装配式小型重力坝安装搭接施工设计仿真及整体稳定性分析

董世勇 陈佳 唐晓松 王永甫

摘要：研究提出基于BIM 建筑信息系统的装配式小型重力坝建筑施工和设计理念，以柬埔寨Ganzai小型水电站为研究对象，对坝体结构进行装配式结构优化和三维设计，利用Revit 定义了装配式建造所需的底板族、标准构件族、迎水面族和顶板族并赋予合理的尺寸。进行坝体装配块建模和施工流程模拟，基于ANASYS 有限元对装配完成后的大坝进行整体稳定性和抗滑稳定性分析。结果表明，采用装配式施工工艺的小型混凝土重力坝整体稳定性均满足设计要求。抗滑稳定性分析发现坝体抗滑稳定性有充分保证。

关键词：BIM；建筑装配；小型重力坝

中图分类号：TP391；TU721.1    文献标志码：A      文章编号：1001-5922（2023）03-0163-05

Stability analysis and construction design simulation of prefabricated gravity dam based on BIM

DONG Shiong1，CHEN Jia1，TANG Xiaosong2，3，WANG Yongfu2

（1. Chongqing Water Resources Bureau，Chongqing Three Gorges Reservoir Area Work Service Center，Chongqing 401147，China；2. Chongqing Engineering Research Center of Automatic Monitoring for GeologicalHazards，Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources，Chongqing 400042，China；3. Chongqing Vocational College of Public Transportation，Department of Railway andConstruction Engineering，Chongqing 402247，China）

Abstract： The construction and design concept of prefabricated small gravity dam based on BIM building informa? tion system is proposed. Taking Ganzai small hydropower station in Cambodia as the research object，the prefabri? cated structure optimization and three-dimensional design of the dam structure are carried out，and the floor family， standard component family，waterfront surface family and roof family required for prefabricated construction are de? fined by Revit and given reasonable dimensions. The dam assembly block modeling and construction process simu? lation are applied，and the overall stability and anti-slip stability of the dam after assembly are analyzed based onthe ANASYS finite element. The results showed that the overall stability of the small concrete gravity dam using the prefabricated construction process met the design requirements. The anti-slip stability analysis showed that the an?ti-slip stability of the dam body was fully guaranteed.

Keywords： BIM；building assembly；small gravity dam

水电能源作为目前主流的清洁能源，在各个国家具有重要地位。现阶段，东南亚国家正在大力开发和推广小型水电工程项目，私人小水电发展势头迅猛。建筑装配式施工工艺在标准化、模块化和施工成本方面较传统施工方法具有明显优势，目前在工业民用建筑施工中得到了非常广泛的普及[1-3]。但是在水电项目中应用和实践研究依然相对较少，相关装配式水工建筑研究成果年代久远[4-6]。

因此，本文提出结合现有的建筑装配式施工工艺，基于BIM信息系统对小型重力坝进行三维装配式设计，研究该类型水坝在建造过程汇总的相关设计规律和方法，并对坝体稳定性進行了定量分析。希望本文的研究为此类型水电开发项目提供一定参考。

1装配式重力坝设计

柬埔寨Ganzai项目为混凝土重力坝，参考重力坝相关设计要求，项目基本地质情况以实际坝基岩体地质条件为准，基岩为弱风化花岗岩，因此不考虑建基面的处理，仅开挖至指定建基面高程并找平，以达到坝体施工条件。装配式重力坝设计应力求无贯通式伸缩缝、水平缝和垂直缝这3条设计原则，并且在正常满蓄和施工条件下，坝体各项荷载指标及稳定性满足设计要求[7-8]。

1.1装配结构块选择

根据前期相关研究成果，装配式大坝主要采用5种装配式预制构件，分别为正方形、长方形、L型、工字型和钉字型[9]。本文所采用的重力坝为确保其整体性和贯通性设计要求，采用工字型预制构件，构件采用 C35钢筋混凝土预制构件，每个构件宽2.5 m，高1.5 m，长度3.0 m，两端为对称配置，工字角截面尺寸为0.5 m×1.5 m×0.25 m。

1.2坝体结构优化和设计

考虑到装配式施工特点，大坝上游坝面坡比从1∶0.3改为垂直，下游坝面坡比保持原有1∶1。坝体顶部宽度设定6.0 m，底部宽19.0 m，坝高13.0 m，与原有设计尺寸基本一致。

装配式设计过程中，根据装配结构块的尺寸，和坝体体积和尺寸，初步确定装配式大坝需要标准结构块1150块，装配层数为8～9层，坝底部宽55 m，需要铺设标准结构块220块。坝体安装过程应确保标准结构块前后搭接咬合，并设置前后排高差约0.5 m，左右垂直向立体快同样错开0.5 m，这样保证在装配过程中不会形成贯通缝隙，增强坝体整体稳定性。经过优化设计后的混凝土重力坝横剖面如图1所示。

1.3坝体装配式三维设计

项目所在地区交通运输条件差，为适应实际施工需求，将标准结构块质量限制在32 t 以下。另外，为了确保大坝迎水面坝体的整体性和防渗效果，设计迎水面装配式结构块和大坝底板结构块，其基本参数如表1所示，结构如图2所示。

2基于BIM的水坝模拟施工

利用BIM建筑信息管理技术，对小型重力坝装配式施工工艺流程进行分析，建立项目装配模块，进行碰撞檢查、模拟施工过程，用于指导大坝实践施工。采用目前最为成熟的欧特克公司开发的BIM软件平台，其中Revit 2016对大坝模型和数据进行建模和管理，Navisworks 2016对建模过程进行施工模拟。

2.1 Revit 装配块建模

根据已知标准模块二维尺寸，在Revit 中建立三维模型并定义为族，根据现有的大坝结构特征，需要建立底板族、标准构件族、迎水面族和顶板族，其各类基本信息如表1所示。

将以上4类装配式构件族导入到Ganzai项目“混凝土重力坝.rvt”中，进行底板的铺设，其具体建模过程如下：

2.1.1 大坝底板和工字块铺设

由于所研究小型混凝土坝底板基岩为弱风化花岗岩，仅需要进行开挖找平即可，因此在确定场地标高后，设定位移偏移量为400进行底板轴线网络铺设。

以第1层的混凝土块开始进行工字块构件布设，其偏移量保持不变。其中，双数排工字块装配堆叠过程中偏移量设置为700，单数排工字块装配按这一规律错开堆叠，其堆叠过程中的排列方式和立面效果如图3所示。

2.1.2 迎水面和顶板铺设

迎水面铺设参考底板为第1层混凝土块铺设高度，保持固定偏移量；第2次迎水面铺设参考第5层工字块构件的位置，其偏移量设置为500。大坝铺设完成后进行顶板铺设，铺设高度参照顶部工字块高度，顶板偏移量为800，铺设完成后装配式大坝效果如图4所示。

2.2 Navisworks施工模拟

在大坝三维装配式建模基础上利用Navisworks 进行4D 建模，其主要过程是对每个装配块添加时间向量，在软件中进行碰撞检测并对整个装配流程进行复核，查明可能存在的设计问题，最后进行施工模拟。

Navisworks 软件中主要存在4种碰撞检测方式[10]。由于采用混凝土装配式构件，因此选用硬碰撞检测，检测结果显示碰撞为0，代表建模过程及装配施工工艺中是合理的。碰撞检测完成后，利用Time 模块定义施工过程模拟演示，针对项目的特点和项目施工进度计划，为每个装配过程设定时间参数、施工流程并赋值，最后计算本项目的施工工期为80 d，相较于传统施工工期（4个月）提高效率约25%。其基本进度如图5所示。

3 装配式坝体稳定性分析

为分析优化后的装配式大坝整体安全性和结构稳定性，采用ANASYS 建立三维有限元模型，通过分析坝体在施工和运行两种工况下的应力应变和位移基本情况。重点校核和检验装配式大坝在运行期间的抗滑稳定性和水平截面的整体稳定性。由于采用装配式工艺，在进行有限元分析过程中重点需要解决的是单元划分过程中的结构离散化以及装配件的总体刚度问题。其中，有限元分析以装配件为单元体，通过节点对有限单元体连接形成单元体组合，从而代替常规的混凝土结构，数值计算精度与单元分割精度、形式和数量相关。模型的总体刚度以矩阵元素K表示，其计算公式：

采用虚位原理，列出所有节点的平衡方程，用于结构的整体性运算，从而建立起装配式大坝的总体刚度矩阵方程，并最终获取节点的位移计算方法，如下：

式中：K代表装配模型的总体刚度矩阵；δ代表节点向量；P代表节点荷载构成的力向量。

建模过程所采用的单元节点与材料类型如表2所示。

3.1 整体稳定性分析

整体稳定性分析中，模型底部为全部约束条件，上下游坝体为自由垂直约束，顶面为自由边界。模拟过程中采用施工期和运营期两种工况，施工期坝体仅受自重应力，运营期坝体所受到的荷载包括自重应力、静水压力和杨压力。施工期混凝土重力坝的位移云图如图6（a），运营期位移云图如图6（b）。

从图6（a）可以看出，在施工期库内空水位情况下，坝体仅承受自重应力，其最大位移为0.26 mm，位移位于坝体顶部中间。总体上坝体重心向上游倾斜，说明装配施工过程中坝体位移矢量会产生向上游的位移趋势。从图6（b）分析结果发现坝体在正常运营并承受最大库水位情况下，坝体中部偏上部位承受位移最大，约为0.31 mm，其位移矢量总体趋势倾向河流下游。

对比2种工况下坝体的受力状态，大坝顺河向主要承受压应力作用，上游坝面由于坝体变形影响出现了小范围的拉应力集中现象。施工工况下，坝体最大拉应力为0.24 MPa，位于坝肩与两岸山体接触带；最大压应力为0.91 MPa，位于坝基底部。运营工况下坝体最大拉应力为0.24 MPa，位于坝基与建基面接触部位上游；最大压应力为0.76 MPa，位于坝基与地基接触部位下游。但2种工况下所受应力强度均低于装配式大坝的强度标准值，满足设计要求。

3.2 抗滑稳定性分析

利用点安全系数建立坝内某一点的抗剪强度与实际剪应力的比值，来表征坝体抗滑稳定性[11]。抗滑稳定性按大坝在水库最大蓄水位条件下，考虑正面水压力和块体摩擦力。依据相关规范可知混凝土之间摩擦系数一般在0.6～1.2，通过设计混凝土试块摩擦力试验确定试块之间的静摩擦系数为0.75，为了充分考虑坝体在极端条件下的稳定性，选取0.6、1.0和1.2，此3种摩擦系统条件下计算坝体内部点安全系数，其结果如图7所示。

从图7可以看出，在摩擦系数f=0.6工况下，坝体安全系数最大值为14.30，位于坝体建基面坝踵位置；点安全系数最小值为1.83，位于坝基下游坝址处。说明在这一摩擦系数条件下，坝体安全性有充分保证。在摩擦系数f=1.0条件下，大坝点安全系数最大值和最小值分别为20.61和2.65；在摩擦系数 f=1.2条件下，坝体点安全系数最大、最小值分别为23.82和3.06；抗滑稳定性分析结果表明装配式大坝坝体不存在抗滑稳定性问题，其安全系数具有足够的富余。

4 结语

以柬埔寨Ganzai小型重力坝项目为研究对象，在对坝体进行了装配结构优化和三维设计的基础上，基于BIM 对水坝装配块进行了铺设模拟和施工模拟，并基于有限元分析软件对坝体的稳定性进行了初步分析，得出以下结论：

（1）装配式重力坝设计应力求无贯通式伸缩缝、水平缝和垂直缝这3条设计原则，并且在正常满蓄和施工条件下，坝体各项荷载指标及稳定性满足设计要求。利用BIM 建筑装配施工工藝，为每个装配过程设定时间参数、施工流程并赋值，模拟计算施工工期为80 d，相较于传统施工方案缩短工期约25%；

（2）施工工况下，坝体最大拉应力为0.24 MPa，位于坝肩与两岸山体接触带，最大压应力为0.91 MPa，位于坝基底部。运营工况下坝体最大拉应力为0.24 MPa，位于坝基与建基面接触部位上游；最大压应力为0.76 MPa，位于坝基与地基接触部位下游。但2种工况下所受应力强度均低于装配式大坝的强度标准值，满足设计要求。抗滑稳定性计算成果表明，坝体点安全系数最小值为1.83，说明坝体具有足够的抗滑安全度；

（3）研究仅着眼于低水头小型混凝土重力坝的装配式设计施工方案，工况较为简单，坝体的断面为标准断面，力学荷载仅考虑重力、静水压力和杨压力作用。因此在今后的研究中应考虑坝体高度超过30 m，综合枢纽和多功能大坝的装配施工工艺，并且考虑渗流作用下的坝体稳定性。

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