裝配式小型重力壩安裝搭接施工設計仿真及整體穩定性分析

董世勇 陳佳 唐曉松 王永甫

摘要：研究提出基于BIM 建筑信息系統的裝配式小型重力壩建筑施工和設計理念，以柬埔寨Ganzai小型水電站為研究對象，對壩體結構進行裝配式結構優化和三維設計，利用Revit 定義了裝配式建造所需的底板族、標準構件族、迎水面族和頂板族并賦予合理的尺寸。進行壩體裝配塊建模和施工流程模擬，基于ANASYS 有限元對裝配完成后的大壩進行整體穩定性和抗滑穩定性分析。結果表明，采用裝配式施工工藝的小型混凝土重力壩整體穩定性均滿足設計要求。抗滑穩定性分析發現壩體抗滑穩定性有充分保證。

關鍵詞：BIM；建筑裝配；小型重力壩

中圖分類號：TP391；TU721.1??? 文獻標志碼：A????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0163-05

Stability analysis and construction design simulation of prefabricated gravity dam based on BIM

DONG Shiong1，CHEN Jia1，TANG Xiaosong2，3，WANG Yongfu2

（1. Chongqing Water Resources Bureau，Chongqing Three Gorges Reservoir Area Work Service Center，Chongqing 401147，China；2. Chongqing Engineering Research Center of Automatic Monitoring for GeologicalHazards，Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources，Chongqing 400042，China；3. Chongqing Vocational College of Public Transportation，Department of Railway andConstruction Engineering，Chongqing 402247，China）

Abstract： The construction and design concept of prefabricated small gravity dam based on BIM building informa? tion system is proposed. Taking Ganzai small hydropower station in Cambodia as the research object，the prefabri? cated structure optimization and three-dimensional design of the dam structure are carried out，and the floor family， standard component family，waterfront surface family and roof family required for prefabricated construction are de? fined by Revit and given reasonable dimensions. The dam assembly block modeling and construction process simu? lation are applied，and the overall stability and anti-slip stability of the dam after assembly are analyzed based onthe ANASYS finite element. The results showed that the overall stability of the small concrete gravity dam using the prefabricated construction process met the design requirements. The anti-slip stability analysis showed that the an?ti-slip stability of the dam body was fully guaranteed.

Keywords： BIM；building assembly；small gravity dam

水電能源作為目前主流的清潔能源，在各個國家具有重要地位。現階段，東南亞國家正在大力開發和推廣小型水電工程項目，私人小水電發展勢頭迅猛。建筑裝配式施工工藝在標準化、模塊化和施工成本方面較傳統施工方法具有明顯優勢，目前在工業民用建筑施工中得到了非常廣泛的普及[1-3]。但是在水電項目中應用和實踐研究依然相對較少，相關裝配式水工建筑研究成果年代久遠[4-6]。

因此，本文提出結合現有的建筑裝配式施工工藝，基于BIM信息系統對小型重力壩進行三維裝配式設計，研究該類型水壩在建造過程匯總的相關設計規律和方法，并對壩體穩定性進行了定量分析。希望本文的研究為此類型水電開發項目提供一定參考。

1裝配式重力壩設計

柬埔寨Ganzai項目為混凝土重力壩，參考重力壩相關設計要求，項目基本地質情況以實際壩基巖體地質條件為準，基巖為弱風化花崗巖，因此不考慮建基面的處理，僅開挖至指定建基面高程并找平，以達到壩體施工條件。裝配式重力壩設計應力求無貫通式伸縮縫、水平縫和垂直縫這3條設計原則，并且在正常滿蓄和施工條件下，壩體各項荷載指標及穩定性滿足設計要求[7-8]。

1.1裝配結構塊選擇

根據前期相關研究成果，裝配式大壩主要采用5種裝配式預制構件，分別為正方形、長方形、L型、工字型和釘字型[9]。本文所采用的重力壩為確保其整體性和貫通性設計要求，采用工字型預制構件，構件采用 C35鋼筋混凝土預制構件，每個構件寬2.5 m，高1.5 m，長度3.0 m，兩端為對稱配置，工字角截面尺寸為0.5 m×1.5 m×0.25 m。

1.2壩體結構優化和設計

考慮到裝配式施工特點，大壩上游壩面坡比從1∶0.3改為垂直，下游壩面坡比保持原有1∶1。壩體頂部寬度設定6.0 m，底部寬19.0 m，壩高13.0 m，與原有設計尺寸基本一致。

裝配式設計過程中，根據裝配結構塊的尺寸，和壩體體積和尺寸，初步確定裝配式大壩需要標準結構塊1150塊，裝配層數為8～9層，壩底部寬55 m，需要鋪設標準結構塊220塊。壩體安裝過程應確保標準結構塊前后搭接咬合，并設置前后排高差約0.5 m，左右垂直向立體快同樣錯開0.5 m，這樣保證在裝配過程中不會形成貫通縫隙，增強壩體整體穩定性。經過優化設計后的混凝土重力壩橫剖面如圖1所示。

1.3壩體裝配式三維設計

項目所在地區交通運輸條件差，為適應實際施工需求，將標準結構塊質量限制在32 t 以下。另外，為了確保大壩迎水面壩體的整體性和防滲效果，設計迎水面裝配式結構塊和大壩底板結構塊，其基本參數如表1所示，結構如圖2所示。

2基于BIM的水壩模擬施工

利用BIM建筑信息管理技術，對小型重力壩裝配式施工工藝流程進行分析，建立項目裝配模塊，進行碰撞檢查、模擬施工過程，用于指導大壩實踐施工。采用目前最為成熟的歐特克公司開發的BIM軟件平臺，其中Revit 2016對大壩模型和數據進行建模和管理，Navisworks 2016對建模過程進行施工模擬。

2.1 Revit 裝配塊建模

根據已知標準模塊二維尺寸，在Revit 中建立三維模型并定義為族，根據現有的大壩結構特征，需要建立底板族、標準構件族、迎水面族和頂板族，其各類基本信息如表1所示。

將以上4類裝配式構件族導入到Ganzai項目“混凝土重力壩.rvt”中，進行底板的鋪設，其具體建模過程如下：

2.1.1 大壩底板和工字塊鋪設

由于所研究小型混凝土壩底板基巖為弱風化花崗巖，僅需要進行開挖找平即可，因此在確定場地標高后，設定位移偏移量為400進行底板軸線網絡鋪設。

以第1層的混凝土塊開始進行工字塊構件布設，其偏移量保持不變。其中，雙數排工字塊裝配堆疊過程中偏移量設置為700，單數排工字塊裝配按這一規律錯開堆疊，其堆疊過程中的排列方式和立面效果如圖3所示。

2.1.2 迎水面和頂板鋪設

迎水面鋪設參考底板為第1層混凝土塊鋪設高度，保持固定偏移量；第2次迎水面鋪設參考第5層工字塊構件的位置，其偏移量設置為500。大壩鋪設完成后進行頂板鋪設，鋪設高度參照頂部工字塊高度，頂板偏移量為800，鋪設完成后裝配式大壩效果如圖4所示。

2.2 Navisworks施工模擬

在大壩三維裝配式建模基礎上利用Navisworks 進行4D 建模，其主要過程是對每個裝配塊添加時間向量，在軟件中進行碰撞檢測并對整個裝配流程進行復核，查明可能存在的設計問題，最后進行施工模擬。

Navisworks 軟件中主要存在4種碰撞檢測方式[10]。由于采用混凝土裝配式構件，因此選用硬碰撞檢測，檢測結果顯示碰撞為0，代表建模過程及裝配施工工藝中是合理的。碰撞檢測完成后，利用Time 模塊定義施工過程模擬演示，針對項目的特點和項目施工進度計劃，為每個裝配過程設定時間參數、施工流程并賦值，最后計算本項目的施工工期為80 d，相較于傳統施工工期（4個月）提高效率約25%。其基本進度如圖5所示。

3 裝配式壩體穩定性分析

為分析優化后的裝配式大壩整體安全性和結構穩定性，采用ANASYS 建立三維有限元模型，通過分析壩體在施工和運行兩種工況下的應力應變和位移基本情況。重點校核和檢驗裝配式大壩在運行期間的抗滑穩定性和水平截面的整體穩定性。由于采用裝配式工藝，在進行有限元分析過程中重點需要解決的是單元劃分過程中的結構離散化以及裝配件的總體剛度問題。其中，有限元分析以裝配件為單元體，通過節點對有限單元體連接形成單元體組合，從而代替常規的混凝土結構，數值計算精度與單元分割精度、形式和數量相關。模型的總體剛度以矩陣元素K表示，其計算公式：

采用虛位原理，列出所有節點的平衡方程，用于結構的整體性運算，從而建立起裝配式大壩的總體剛度矩陣方程，并最終獲取節點的位移計算方法，如下：

式中：K代表裝配模型的總體剛度矩陣；δ代表節點向量；P代表節點荷載構成的力向量。

建模過程所采用的單元節點與材料類型如表2所示。

3.1 整體穩定性分析

整體穩定性分析中，模型底部為全部約束條件，上下游壩體為自由垂直約束，頂面為自由邊界。模擬過程中采用施工期和運營期兩種工況，施工期壩體僅受自重應力，運營期壩體所受到的荷載包括自重應力、靜水壓力和楊壓力。施工期混凝土重力壩的位移云圖如圖6（a），運營期位移云圖如圖6（b）。

從圖6（a）可以看出，在施工期庫內空水位情況下，壩體僅承受自重應力，其最大位移為0.26 mm，位移位于壩體頂部中間。總體上壩體重心向上游傾斜，說明裝配施工過程中壩體位移矢量會產生向上游的位移趨勢。從圖6（b）分析結果發現壩體在正常運營并承受最大庫水位情況下，壩體中部偏上部位承受位移最大，約為0.31 mm，其位移矢量總體趨勢傾向河流下游。

對比2種工況下壩體的受力狀態，大壩順河向主要承受壓應力作用，上游壩面由于壩體變形影響出現了小范圍的拉應力集中現象。施工工況下，壩體最大拉應力為0.24 MPa，位于壩肩與兩岸山體接觸帶；最大壓應力為0.91 MPa，位于壩基底部。運營工況下壩體最大拉應力為0.24 MPa，位于壩基與建基面接觸部位上游；最大壓應力為0.76 MPa，位于壩基與地基接觸部位下游。但2種工況下所受應力強度均低于裝配式大壩的強度標準值，滿足設計要求。

3.2 抗滑穩定性分析

利用點安全系數建立壩內某一點的抗剪強度與實際剪應力的比值，來表征壩體抗滑穩定性[11]。抗滑穩定性按大壩在水庫最大蓄水位條件下，考慮正面水壓力和塊體摩擦力。依據相關規范可知混凝土之間摩擦系數一般在0.6～1.2，通過設計混凝土試塊摩擦力試驗確定試塊之間的靜摩擦系數為0.75，為了充分考慮壩體在極端條件下的穩定性，選取0.6、1.0和1.2，此3種摩擦系統條件下計算壩體內部點安全系數，其結果如圖7所示。

從圖7可以看出，在摩擦系數f=0.6工況下，壩體安全系數最大值為14.30，位于壩體建基面壩踵位置；點安全系數最小值為1.83，位于壩基下游壩址處。說明在這一摩擦系數條件下，壩體安全性有充分保證。在摩擦系數f=1.0條件下，大壩點安全系數最大值和最小值分別為20.61和2.65；在摩擦系數 f=1.2條件下，壩體點安全系數最大、最小值分別為23.82和3.06；抗滑穩定性分析結果表明裝配式大壩壩體不存在抗滑穩定性問題，其安全系數具有足夠的富余。

4 結語

以柬埔寨Ganzai小型重力壩項目為研究對象，在對壩體進行了裝配結構優化和三維設計的基礎上，基于BIM 對水壩裝配塊進行了鋪設模擬和施工模擬，并基于有限元分析軟件對壩體的穩定性進行了初步分析，得出以下結論：

（1）裝配式重力壩設計應力求無貫通式伸縮縫、水平縫和垂直縫這3條設計原則，并且在正常滿蓄和施工條件下，壩體各項荷載指標及穩定性滿足設計要求。利用BIM 建筑裝配施工工藝，為每個裝配過程設定時間參數、施工流程并賦值，模擬計算施工工期為80 d，相較于傳統施工方案縮短工期約25%；

（2）施工工況下，壩體最大拉應力為0.24 MPa，位于壩肩與兩岸山體接觸帶，最大壓應力為0.91 MPa，位于壩基底部。運營工況下壩體最大拉應力為0.24 MPa，位于壩基與建基面接觸部位上游；最大壓應力為0.76 MPa，位于壩基與地基接觸部位下游。但2種工況下所受應力強度均低于裝配式大壩的強度標準值，滿足設計要求。抗滑穩定性計算成果表明，壩體點安全系數最小值為1.83，說明壩體具有足夠的抗滑安全度；

（3）研究僅著眼于低水頭小型混凝土重力壩的裝配式設計施工方案，工況較為簡單，壩體的斷面為標準斷面，力學荷載僅考慮重力、靜水壓力和楊壓力作用。因此在今后的研究中應考慮壩體高度超過30 m，綜合樞紐和多功能大壩的裝配施工工藝，并且考慮滲流作用下的壩體穩定性。

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