和結(jié)構(gòu)監(jiān)測指標(biāo)分析[11]。

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

步驟7：通過重復(fù)步驟5-步驟7，對傳感器采集的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行彩色云圖顯示。

2 高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險可視化監(jiān)測

依據(jù)BIM技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)三維可視化流程，設(shè)計高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險可視化監(jiān)測流程，見圖3。

圖3 高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險可視化監(jiān)測流程

由圖3可知，高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險率檢測方法，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、溫度控制等多個方面數(shù)據(jù)[14]。同時考慮許多復(fù)雜約束條件，用計算機(jī)對其進(jìn)行仿真研究，并用隨機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系模型函數(shù)對其描述。設(shè)計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，參考實際施工經(jīng)驗，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)高的動態(tài)模擬結(jié)果。通過確定高拱壩澆筑的總工期，得到整個施工過程中壩體的月澆筑數(shù)據(jù)，即整個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

針對高拱壩施工導(dǎo)流特點，按導(dǎo)流工程規(guī)模及整個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)險數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

在工程設(shè)計階段，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)險數(shù)學(xué)模型如下：

(4)

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

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

步驟4：動態(tài)模擬汛期洪水位變化過程

步驟5：計算高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險概率

1) 風(fēng)險因素分析。按照高拱壩施工初期引水風(fēng)險模型定義，考慮流量隨機(jī)性，確定影響導(dǎo)流風(fēng)險主要因素，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，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，大壩的整個施工過程將發(fā)生實質(zhì)性的變化，模擬施工邊界條件也將隨之改變。

2) 風(fēng)險概率計算。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)報數(shù)據(jù)，確定導(dǎo)流風(fēng)險率估算具體方案：

先期引水施工時，對前擋水汛期進(jìn)行模擬，計算確定水力隨機(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)多次采樣和模擬計算，得出壩前洪水最高水位。通過對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，因此計算高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險率，見步驟2中式(4)。

步驟6：對高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險判別

在導(dǎo)流隧洞施工風(fēng)險設(shè)計中，根據(jù)風(fēng)險分析理論，先將設(shè)計洪水再現(xiàn)期轉(zhuǎn)化為設(shè)計風(fēng)險系數(shù)，再對模擬導(dǎo)流風(fēng)險系數(shù)計算比較，以判斷導(dǎo)流隧洞設(shè)計是否合理。

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)計應(yīng)同時滿足初期和中期防洪標(biāo)準(zhǔn)。

針對導(dǎo)流水汛期存在的兩個不同時段，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，則該時段的導(dǎo)流風(fēng)險識別標(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，則該時段的導(dǎo)流風(fēng)險識別標(biāo)準(zhǔn)為RMi

3 工程案例分析

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

3.1 施工仿真研究

對長江上游的一座大壩進(jìn)行施工模擬研究，拱壩高218 m，為一級大型工程，采用雙曲孔導(dǎo)流方式，汛期貫穿整個施工。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，依據(jù)施工總工期、進(jìn)度模擬實際施工。施工仿真結(jié)果見表2。

表2 施工仿真結(jié)果統(tǒng)計

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。分別使用梯級建設(shè)環(huán)境下導(dǎo)流風(fēng)險模型、高堆石壩擋水風(fēng)險模型和基于BIM技術(shù)可視化監(jiān)測方法監(jiān)測高拱壩施工初期、中期、后期導(dǎo)流風(fēng)險，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)險監(jiān)測結(jié)果對比分析

由圖4(a)可知，初期、中期導(dǎo)流風(fēng)險概率分別從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)險概率分別從0.015、0.013 5降為0.009、0.007；后期導(dǎo)流風(fēng)險概率從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)測方法對高拱壩施工初期、中期、后期導(dǎo)流風(fēng)險監(jiān)測結(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

針對高拱壩施工導(dǎo)流風(fēng)險可視化監(jiān)測，結(jié)合BIM技術(shù)，能夠合理監(jiān)測導(dǎo)流風(fēng)險率。通過BIM模型能夠可視化顯示監(jiān)測結(jié)果，并依據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)，對導(dǎo)流結(jié)果進(jìn)行評價，為高拱壩安全施工提供技術(shù)支持。使用該監(jiān)測方法能夠彌補(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)測方法能夠精準(zhǔn)監(jiān)測導(dǎo)流風(fēng)險，但受到高拱壩施工導(dǎo)流眾多因素影響，該導(dǎo)流風(fēng)險理論與方法在工程實踐中有待進(jìn)一步完善。