高拱壩施工導流風險可視化監測方法研究

黃小明

(常州市武進水利工程有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引 言

在水利水電工程施工全過程中，施工導流是關鍵環節之一，其包括導流建筑物布置、施工階段劃分、機組設備更換等問題[1]。施工導流是高拱壩施工的風險防范體系，一旦出現泄洪災害，就可通過導流及時疏通洪水。然而，當高拱壩出現漫頂現象時，就會導致施工過程不安全，甚至造成下游居民人員傷亡[2]。

目前，針對工程實際，已經建立了梯級施工導流風險模型。此模型主要探討水電工程建設前期擋水洪水風險，但難以全面反映整個建設階段的擋水洪水風險。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險模型。但高堆石壩壩體與高拱壩完全不同，施工機理難以指導。現有研究表明，風險模型只能反映出引水初期的滯洪風險，而不能反映出高拱壩的施工機理和實際澆筑過程，很難滿足檢測高拱壩施工風險率的要求。為此，本文提出基于BIM技術的高拱壩施工導流風險可視化監測方法研究。

1 基于BIM技術監測數據三維可視化

通過 BIM技術不斷更新監控點的監控信息，利用數據庫與BIM模型的交互，實現三維可視模型監控信息的顯示和自動存儲[3]。

基于BIM技術監測數據三維可視化流程見圖1。

圖1 基于BIM技術監測數據三維可視化流程

由圖1可知，監測數據三維可視化詳細流程如下：

步驟1：利用BIM技術獲取監測傳感器信息。

步驟2：選擇監測結構特征點位置，并依次編號。

步驟3：根據監測結構特征點位置，將待監測模型進行網絡化處理[4]。

步驟4：依據監測傳感器監測到的數據，模擬監測范圍。將鄰近結構的監控傳感器連接在一起，形成A區，每個監控傳感器在 A區一個角；獲得特征點的序列號，以及區域A范圍內特征點的位置；根據結構監測傳感器在區域A每個角點的位置信息和所采集的特征點位置信息，計算出區域A范圍內所有特征點的形狀函數值[5-7]。

特征點函數的數值計算圖解見圖2。

圖2 特征點形函數數值計算示意圖

由圖2可知，依據該示意圖，計算形函數數值，公式為：

Rn1=Rn1-c1+Rn1-c2+…+Rn1-cr

(1)

式中：C1-Cr為監測傳感器連接形成區域A；n1為區域A內特征點；Rn1為形函數數值；Rn1-c1～Rn1-cr為監測傳感器相對于特征點權重系數[8]。

根據各特征點對應的形狀函數值，得到各特征點對應的模擬監測信息，包括模擬監測數據和模擬監測指標結果：

hn1=hc1Rn1-c1+hc2Rn1-c2+…+hcrRn1-cr

(2)

gn1=gc1Rn1-c1+gc2Rn1-c2+…+gcrRn1-cr

(3)

式中：hc1～hcr為監測傳感器實際采集的待監測數據；gc1～gcr為hc1～hcr對應的監測指標模擬結果[9-10]。

步驟5：基于模擬監測數據值及模擬監測指標結果，對特征點進行顏色分配，特征RGB信道中的信道數據值為模擬監測數據值或模擬監測指標結果，對監測數據進行顏色分布云圖分析和結構監測指標分析[11]。

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

步驟7：通過重復步驟5-步驟7，對傳感器采集的實時數據進行彩色云圖顯示。

2 高拱壩施工導流風險可視化監測

依據BIM技術監測數據三維可視化流程，設計高拱壩施工導流風險可視化監測流程，見圖3。

圖3 高拱壩施工導流風險可視化監測流程

由圖3可知，高拱壩施工導流風險率檢測方法，包括以下步驟：

步驟1：擋水度汛面貌數據獲取

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、力學結構、澆注混凝土施工能力、溫度控制等多個方面數據[14]。同時考慮許多復雜約束條件，用計算機對其進行仿真研究，并用隨機動態數學關系模型函數對其描述。設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：施工仿真參數優化

施工模擬結果與模擬參數有密切關系，其基本參數嚴格按照具體施工規程確定。在基本參數基礎上，參考實際施工經驗，通過優化模擬方案，優化最終模擬參數。

step2：月澆筑數據分析

通過對模擬參數的優化，得到壩體施工全過程每月澆注及接縫灌漿標高的動態模擬結果。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據，即整個施工過程中壩底高程、接縫灌漿的月系列數據[15]。

step3：導流階段劃分

針對高拱壩施工導流特點，按導流工程規模及整個施工過程中壩體月澆筑量，劃分導流階段，進行施工導流規劃。

step4：擋水度汛面貌數據獲取

上游圍堰是在前期導流階段用于蓄水和防洪，由此確定擋水度汛面貌數據。

步驟2：導流風險數學模型構建

在工程設計階段，根據高拱壩施工模擬優化結果，確定導流標準、導流洞布置方案及圍堰尺寸。

在建立K+T年導流隧洞運行過程中，主汛期洪水位超過建筑物擋水標高的導流風險數學模型如下：

(4)

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

步驟3：對施工洪水及導流洞泄流能力分析，確定各隨機因素參數

步驟4：動態模擬汛期洪水位變化過程

步驟5：計算高拱壩施工導流風險概率

1) 風險因素分析。按照高拱壩施工初期引水風險模型定義，考慮流量隨機性，確定影響導流風險主要因素，即洪水隨機性、導流洞泄流隨機性和其他影響因素。①洪水隨機性。河流主汛期的洪水周期短、漲落快，這是高拱壩施工導流重點關注因素。②導流洞隨機性。在施工階段，導流洞的泄流能力受截面面積因素影響。采用隨機模擬方法，確定導流洞流量密度曲線更接近三角形分布。③其他影響因素。高拱壩施工導流系統十分復雜，導流建筑物的結構安全性、壩縫等因素對施工影響是不可避免的。當導流孔直徑過大、不能滿足中期防洪要求時，需研究壩體預留泄洪孔的施工防洪方案。在此過程中，由于施工中預留的空隙，大壩的整個施工過程將發生實質性的變化，模擬施工邊界條件也將隨之改變。

2) 風險概率計算。考慮到洪水隨機性、導流洞泄流隨機性和其他影響因素，結合高拱壩施工沖刷期的洪水預報數據，確定導流風險率估算具體方案：

先期引水施工時，對前擋水汛期進行模擬，計算確定水力隨機因素的概率分布參數，以模型參數為輸入，確定模擬值。在工程洪水過程仿真的基礎上，生成工程洪水峰值流量隨機數和泄量系數，擬合出工程洪水泄量曲線。經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進行統計分析，發現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流風險率，見步驟2中式(4)。

步驟6：對高拱壩施工導流風險判別

在導流隧洞施工風險設計中，根據風險分析理論，先將設計洪水再現期轉化為設計風險系數，再對模擬導流風險系數計算比較，以判斷導流隧洞設計是否合理。

設TIE為初期導流洪水出現期，TME為中期導流洪水出現期，根據該公式，得到初期和中期導流風險系數的表達式：

(5)

按照現行規范的要求，高拱壩超過圍堰頂高程后，就有沖毀高拱壩危機。因此，導流洞的設計應同時滿足初期和中期防洪標準。

針對導流水汛期存在的兩個不同時段，進行詳細分析：①在導流工程初期，若擋水建筑物仍為圍堰形式，則該時段的導流風險識別標準為RMi=RIi；②導流工程中期，若擋水建筑物為大壩形式，則該時段的導流風險識別標準為RMi

3 工程案例分析

為了驗證基于BIM技術的高拱壩施工導流風險可視化監測方法研究合理性，以某座大壩進行案例分析。

3.1 施工仿真研究

對長江上游的一座大壩進行施工模擬研究，拱壩高218 m，為一級大型工程，采用雙曲孔導流方式，汛期貫穿整個施工。施工導流規劃見表1。

表1 施工導流規劃

高拱壩施工導流受到各種因素影響，所采用的施工仿真參數應嚴格按照規程設計，依據施工總工期、進度模擬實際施工。施工仿真結果見表2。

表2 施工仿真結果統計

3.2 結果分析

理想情況下的高拱壩施工初期、中期、后期導流風險分別從0.015、0.013和0.003 5降為0.003 5、0.003 1和0.001 2。分別使用梯級建設環境下導流風險模型、高堆石壩擋水風險模型和基于BIM技術可視化監測方法監測高拱壩施工初期、中期、后期導流風險，結果見圖4。

圖4 3種方法施工初期、中期、后期導流風險監測結果對比分析

由圖4(a)可知，初期、中期導流風險概率分別從0.015、0.014降為0.009 5、0.008 3；后期導流風險概率從0.003 8降為0.002 9。

由圖4(b)可知，初期、中期導流風險概率分別從0.015、0.013 5降為0.009、0.007；后期導流風險概率從0.003 8降為0.002 2。

由圖4(c)可知，初期、中期導流風險概率分別從0.015、0.013 8降為0.003 5、0.003 1；后期導流風險概率從0.003 5降為0.001 2。

通過上述分析結果可知，基于BIM技術可視化監測方法對高拱壩施工初期、中期、后期導流風險監測結果與理想情況最為接近，偏差為0.000 8，分析結果較為精準。

4 結 語

針對高拱壩施工導流風險可視化監測，結合BIM技術，能夠合理監測導流風險率。通過BIM模型能夠可視化顯示監測結果，并依據評判標準，對導流結果進行評價，為高拱壩安全施工提供技術支持。使用該監測方法能夠彌補傳統方法的不足，為高拱壩導流施工提供理論依據。

雖然使用該監測方法能夠精準監測導流風險，但受到高拱壩施工導流眾多因素影響，該導流風險理論與方法在工程實踐中有待進一步完善。