基于BIM架構(gòu)的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法研究

林德裕

(中水興鋒盈控股有限公司，福州 350821)

0 引 言

大壩的基礎(chǔ)灌漿是水利水電工程建設(shè)中基礎(chǔ)處理經(jīng)常使用的方法，水利工程樞紐的功能豐富，大壩灌漿的主要作用就是能夠?yàn)樗こ虡屑~進(jìn)行除險(xiǎn)防滲加固，因此一些綜合的水電樞紐工程都會采用大壩灌漿來進(jìn)行地基處理[1-2]。大壩灌漿是水利水電工程中的重要環(huán)節(jié)，在實(shí)際的施工過程中，大壩灌漿工程相對隱蔽，因此其質(zhì)量檢測難度較高，出現(xiàn)的質(zhì)量問題無法表征，且影響灌漿質(zhì)量的因素很多，人員操作、材料設(shè)備、方法技術(shù)以及大壩的地質(zhì)環(huán)境都會影響大壩灌漿質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)的資料統(tǒng)計(jì)，一些大壩發(fā)生事故的原因都是因?yàn)榈鼗脑蚨鸬模酝鶎τ诖髩喂酀{施工全域監(jiān)管基本都是靜態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和評估，但是在水利水電工程大壩灌漿工程施工過程中，施工人員的技術(shù)水平、設(shè)備性能、材料選擇以及地質(zhì)環(huán)境都存在著很多不確定性，施工的風(fēng)險(xiǎn)因素以及大壩灌漿的質(zhì)量就會隨著時(shí)間而發(fā)生變化。傳統(tǒng)的靜態(tài)監(jiān)管方法很難預(yù)測和評估這樣動態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)，難以采取合適的措施防范風(fēng)險(xiǎn)，因此本文設(shè)計(jì)一種基于BIM架構(gòu)的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法。

1 基于BIM架構(gòu)的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法研究

1.1 建立大壩BIM模型

為了實(shí)現(xiàn)大壩灌漿施工過程的動態(tài)監(jiān)管，可以引入BIM技術(shù)，建立大壩的BIM模型。在大壩建模過程中，根據(jù)工程的實(shí)際需要專門定制AutoCAD軟件包，這是一種業(yè)內(nèi)常用的能夠有助于快速完成道路工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的軟件[3-4]。在大壩模型中，能夠完成存在的曲面、橫斷面、縱斷面等之間的動態(tài)連接。大壩模型需要在地形曲面上建立，兩者融合后確定模型軸線，依據(jù)地形創(chuàng)建截面，最后得到整體模型[5-6]。在建模過程中，需要確定相關(guān)的模型參數(shù)，在不同的施工工程中，大壩的規(guī)模也不相同。在大壩高度增量相同的情況下，高度越高沉降變形越大，因此需要嚴(yán)格要求大壩在建模過程中的填筑標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 大壩填筑標(biāo)準(zhǔn)

壩型不同，填筑標(biāo)準(zhǔn)也會有所不同。由于大壩壩體的防滲體剛度差異很大，因此變形的適應(yīng)能力也不同，為了保證大壩防滲的穩(wěn)固，針對不同的壩料種類設(shè)置填筑標(biāo)準(zhǔn)。在壩料的施工參數(shù)的計(jì)算過程中，首先要清楚不同壩料的級配和強(qiáng)度指標(biāo)，保證壩料性能[7-8]。壩高規(guī)模與深厚覆蓋層這兩個壩基條件是首先要考慮到的，壩料在相對密度的計(jì)算過程中，可以遵循下式：

(1)

式中：Dr為壩料的相對密度；emax為在最松弛狀態(tài)下的孔隙比；emin為最緊密狀態(tài)下的孔隙比；e為自然狀態(tài)下的孔隙比。

由于孔隙比很難直接測得，孔隙比可以通過下式求出：

(2)

式中：ρd為實(shí)際的干密度；ρs為飽和密度。

因此可以將公式(1)寫為：

(3)

式中：ρdmax為壩料的最大干密度；ρdmin為最小干密度[9-10]。

壩料的質(zhì)量與大壩灌漿填筑的質(zhì)量密切相關(guān)，因此在料源的控制與選擇上，一般的面板堆石壩的壩料主要為砂礫料和碎石料。這兩種原料的相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)見表2。

表2 原料灌漿質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

需要注意的是，在砂礫料的質(zhì)量指標(biāo)中，滲透系數(shù)要大于防滲體的50倍，可以根據(jù)地域和具體的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整。至此完成大壩BIM模型系數(shù)的確定。

1.2 大壩灌漿風(fēng)險(xiǎn)識別

在水利水電工程中，大壩灌漿屬于規(guī)模龐大的基礎(chǔ)工程，對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的正確識別，是實(shí)現(xiàn)施工全域監(jiān)管的基礎(chǔ)。本文在風(fēng)險(xiǎn)識別過程中，提出TBS-RBS動態(tài)識別方法[11-12]。在大壩灌漿工程這個龐大的施工系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)會影響質(zhì)量的風(fēng)險(xiǎn)因素，經(jīng)過動態(tài)的演變和累積，量變引發(fā)質(zhì)變，就會發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事件，整個施工系統(tǒng)出現(xiàn)異常而引發(fā)大壩灌漿的質(zhì)量問題。在大壩灌漿的整體施工過程中，在不同的時(shí)間段會存在著不同的風(fēng)險(xiǎn)因素，即便是相同的風(fēng)險(xiǎn)因素在隨著時(shí)間推移的過程中也會發(fā)生一定的改變。因此隨著時(shí)間序列的推移，風(fēng)險(xiǎn)因素是變動的，因此本文使用的TBS-RBS動態(tài)識別方法能夠隨著工作時(shí)間法推進(jìn)而將時(shí)間進(jìn)行劃分，在不同的時(shí)間段內(nèi)對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別。除此之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)在一個時(shí)間段對工程中整個空間范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別分解。在本文使用的動態(tài)識別方法中，能夠?qū)r(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分解，得到時(shí)間/風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

圖1 時(shí)間/風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)圖

首先需要明確大壩灌漿施工過程中總體的時(shí)間跨度、風(fēng)險(xiǎn)識別的對象以及范圍，分別根據(jù)研究對象的時(shí)間跨度和項(xiàng)目特點(diǎn)，將其按照時(shí)間推移進(jìn)行分解，并找出施工項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)源[13-15]。在經(jīng)過圖1的分解后，將時(shí)間分解與風(fēng)險(xiǎn)分解進(jìn)行交叉，得到風(fēng)險(xiǎn)識別矩陣，見表3。

表3 TBS-RBS風(fēng)險(xiǎn)識別矩陣

通過表3中的風(fēng)險(xiǎn)識別矩陣，按照矩陣中的原始數(shù)據(jù)判斷各個時(shí)間點(diǎn)中是否存在該矩陣橫行所對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，若存在風(fēng)險(xiǎn)，aij的值為1；若不存在風(fēng)險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)小到可以忽略，則aij的值為0，以此為方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別。本文的監(jiān)管方式中，使用TBS-RBS動態(tài)識別可以將工程施工系統(tǒng)中的各個時(shí)間與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分解，有效避免風(fēng)險(xiǎn)因素遺漏，細(xì)化風(fēng)險(xiǎn)的定性分析。

1.3 實(shí)現(xiàn)全域監(jiān)管

在工程施工的過程中，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生是有一定概率的。在實(shí)現(xiàn)大壩灌漿的全域監(jiān)管方法中，需要引入動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)使用的是無環(huán)圖進(jìn)行表示，其中的節(jié)點(diǎn)能夠表示系統(tǒng)中的變量，其中的有向邊能夠表示變量之間的因果依賴關(guān)系，沿著時(shí)間軸的動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖見圖2。

圖2 動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

從大壩灌漿施工來看，基礎(chǔ)的灌漿施工能夠直接對灌漿質(zhì)量產(chǎn)生影響，而人、材、機(jī)直接影響灌漿施工的質(zhì)量。對大壩灌漿進(jìn)行全域監(jiān)管時(shí)，其中各個影響節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)描述見圖3。

圖3 灌漿質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)影響分析圖

在上述條件下，要根據(jù)實(shí)際的工程需求分析制定初步計(jì)劃，選擇邀請專家對問題進(jìn)行詳細(xì)分析，確定相關(guān)變量及狀態(tài)空間后，選擇相應(yīng)的知識庫和基于知識的建模方法，當(dāng)存在樣本數(shù)據(jù)時(shí)，利用專家知識和數(shù)據(jù)樣本學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從數(shù)據(jù)中獲取概率分布；在不存在樣本數(shù)據(jù)時(shí)，由專家確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和概率分布，最后對全域監(jiān)管的模型進(jìn)行測試和修正，最終實(shí)現(xiàn)基于BIM架構(gòu)的大壩灌漿施工全域監(jiān)管。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

本文選擇某水庫擴(kuò)建工程作為分析實(shí)例。使用本文設(shè)計(jì)的方法建立大壩實(shí)體的BIM模型，其三維視圖見圖4。

圖4 大壩BIM模型三維視圖

該水庫工程主要作用為灌溉、防洪，并兼顧發(fā)電和航運(yùn)。該水庫的正常蓄水位241 m3，鋼筋混凝土面板堆石壩壩頂高程264.0 m，最大壩高114 m，壩頂長328 m，壩頂寬10 m。大壩灌漿主要是河床以及左右岸坡趾板趾基固結(jié)灌漿、帷幕灌漿。在X線布置過程中，設(shè)計(jì)的孔距為2.4 m，單個孔深為8～11 m，在207 m高程以下，采用主副帷幕雙排進(jìn)行帷幕灌漿，雙排排距1.0 m；207 m高程以上采用單排主帷幕。根據(jù)上述工程規(guī)模，可以計(jì)算出該工程的主要工程施工量，固結(jié)灌漿鉆孔長度約為8 125 m，帷幕灌漿鉆孔總長度為16 511 m，灌漿長度為13 150 m，帷幕灌漿孔總數(shù)量共416個，孔的編號從Q1-Q416。大壩的平面布置見圖5。

圖5 施工大壩的平面布置圖

在上述的工程概況下，使用本文設(shè)計(jì)的全域監(jiān)管方法進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)評估。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)識別與評估

首先對該基礎(chǔ)灌漿工程對灌漿質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素所在時(shí)間進(jìn)行分解。為了提高計(jì)算效率，設(shè)置4個時(shí)間節(jié)點(diǎn)，分別為第1個月、第3個月、第6個月、第8個月。由于大壩基礎(chǔ)灌漿工程的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)因素識別中，主要有人、料、機(jī)、方法、環(huán)境等幾方面，因此需要以分解的時(shí)間為基礎(chǔ)，對這幾方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別，得到的風(fēng)險(xiǎn)識別結(jié)果見表4。

表4 風(fēng)險(xiǎn)識別結(jié)果

從表4的識別結(jié)果可以看出，在大壩灌漿的各個階段都存在各個方面的細(xì)分因素，因此不同因素在各階段中的狀態(tài)需要在BIM模型建立后，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的條件概率進(jìn)行確認(rèn)，并通過結(jié)果給出相應(yīng)的改進(jìn)建議。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于BIM架構(gòu)的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法在風(fēng)險(xiǎn)評估過程中具有一定的有效性，同時(shí)使用傳統(tǒng)的監(jiān)管方法對該施工過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，同樣給出一定的改進(jìn)建議，最后對兩種監(jiān)管方法給出的改進(jìn)建議進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值評估。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對比分析

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，分別得到兩種監(jiān)管方法改進(jìn)建議的風(fēng)險(xiǎn)值評估結(jié)果，見表5。

表5 改進(jìn)建議風(fēng)險(xiǎn)值評估結(jié)果比較

在表5的風(fēng)險(xiǎn)值評估過程中，8條改進(jìn)的建議是針對風(fēng)險(xiǎn)識別的結(jié)果而提出來的，傳統(tǒng)的監(jiān)管方法和本文監(jiān)管方法各自提出相關(guān)的改進(jìn)建議，利用綜合的風(fēng)險(xiǎn)值評估方法對以上提出的建議進(jìn)行評估，得到表5中的結(jié)果。通過結(jié)果可以計(jì)算出，傳統(tǒng)監(jiān)管方法的綜合風(fēng)險(xiǎn)值平均為0.46，本文方法的綜合風(fēng)險(xiǎn)值平均為0.17。根據(jù)這個結(jié)果可以推斷出，本文設(shè)計(jì)的基于BIM架構(gòu)的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法在風(fēng)險(xiǎn)識別過程中具有一定的有效性。

3 結(jié) 語

大壩灌漿這種隱蔽工程的質(zhì)量還無法直觀地進(jìn)行檢測，因此在出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)也難以發(fā)現(xiàn)。另外，影響大壩灌漿質(zhì)量的因素會隨著時(shí)間而發(fā)生改變，傳統(tǒng)的靜態(tài)監(jiān)管方法無法準(zhǔn)確識別施工風(fēng)險(xiǎn)，因此很容易造成大壩質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)問題。針對這一點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種基于BIM架構(gòu)的大壩灌漿施工全域監(jiān)管方法，通過建立BIM模型，引入TBS-RBS動態(tài)識別方法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)識別與全域監(jiān)管。通過實(shí)例分析進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的方法在風(fēng)險(xiǎn)識別過程中具有更高的準(zhǔn)確性。