基于3DE參數化建模的重力壩邊坡開挖優化設計

陳平平,毛擁政,補舒棋,王 洋

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001)

BIM(Building Information Modeling)技術是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具,在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。自誕生以來一直被視為勘察設計領域的一次突破性技術革新,打破了傳統二維CAD設計模式下因技術手段缺乏而帶來的種種限制[1],近年來,在水利工程設計方面,基于達索3DEXPERIENCE平臺(以下簡稱“3DE 平臺”),采用在線協作的管理模式,通過建立參數化水工BIM模型,從而實現了三維模型的參數設計化和快速修改,其中在陜西省引漢濟渭黃金峽水利樞紐工程和三河口水利樞紐等工程設計中實現了工程量統計、三維出圖、可視化表達等,形成了一套基于BIM技術的水利水電工程設計流程體系,提升了設計效率和設計質量,并為工程未來的智慧化應用奠定了數字基礎[2-4]。

在水利工程建設過程中邊坡開挖一般所占的規模比例較大,岸坡的開挖方案作為設計環節重要的一部分,需要充分考慮影響邊坡穩定、施工環境和實際情況等因素,針對性選擇開挖方式、支護方式等[5],設計成果通常影響著整個工程的施工進度、費用、安全以及水利樞紐運行期間的安全穩定。在大壩的建設過程中,受當地施工條件限制,所選擇的料場既作為施工場地又需要考慮開挖料料源滿足的情況時,對邊坡的開挖設計提出更高的要求,需多方案對比尋找最優的開挖方案[6-9]。對于設計人員將會面臨以下兩個方面的困難,一方面多方案比選過程中設計和計算過程重復性高、周期長,工程量等受計算方法誤差較大,影響設計成果的準確性;另一方面平面設計較三維設計可對比性差,方案調整難,很難比選出適應性較強的方案。鑒于以上所存在的實際施工問題和設計人員所面臨的難題。本文以實際工程項目作為研究對象,基于3DE平臺進行參數化三維動態正向設計[10-12],實現快速調整開挖方案并自動計算開挖工程量,完成開挖設計優化過程,可為同類工程項目設計提供技術參考。

1 項目介紹及模型創建

某河水庫工程為Ⅳ等小(1)型工程,主要永久性水工建筑物級別為4級,次要建筑物為5級。壩頂高程991.0 m,壩基高程922.5 m,最大壩高為68.5 m,壩頂寬7.0 m,壩頂長度170.0 m,壩體由擋水壩段、泄洪壩段和放水壩段組成。本工程擋水建筑物為堆石混凝土重力壩,根據設計需求,需要石料約5.07萬m3。由于工程區外最近石料廠距工程區較遠,擬作為項目的備用料源,石料主要考慮利用大壩右岸邊坡開挖料作為料源[13]。根據項目所在區域測繪專業提供的等高線圖和地質勘探成果,利用3DE平臺創建地形曲面和地質地層[14],根據初始設計方案,創建三維模型,過程如圖1所示。

圖1 模型創建過程

2 開挖設計方案

2.1 區域地質條件

根據地勘成果及建議,某河水庫工程壩區石料儲量豐富,石料加工性良好,巖性為中粒黑云母花崗巖,屬堅硬巖,石料優先選擇工程開挖料,開挖石料可以經篩選后直接上壩,可在保證質量和安全的前提下,減少棄渣外運,進一步降低筑壩成本,同時考慮開挖石料的風化程度,建議將強風化基巖和不穩定巖塊進行削坡、清坡處理后開采石料,剩余開采石料均作為工程用料,開挖示意圖見圖2。

圖2 開挖示意圖

2.2 設計方案

根據《水電工程邊坡設計規范》[15](NB/T 10512—2021)、地質建議,以及區域地形地質條件,初步進行邊坡開挖設計,坡腳高程為991.0 m,開挖坡形為一字型,平臺開挖輪廓線垂直于壩軸線,考慮到開挖平臺作為施工場地用途,從壩右0+000點預留開挖場地寬度不小于30 m,并盡可能控制邊坡高度,開挖面為臺階式,每梯段高度為10.0 m,馬道寬度為2 m,開挖坡比為1∶0.3～1∶0.5。以開挖型式(邊坡坡比、馬道寬度、開挖偏距、開挖坡形)為優化變量,以滿足石料需求量為基礎,石料獲得率最大為優化方案控制指標,石料獲得率計算公式如式1所示。為盡量減少外購石料,擬定右邊坡開挖石料需要超過5.4萬m3以上。根據要求初擬開挖方案,初始方案中先不考慮邊坡巖性和風化層與開挖坡比相適應的原則,從上到下采用綜合坡比進行方案研究,根據邊坡開挖型式對石料開挖的影響結果,再進行下一步的優化方案,初擬方案詳見表1。

表1 開挖方案設計表

(1)

式中:V%為石料獲得率,%;V總i為第i組開挖方案下的總開挖量,為棄渣和石料量總和,m3;V石料i為第i組開挖方案下的石料獲得量,m3。

2.3 參數化模型創建

按照邊坡優化變量以及控制指標,參數化模型需要根據地質情況,按照微風化、弱風化、強風化巖體、邊坡開挖高度設計不同的坡比和馬道寬度,并且需要獲取各方案下開挖料的體積,故需要將坡比、馬道寬度、開挖料體積等輸入和輸出指標進行參數化設計,通過動態關聯屬性,直接調整輸入參數的方式,快速實現方案自動修改,實時獲取開挖料體積。

3 邊坡開挖型式對開挖石料的影響

初擬開挖方案下邊坡開挖成果如表2所示,邊坡開挖形象如圖3所示。從棄渣量和石料開挖量來看,三種開挖方案對應的開挖型式對棄渣量和石料開挖量均有較大的影響,隨著開挖坡比的增大和開挖偏距的增加,石料的獲得量均呈增加的趨勢,其中開挖坡比的影響較為明顯。從石料獲得率綜合來看,開挖偏距相同,對應開挖坡比越大,骨料的獲得率越低;對于相同開挖比,開挖偏距越大,骨料獲得率越高。按照既定開挖目標,滿足石料開挖量的開挖方案有BP3-34、BP4-32、BP5-30、BP5-31。

圖3 不同開挖方案下邊坡形象圖

結合邊坡開挖形象圖3整體分析原因,發現隨著邊坡坡比和開挖偏距增大時,邊坡下游側中上部會增加大量的棄渣料,而這一部位并沒有產生過多的石料,故導致了石料獲得率降低的情況。基于初擬的開挖方案得到的結果來看,需要根據邊坡開挖坡比、開挖偏距和開挖坡形綜合考慮優化,在可能的情況下減少棄渣料的開挖,提高石料獲得率,進而提升工程效益。

4 方案優化

4.1 優化原則

依據設計規范[10],對于開挖邊坡,每2級～4級馬道可設置1級寬馬道,并且開挖邊坡的開挖坡度在考慮排水條件下應考慮能達到自穩條件要求。根據初步擬定方案,右岸邊坡開挖后,馬道級數為5級～6級,而且各開挖方案的最后一級馬道以上為強風化層坡面,故綜合考慮,將第3級馬道和最后一級馬道寬度修改為4 m,各類優化方案下最后一級坡比保持1∶0.5不變。

依據初擬開挖方案結果,開挖邊坡下游側中上部存在較多的棄渣料,影響石料的實際獲得率,故對初擬的一字型坡形的開挖方式進一步優化,擬定兩種方案:方案一:將邊坡開挖坡形下游側基底改為折線型;方案二:將一字型基線調整為向上游傾斜型。以提高石料獲得率為原則,調整折坡角度、傾角及位置至相對最優,優化簡圖見圖4所示。

圖4 開挖型式優化簡圖

4.2 優化結果與分析

通過對初擬開挖成果中滿足石料開挖量的開挖方案BP3-34、BP4-32、BP5-30、BP5-31和通過優化后可能滿足開挖目標的其他方案做進一步的優化設計,優化后邊坡開挖形象圖如圖5所示。得到的優化成果與優化前比較結果見表3、表4所示。

表3 方案一優化結果

表4 方案二優化結果

圖5 優化后邊坡形象圖

從表3結果可知,按照規范要求和初擬開挖方案結果進行優化后,各設計方案對應的總開挖量較之前減少,但石料開挖量仍滿足預定目標,其中棄渣料減少量和石料開挖量減少比最高達10.7∶1,石料獲得率最大提升1.225%,BP3-34-Y1組總開挖量減少約4 933 m3,減少量占總開挖量的4.5%,相當于等量減少了施工成本。

從表4結果可知,各設計方案對應的棄渣料減少,最大減少方量為3 623.12 m3,石料開挖量和獲得率均增加,其中BP5-30-Y2組在棄渣量減少2 769.28 m3的情況下,骨料總量增加2 154.26 m3,骨料獲得率增加2.07%,從骨料開挖量來講,方案二優化提升效果較方案一比較明顯,但考慮預定開挖目標和總開挖量所對應的施工成本,方案二石料開挖量總體較多,比較接近預定目標的組有BP3-33-Y2和BP4-31-Y2組,但這兩組方案所對應的總開挖量沒有減少,反而增加,從施工成本的控制目標來講并沒有得到優化。

上述兩種優化方案,在滿足石料開挖量既定目標的前提下,有效減少了棄渣量,達到預期的優化目標,故在實際設計中,在結合設計經驗的基礎上,應考慮實際地形進行有效優化,提高設計成果的適應性,同時根據設計經驗來講,在滿足施工安全的前提下,邊坡坡比應適應開挖區地質巖層狀況,相對坡比越小為最優,再通過穩定計算情況輔助進行錨噴支護等工程措施,確保邊坡開挖穩定及其環境的安全。

綜上分析結果,根據優化方案控制指標和最終優化成果,考慮施工成本控制目標,推薦開挖方案BP3-34-Y1,即在991 m～1 051 m高程內,開挖邊坡1∶0.3,在1 051 m高程以上,開挖邊坡為1∶0.5,高程1 021 m、1 051 m處馬道寬4 m,其余馬道寬2 m,開挖偏距為34 m,相比優化前總開挖量減少約4 933 m3,石料開挖量為5.5萬m3,石料獲得率為50.23%,可節約施工成本約4.5%。

5 結 論

(1) 利用3DE參數化建模后進行邊坡開挖正向設計,對于開挖設計方案優化效果明顯,本次優化過程修改方案十幾余次,極大的提升了設計效率,同時保證了設計成果的準確性。

(2) 經過方案優化,推薦某河水庫工程右邊坡開挖方案為BP3-34-Y1,石料開挖量為5.5萬m3,石料獲得率為50.23%。相比優化前總開挖量減少約4 933 m3,節約施工成本約4.5%。

(3) 本文在邊坡設計優化方案中暫未考慮施工道路布置等因素,下一步將結合3DE平臺綜合考慮,使得優化方案更貼合實際工程需要。