BIM技术在石料场开采规划设计中的模拟研究

常胜

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆某水利工程为Ⅱ等大（2）型工程，由混凝土面板堆石坝、左岸2号生态放水洞、右岸表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、1 号生态放水洞、发电引水系统和电站厂房组成。主要建筑物级别：永久性主要建筑物中，大坝坝高203.0 m，坝顶长550.0 m，为1 级建筑物，泄水及冲砂建筑物（表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、生态放水洞）和发电洞、厂房、尾水渠为2 级，其他永久性次要建筑物为3 级，临时性建筑物为4级。工程所需天然建筑材料包含垫层料、过渡料、堆石料、土料及混凝土骨料等，结合工程土石方平衡并根据SL 303-2017《水利水电工程施工组织设计规范》[1]“料源选择与料场开采”相关规定，经计算，料场开采有用层原岩需1 584.4 万m3。工程位于河流上游地带，河谷呈“V”型，两岸山体雄厚，岸坡陡峭；工程区天然砂砾石料场较为匮乏，但块石料源及储量较为丰富，开采条件较好，质量指标基本满足技术要求。根据料源选择结果，P2 料场为混凝土骨料和大坝堆石料主要块石料场。

工程坝体填筑总量达1 363.4 万m3，坝体填筑强度较高，料场开采供应问题比较突出。另外，块石料场开采方案对确定分层施工交通布置、边坡支护[2]及水土保持方案[3]均有影响。针对如何准确计算块石料场开采量，划定开采范围，确定边坡支护范围等问题，下文运用BIM 动态仿真技术来完成料场开采体型建模，以达到较好地实现设计方案模拟。

2 开采规划设计

P2 块石料场位于上坝址右岸下游3.8 km 山梁，高程2 500～2 900 m，地表覆盖有薄层的风积粉土层，厚0.2～1.0 m。料场岩性主要为下古生界奥陶—寒武系西合休岩组，呈NE 向条带状产出，岩性主要为灰深灰色黑云（二云）石英片岩、二长变粒岩、灰绿色阳起钠长绿泥片岩、夹灰绿色绿帘钠长片岩，片理产状为290°～310°SW∠45°～70°，属中硬岩，干抗压强度63～76 MPa；饱和抗压强度47～53 MPa，软化系数0.70～0.74。该料场强风化层厚度1.0～3.0 m，弱风化层厚度10.0～15.0 m，无用层平均厚度按7.0 m 考虑。

根据料场地形、地质条件，进行开采设计规划后，确定施工期料场规划开采范围控制在有效勘探范围之内。料场规划开采范围内剥离层开挖边坡坡比为1∶1，采用手风钻钻孔，2 m3挖掘机挖装15 t 自卸车运弃；岩石开挖边坡坡比为1∶0.5，台阶高15.0 m，每4 级边坡设1 级6.0 m 的清扫平台，一般台阶设置宽2.0 m 的马道，采用ROCD7 液压钻造孔，分层台阶法深孔梯段挤压爆破开采，Y-28 手风钻进行超径石二次破碎解小，边坡采用预裂爆破。边坡采用喷混凝土、坡顶锁口锚杆、系统锚杆及锚筋桩支护：喷C25 混凝土厚10 cm，挂钢筋网，直径8 mm，网格20 cm×20 cm；系统锚杆长4.5 m，直径25 mm，间距2.0 m×2.0 m。每级边坡顶部布设2排长9.0 m、直径32 mm 锁口锚杆，间距2.0 m×2.0 m。局部岩石破碎或断层区以锚筋桩（3φ28，L=15.0 m）随机锚固。根据地下水活动情况，边坡坡面布置排水孔，孔径45 mm，孔深2.0 m，上仰角10°。

3 建模设计

3.1 建模思路

结合P2 料场地形地质条件，料场开采大致体型为簸箕状，三面临山，一面临空，中间一平坦底板。靠近山体一侧为连续多级马道的高边坡，远离山体一侧临河，高程较开采底板逐步降低，左右两侧毗邻冲沟，为保证料场不受冲沟洪水影响，预留一定宽度的行洪通道，行洪通道外侧向料场底板由连续边坡过渡至底板。因此，料场开采体型主要由底板和三面开挖边坡组成。

结合上述设计理念，利用Autodesk Civil 3D 放坡功能模拟三维动态料场开采体型。

3.2 建模步骤

3.2.1 创建地形曲面

利用料场区域地形图中等高线、高程点、高程块等图形对象创建地形曲面。具体操作步骤：工具空间→创建曲面→定义中依次运用“等高线”“图形对象”功能，添加区域范围内等高线、高程点、高程块等图形对象。另利用定义中“边界”功能添加曲面外部边界，可对已建曲面做边界修饰。基于上述操作，运用“对象查看器”可动态查看料场地形曲面，并检查其准确性。P2 料场三维效果见图1。

图1 石料场地形三维效果图

3.2.2 初拟料场开采底板范围线

1）料场底板长边的确定：料场开采顶部高程一般由料场拟开采范围，施工交通布置等因素决定。因施工现场山脊高耸，易受施工交通所限，选取料场初拟开采顶部高程线往往是山脊某一高程处的高程线。将其转化成要素线，利用放坡功能，放坡规则选择“高程-挖填坡度”，坡度为考虑马道后的综合边坡；由顶部高程线放坡至底板高程，此时可得到与山脊轴线成垂直方向的开采底面范围线。

2）料场底板宽边的确定：山脊两侧为天然冲沟，为考虑后续沟道排洪，不影响料场边坡稳定安全，可在沟道两侧预留一定距离的行洪宽度。行洪宽度范围外划定料场边界，将其转化成要素线，“指定高程”功能中从地形曲面提取高程值并赋值于料场边界线，边界线在新建放坡组2下，按照上述放坡步骤确定料场底板宽度方向边线。三面底板线确定后，手动勾勒划定一条要素线作为起坡线。

3.2.3 放坡料场底板及坡面

1）放坡料场底板：选中起坡线，采用“距离～斜率”的规则向远离山体方向进行放坡，可放至料场底板。此处距离宽度设置应足够覆盖底板高程线范围，斜率可取1/9 999，近似水平。

2）坡面放置：选中起坡线，采用“相对高程～斜率”和“相对高程～距离”的规则，向靠近山体方向逐级放至坡比1/0.5、高差-15.0 m 的坡面和宽2.0 m或6.0 m 的水平马道；放置马道时，“相对高程～距离”中“相对高程”值设置为0.000 1 m，近似水平。要素线放坡至初拟开采顶部高程时，选择要素线采用“曲面～挖填坡度”规则放坡至地形曲面与原地面相交。

3）设置料场开采曲面边界：利用分析中“曲面之间的最小距离”功能，提取地形曲面和放坡曲面之间的三维相交线，将其转化为二维多段线，修整成一闭合多段线，添加作为放坡曲面边界。

3.2.4 计算料场开采量

利用“放坡体积工具”，计算料场开采总体积（含无用层）。复制地形曲面，作为一辅助曲面1；选择“放坡料场底板及坡面”中放坡曲面边界的多段线，添加作为辅助曲面的边界，边界类型选择“外部”，可得到料场范围内原始地形曲面；“曲面特性”—“统计信息”—查看该区域“三维曲面面积”，该数值与无用层平均厚度乘积为无用层剥离量。开采体积与无用层剥离量差值，即为料场开挖总量。

3.2.5 料场三维效果展示

复制地形曲面，作为一辅助曲面2；选择“放坡料场底板及坡面”中放坡曲面边界的多段线，添加作为辅助曲面的边界，边界类型选择“隐藏”，可得到料场范围扣除的地形曲面。利用辅助曲面中“编辑”—“粘贴曲面”粘贴放坡曲面，此时可得到开采后的料场形态，在“对象查看器”可阅。如果曲面粘贴不成功，在“对象查看器”亦可选择“辅助曲面”和“放坡曲面”两者的联合效果，亦可反应料场开采后效果图。

3.3 建模结果

利用“对象查看器”可动态查看各个视角下料场开采情况。图2 为料场开采三维效果图，料场开采体型呈簸箕状，开挖总量1 923.3万m3，表层剥离量约289.7万m3，料场底板面积13.2万m2，边坡支护面积26.4 万m2。P2 料场开采顶部高程2 750 m，最终开采底部平台高程2 330 m，开采最大高差约420.0 m，覆盖层开挖坡比为1∶1，岩石边坡开挖坡比为1∶0.5，每隔15.0 m 设2.0 m 宽的马道，每4 级边坡设1 级6.0 m 的清扫平台，马道共计22 级，清扫平台共计5 级。经Autodesk Civil 3D 复核，该料场开采范围内有效储量1 923.3 万m3，该值大于工程所需原岩1 584.4 万m3，表明该料场能够满足工程供料需求。

4 结语

图2 石料场开采完成后三维效果图

针对新疆某水利工程料场开采供应问题，结合料场地形地质条件，运用BIM 技术建立了料场开采模型。结果表明：Autodesk Civil 3D 创建BIM模型能够快速准确实现设计理念，基于三维可视化模型可以直观认识理解分析地形和料场开采方案，能够满足料场开采方案设计的要求；运用Autodesk Civil 3D 软件对料场开采和边坡支护等工程量计算及划定开采和边坡支护范围，较平行断面法在时效性和精确度上具有明显优势。