高拱坝施工导流风险可视化监测方法研究

黄小明

(常州市武进水利工程有限公司，江苏 常州 213000)

0 引 言

在水利水电工程施工全过程中，施工导流是关键环节之一，其包括导流建筑物布置、施工阶段划分、机组设备更换等问题[1]。施工导流是高拱坝施工的风险防范体系，一旦出现泄洪灾害，就可通过导流及时疏通洪水。然而，当高拱坝出现漫顶现象时，就会导致施工过程不安全，甚至造成下游居民人员伤亡[2]。

目前，针对工程实际，已经建立了梯级施工导流风险模型。此模型主要探讨水电工程建设前期挡水洪水风险，但难以全面反映整个建设阶段的挡水洪水风险。还有在考虑填筑高程变化的情况下，建立了大型水库与高坝蓄水风险模型。但高堆石坝坝体与高拱坝完全不同，施工机理难以指导。现有研究表明，风险模型只能反映出引水初期的滞洪风险，而不能反映出高拱坝的施工机理和实际浇筑过程，很难满足检测高拱坝施工风险率的要求。为此，本文提出基于BIM技术的高拱坝施工导流风险可视化监测方法研究。

1 基于BIM技术监测数据三维可视化

通过 BIM技术不断更新监控点的监控信息，利用数据库与BIM模型的交互，实现三维可视模型监控信息的显示和自动存储[3]。

基于BIM技术监测数据三维可视化流程见图1。

图1 基于BIM技术监测数据三维可视化流程

由图1可知，监测数据三维可视化详细流程如下：

步骤1：利用BIM技术获取监测传感器信息。

步骤2：选择监测结构特征点位置，并依次编号。

步骤3：根据监测结构特征点位置，将待监测模型进行网络化处理[4]。

步骤4：依据监测传感器监测到的数据，模拟监测范围。将邻近结构的监控传感器连接在一起，形成A区，每个监控传感器在 A区一个角；获得特征点的序列号，以及区域A范围内特征点的位置；根据结构监测传感器在区域A每个角点的位置信息和所采集的特征点位置信息，计算出区域A范围内所有特征点的形状函数值[5-7]。

特征点函数的数值计算图解见图2。

图2 特征点形函数数值计算示意图

由图2可知，依据该示意图，计算形函数数值，公式为：

Rn1=Rn1-c1+Rn1-c2+…+Rn1-cr

(1)

式中：C1-Cr为监测传感器连接形成区域A；n1为区域A内特征点；Rn1为形函数数值；Rn1-c1～Rn1-cr为监测传感器相对于特征点权重系数[8]。

根据各特征点对应的形状函数值，得到各特征点对应的模拟监测信息，包括模拟监测数据和模拟监测指标结果：

hn1=hc1Rn1-c1+hc2Rn1-c2+…+hcrRn1-cr

(2)

gn1=gc1Rn1-c1+gc2Rn1-c2+…+gcrRn1-cr

(3)

式中：hc1～hcr为监测传感器实际采集的待监测数据；gc1～gcr为hc1～hcr对应的监测指标模拟结果[9-10]。

步骤5：基于模拟监测数据值及模拟监测指标结果，对特征点进行颜色分配，特征RGB信道中的信道数据值为模拟监测数据值或模拟监测指标结果，对监测数据进行颜色分布云图分析和结构监测指标分析[11]。

步骤6：基于特征点的颜色数字信息和位置信息，计算特征点所在网格表面元素的颜色数字分布[12]。对于由相邻特征点连接而成的网格面元，根据每个特征点的颜色值，采用线性插值方法，计算网格面元中其它点的颜色值[13]。

步骤7：通过重复步骤5-步骤7，对传感器采集的实时数据进行彩色云图显示。

2 高拱坝施工导流风险可视化监测

依据BIM技术监测数据三维可视化流程，设计高拱坝施工导流风险可视化监测流程，见图3。

图3 高拱坝施工导流风险可视化监测流程

由图3可知，高拱坝施工导流风险率检测方法，包括以下步骤：

步骤1：挡水度汛面貌数据获取

通过对高拱坝施工中的挡水度汛面貌仿真分析，得到高拱坝体形状、力学结构、浇注混凝土施工能力、温度控制等多个方面数据[14]。同时考虑许多复杂约束条件，用计算机对其进行仿真研究，并用随机动态数学关系模型函数对其描述。设计阶段模拟施工的目的是在一定约束条件下，找出满足工期短的施工方案。

基于上述分析，挡水度汛面貌仿真步骤为：

step1：施工仿真参数优化

施工模拟结果与模拟参数有密切关系，其基本参数严格按照具体施工规程确定。在基本参数基础上，参考实际施工经验，通过优化模拟方案，优化最终模拟参数。

step2：月浇筑数据分析

通过对模拟参数的优化，得到坝体施工全过程每月浇注及接缝灌浆标高的动态模拟结果。通过确定高拱坝浇筑的总工期，得到整个施工过程中坝体的月浇筑数据，即整个施工过程中坝底高程、接缝灌浆的月系列数据[15]。

step3：导流阶段划分

针对高拱坝施工导流特点，按导流工程规模及整个施工过程中坝体月浇筑量，划分导流阶段，进行施工导流规划。

step4：挡水度汛面貌数据获取

上游围堰是在前期导流阶段用于蓄水和防洪，由此确定挡水度汛面貌数据。

步骤2：导流风险数学模型构建

在工程设计阶段，根据高拱坝施工模拟优化结果，确定导流标准、导流洞布置方案及围堰尺寸。

在建立K+T年导流隧洞运行过程中，主汛期洪水位超过建筑物挡水标高的导流风险数学模型如下：

(4)

式中：P为高拱坝施工导流风险率；Pf为施工初期围堰挡水风险率；PMi为高拱坝施工中期第i年挡水风险率。

步骤3：对施工洪水及导流洞泄流能力分析，确定各随机因素参数

步骤4：动态模拟汛期洪水位变化过程

步骤5：计算高拱坝施工导流风险概率

1) 风险因素分析。按照高拱坝施工初期引水风险模型定义，考虑流量随机性，确定影响导流风险主要因素，即洪水随机性、导流洞泄流随机性和其他影响因素。①洪水随机性。河流主汛期的洪水周期短、涨落快，这是高拱坝施工导流重点关注因素。②导流洞随机性。在施工阶段，导流洞的泄流能力受截面面积因素影响。采用随机模拟方法，确定导流洞流量密度曲线更接近三角形分布。③其他影响因素。高拱坝施工导流系统十分复杂，导流建筑物的结构安全性、坝缝等因素对施工影响是不可避免的。当导流孔直径过大、不能满足中期防洪要求时，需研究坝体预留泄洪孔的施工防洪方案。在此过程中，由于施工中预留的空隙，大坝的整个施工过程将发生实质性的变化，模拟施工边界条件也将随之改变。

2) 风险概率计算。考虑到洪水随机性、导流洞泄流随机性和其他影响因素，结合高拱坝施工冲刷期的洪水预报数据，确定导流风险率估算具体方案：

先期引水施工时，对前挡水汛期进行模拟，计算确定水力随机因素的概率分布参数，以模型参数为输入，确定模拟值。在工程洪水过程仿真的基础上，生成工程洪水峰值流量随机数和泄量系数，拟合出工程洪水泄量曲线。经多次采样和模拟计算，得出坝前洪水最高水位。通过对围堰上游最高洪位系列超出围堰顶高的次数进行统计分析，发现汛期最高洪位系列超出挡水坝和蓄水建筑物的顶高，因此计算高拱坝施工导流风险率，见步骤2中式(4)。

步骤6：对高拱坝施工导流风险判别

在导流隧洞施工风险设计中，根据风险分析理论，先将设计洪水再现期转化为设计风险系数，再对模拟导流风险系数计算比较，以判断导流隧洞设计是否合理。

设TIE为初期导流洪水出现期，TME为中期导流洪水出现期，根据该公式，得到初期和中期导流风险系数的表达式：

(5)

按照现行规范的要求，高拱坝超过围堰顶高程后，就有冲毁高拱坝危机。因此，导流洞的设计应同时满足初期和中期防洪标准。

针对导流水汛期存在的两个不同时段，进行详细分析：①在导流工程初期，若挡水建筑物仍为围堰形式，则该时段的导流风险识别标准为RMi=RIi；②导流工程中期，若挡水建筑物为大坝形式，则该时段的导流风险识别标准为RMi

3 工程案例分析

为了验证基于BIM技术的高拱坝施工导流风险可视化监测方法研究合理性，以某座大坝进行案例分析。

3.1 施工仿真研究

对长江上游的一座大坝进行施工模拟研究，拱坝高218 m，为一级大型工程，采用双曲孔导流方式，汛期贯穿整个施工。施工导流规划见表1。

表1 施工导流规划

高拱坝施工导流受到各种因素影响，所采用的施工仿真参数应严格按照规程设计，依据施工总工期、进度模拟实际施工。施工仿真结果见表2。

表2 施工仿真结果统计

3.2 结果分析

理想情况下的高拱坝施工初期、中期、后期导流风险分别从0.015、0.013和0.003 5降为0.003 5、0.003 1和0.001 2。分别使用梯级建设环境下导流风险模型、高堆石坝挡水风险模型和基于BIM技术可视化监测方法监测高拱坝施工初期、中期、后期导流风险，结果见图4。

图4 3种方法施工初期、中期、后期导流风险监测结果对比分析

由图4(a)可知，初期、中期导流风险概率分别从0.015、0.014降为0.009 5、0.008 3；后期导流风险概率从0.003 8降为0.002 9。

由图4(b)可知，初期、中期导流风险概率分别从0.015、0.013 5降为0.009、0.007；后期导流风险概率从0.003 8降为0.002 2。

由图4(c)可知，初期、中期导流风险概率分别从0.015、0.013 8降为0.003 5、0.003 1；后期导流风险概率从0.003 5降为0.001 2。

通过上述分析结果可知，基于BIM技术可视化监测方法对高拱坝施工初期、中期、后期导流风险监测结果与理想情况最为接近，偏差为0.000 8，分析结果较为精准。

4 结 语

针对高拱坝施工导流风险可视化监测，结合BIM技术，能够合理监测导流风险率。通过BIM模型能够可视化显示监测结果，并依据评判标准，对导流结果进行评价，为高拱坝安全施工提供技术支持。使用该监测方法能够弥补传统方法的不足，为高拱坝导流施工提供理论依据。

虽然使用该监测方法能够精准监测导流风险，但受到高拱坝施工导流众多因素影响，该导流风险理论与方法在工程实践中有待进一步完善。