基于BIM的巢湖口門航道養(yǎng)護措施分析

張紅星，黃 濤，沈 超

(安徽省交通勘察設計院有限公司，安徽 合肥 230011)

內河航道維護是保護內河航道暢通，提高航道等級和服務水平，為船舶提供良好、安全航行條件的必要環(huán)節(jié)[1]。為確保航行安全，《航道養(yǎng)護技術規(guī)范》[2]規(guī)定必須對口門區(qū)等重點航段進行定期的水下地形監(jiān)測與跟蹤分析，以期全面掌握水深變化趨勢、河床變化趨勢及航道現(xiàn)狀指標，為口門區(qū)養(yǎng)護措施提供參考依據(jù)。

建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術是一種應用于工程設計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，近年來在工程建設領域的應用日漸成熟。隨著BIM技術在水運工程領域應用的廣度和深度不斷增加，極大提高了航道勘察設計工作的效率和產品質量，但由于水運工程類型繁多且工程特性各不相同，當前BIM技術應用研究大多局限在BIM軟件自身提供的工程設計功能[3]。航道養(yǎng)護階段作為水運工程全生命周期的重要環(huán)節(jié)，當前該階段的BIM技術應用研究較少。總體上，國內內河航道維護工程管理中信息化應用水平還比較落后，內河航道維護水平難以適應航運發(fā)展的實際需求[4]。

巢湖作為典型的淺水湖泊，入湖口門處通常存在攔門沙淤積體[5]。本文以巢湖某航道口門區(qū)重點航段為研究對象，采用BIM軟件(Autodesk Civil 3D)對口門區(qū)水下地形觀測成果進行三維建模，對口門水下地形沖淤變化進行定量計算，結合參數(shù)化標準等級航道模型分析特征水位下的航道尺度，為維護性疏浚方案提供初步參考，以期為BIM技術在航道養(yǎng)護方面的進一步應用提供借鑒。

1 研究區(qū)域

1.1 口門航段概況

巢湖接納杭埠河、南淝河、兆河、白石天河等河流來水，各支流呈放射狀注入巢湖。本文研究重點航段位于巢湖東北部某支流航道入湖口門區(qū)，航道建設等級為Ⅱ級。其中河道部分為限制性航道，設計尺度為60 m×4.0 m×550 m(底寬×水深×最小彎曲半徑)，湖區(qū)部分按天然及渠化河流航道標準，設計尺度為100 m×3.7 m×550 m。

根據(jù)航道養(yǎng)護相關規(guī)定要求及巢湖口門航道工程建設及泥沙回淤特性，在該重點航段區(qū)域橫向范圍150 m內布設E級平面控制網和四等高程控制網，于2021年6和9月分別對該航段K15+500—K17+500范圍(河道1 km、湖區(qū)1 km)進行汛前汛后水下地形測量作業(yè)(圖1)，并形成1:1 000水下地形內業(yè)成果。

圖1 口門觀測航段

1.2 水文泥沙條件

巢湖原與長江自然連通，自1962年巢湖閘建成后，轉為水位受巢湖閘控制的半封閉湖泊。巢湖閘上控制水位6—8月為6.1 m，5—9月為6.6 m，非汛期為6.6～7.1 m。根據(jù)巢湖多年來實際運行情況，按巢湖中廟站實測逐月平均水位(圖2)成果分析，汛期(6—9月)該站2008—2016年月平均水位為6.7～10.3 m，非汛期(10月—次年5月)平均水位為6.5～7.5 m。除洪水年份外，巢湖水位較穩(wěn)定，全年水位變動幅度較小，一般在6.5～8.5 m區(qū)間內變化。

圖2 巢湖中廟站2008—2016年實測逐月平均水位變化

巢湖淤積來源主要是各入湖支流挾帶的泥沙，其次是岸坡崩塌物沿湖堆積形成淤積。且汛期受長江江水托頂影響，徑流所挾泥沙無法外排，最終沉降在湖區(qū)。近年來，支流河道經過治理，崩岸大幅減少。除洪水年份外，單條支流的徑流量和輸沙量均較小，湖床演變以波浪、風生湖流等造成的泥沙輸移為主，支流口門區(qū)由于回流及風浪引起的泥沙運動而呈緩慢淤積的態(tài)勢。

2 BIM應用思路

2.1 正向設計流程

與道路工程類似，內河航道工程為帶狀，傳統(tǒng)設計過程一般為：①設計軟件導入工程區(qū)域水下及岸線測圖；②設計航道平面走向；③設計航道底高程及邊坡；④使用設計軟件進行計算并出圖。由于上述流程平縱設計之間缺乏信息傳遞，導致設計、變更過程步驟繁瑣且容易出錯。

Civil 3D利用軟件的航道設計功能可以將平面路線、豎向設計高程與定制的橫截面組件相結合，為航道創(chuàng)建參數(shù)化的動態(tài)三維模型，通過修改航道各平縱設計要素的參數(shù)即可輕松修改整個航道模型。利用Civil 3D的參數(shù)化部件裝配特性，結合航道設計流程，總結航道工程的BIM正向設計流程如圖3所示[6]。

圖3 Civil 3D航道正向設計流程

此外，航道設計參數(shù)沿程發(fā)生變化時，傳統(tǒng)設計方法只能分區(qū)段設計，影響設計方案的整體性；不同分區(qū)設計的重復勞動、尤其是方案的變更也大幅降低了設計效率。在Civil 3D中，可通過提前繪制航道底邊線再設置為航道模型邊界的方法，直觀、高效地解決航道參數(shù)沿程變化問題[7]。

2.2 養(yǎng)護分析思路

內河航道中的口門區(qū)、彎曲狹窄段是重點維護的對象，為保證船舶航行安全，必須在重點航段觀測成果的基礎上，研究航段的沖淤特性及河勢變化規(guī)律，分析枯水期淺灘礙航區(qū)段，并采取疏浚、清障等措施進行維護，以滿足航道維護通航尺度要求。

通過上述對航段養(yǎng)護措施分析過程和成果的總結，對比2.1節(jié)的航道BIM正向設計流程，可知航道養(yǎng)護分析是對已建工程現(xiàn)狀進行評估，在一定意義上是設計過程的逆向過程，但在BIM技術的應用手段上兩者相似。上述過程中BIM應用都需要利用地形模型和航道參數(shù)模型進行合成，以達到統(tǒng)計、分析目標成果；而在航道養(yǎng)護中，由于同一水文年度內水情變化的復雜性，需要在不同水位條件下對航道現(xiàn)狀通航尺度進行分析，應用Civil 3D軟件更可體現(xiàn)BIM模塊化、參數(shù)化的優(yōu)勢，達到一次建模、參數(shù)控制和自動修正的效果。

通過對航道回淤計算和養(yǎng)護分析過程進行梳理，結合Civil 3D中部件編輯器、體積曲面等技術對數(shù)據(jù)處理的方法，總結航道沖淤計算及養(yǎng)護分析BIM應用路線如圖4所示。

圖4 Civil 3D航道養(yǎng)護分析應用路線

3 BIM應用過程

3.1 沖淤變化分析

利用口門航段汛前汛后水下地形測量作業(yè)成果，通過Civil 3D軟件建立口門航道的三維汛前汛后地形曲面模型，并將地形曲面模型疊加，生成包絡地形差異的體積曲面，軟件可自動計算出體積曲面的淤積量(填方)和沖刷量(挖方)指標。在體積曲面上作高程分析，顯示出的航段淤積和沖刷區(qū)域如圖5所示。

圖5 航段淤積和沖刷區(qū)域

同時，為了分析汛期口門航道回淤強度和分布規(guī)律，沿航道走向設置采樣線進行航道橫斷面分析。為與體積曲面計算結果比較，設置采樣目標為汛前汛后原始地形曲面模型，在不同采樣線間距控制下使用平均端面積法計算沿程沖淤量。上述沖淤量兩種計算方法所得結果對比見表1。

表1 口門航段沖淤計算結果對比

由圖5和表1可以看出，該口門航道河道段和湖區(qū)段沖刷與淤積均有發(fā)生，沖刷略多于淤積且淤積和沖刷區(qū)域分布較為分散。河段沖淤程度輕微，平均沖刷強度為8.3 cm/a，平均淤積強度為5.6 cm/a。使用平均斷面積法計算沖淤量時，采樣線間距直到達到20 m時計算結果與體積曲面計算結果較為一致。由于實際工程中往往是以間隔50 m為一個斷面進行施工圖設計及算量，在地形交錯較為復雜的情況下，Civil 3D軟件提供的體積曲面方法顯示出在土方計算上便捷性和準確性方面的優(yōu)勢。利用Civil 3D軟件對汛前汛后原始地形曲面模型進行坡度坡面分析，深泓線汛期擺幅很小，且走向無明顯變化。結合沖淤分析結果，本年度汛期航槽形態(tài)基本較為穩(wěn)定。

3.2 航段尺度分析

航道維護尺度是影響船舶安全航行的重要因素，一方面關系著維護工作量和資金投入；另一方面又影響航道的通過能力。航道養(yǎng)護工作的基本標準是要確保航道現(xiàn)狀尺度達到維護尺度，不發(fā)生阻航、斷航事故。

國內內河航道維護實行各省區(qū)分區(qū)域管理方案，各區(qū)域內航道條件、航運要求和經濟實力各不相同，航道養(yǎng)護水平和標準也有所差異，導致各區(qū)域內等級航道維護尺度標準和質量評定的不同，總結判斷航道現(xiàn)狀尺度是否滿足航道維護尺度的評價方法大致可分為以下兩類：

1)淤深約束。以航道底寬范圍內不滿足維護水深，平均淤高低于臨界值hc等。

(1)

此外，還可以附加航道長度約束lc或航道比例約束pc，當不滿足水深約束或底寬約束的航段長度不超過航道長度約束lc，或航段里程比例不超過航道比例約束pc時，判斷該航段滿足航道維護水平要求。

依據(jù)上述航道現(xiàn)狀尺度分析要素，編制航槽參數(shù)化斷面如圖6所示。因口門航段包含河道段及湖區(qū)段，沿程斷面設計參數(shù)底寬和邊坡坡比發(fā)生變化，利用部件編輯器生成參數(shù)控制部件，與航槽組成部件進行裝配，通過裝配特性配置航槽部件幾何尺寸參數(shù)來源，從而實現(xiàn)以輸入參數(shù)來驅動斷面尺寸變化的效果。與手工繪制邊界方法相比，全參數(shù)化航槽斷面在沿中心線進行放樣時，與起伏不定的河床地形達到緊密契合，模型精度與分析效率均得到提升。此外還開發(fā)了航槽底寬約束部件，并對斷面各部分點代碼及連接代碼進行分組設定，以適應不同的航道尺度約束分析要求。

圖6 航槽參數(shù)化斷面設計過程

根據(jù)巢湖當前水文條件及水位調控模式，取非汛期控制水位范圍6.5～7.0 m對航道尺度進行分析。繪制航槽設計縱斷面，經過航道放樣拉伸橫斷面裝配，形成航槽維護標準曲面。航槽維護標準曲面與原始地形曲面相結合生成體積曲面，通過斷面裝配上的點代碼延伸，形成航槽底邊線、航寬λ控制線，如圖7所示。

圖7 航槽尺度分析

3.3 養(yǎng)護措施分析

由圖6可知，非汛期航道湖區(qū)段航槽形態(tài)較好，滿足航道維護尺度條件。河口部分兩側輕微淤積，航槽向中心擠壓。河道段凹岸淤積明顯，水位進一步降低時，4 m等深線向航道中心發(fā)展，航寬最窄處已接近單線航道寬度。通過疊加高程點進行分析，航槽范圍內水深最淺處僅為2 m左右。

非汛期河道段維護水深及航寬無法兼顧，可考慮“舍寬保深”原則，通過局部調整或增設航標，將礙航淺灘、水深不足的淺點置于航道邊界以外，在保證維護水深的前提下，保證航道寬度不小于單線航道寬度。

當水位進一步降低時，已無法通過調整標準的手段保證航道通行尺度，可采取臨時性應急疏浚措施改善航道航行條件。鑒于該處淺區(qū)在水位較高時已呈現(xiàn)一定的礙航特性，且維護疏浚量(約20萬m3)較大，應根據(jù)實際養(yǎng)護能力和經費保障，制定該航段年度養(yǎng)護計劃，開展航道維護性疏浚工作，以保障航道安全暢通。

此外，針對枯水期通航水位變化情況，應加強淺區(qū)觀測工作，及時獲悉淺區(qū)航道水深條件，并及時向過往船舶發(fā)布航道維護尺度，通告船舶謹慎、按規(guī)航行。

4 結論

1)采用Civil 3D軟件，可依據(jù)測繪數(shù)據(jù)直接建立三維床底曲面，利用體積曲面分析可快速準確地對沖淤變化、河床演變進行量化分析。

2)采用部件編輯器建立全參數(shù)化航道斷面模型，可控制航道參數(shù)沿程變化，提高了航道和基準曲面的契合度，并實現(xiàn)了“一次建模、參數(shù)控制”的多方案快速分析。

3)Civil 3D軟件在養(yǎng)護分析過程中存在數(shù)據(jù)互通性不足的缺點，為提高效率需要對航道尺度定量分析等功能進行二次開發(fā)。Civil 3D軟件在航道養(yǎng)護分析中的思路及應用可為類似工程提供參考。