史蘭爽

（山東美譽(yù)工程咨詢有限公司，山東 濟(jì)寧272000）

現(xiàn)階段水利工程大壩的數(shù)量很多， 但在時(shí)間推移下，大壩受自然環(huán)境影響會(huì)出壩體變形情況，危害下游地區(qū)和周邊居民的生產(chǎn)生活安全， 因此需建立一個(gè)監(jiān)測(cè)模型對(duì)大壩變形程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 傳統(tǒng)的大壩變形監(jiān)測(cè)模型， 由于并沒有對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的奇異值進(jìn)行剔除，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果失真，因此提出構(gòu)建一個(gè)基于BIM技術(shù)的大壩變形監(jiān)測(cè)模型。該模型的建立增強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性， 確保預(yù)測(cè)變形數(shù)據(jù)與真實(shí)變形程度相吻合，為國(guó)家水利工程大壩平穩(wěn)工作，提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持［1］。

1 基于BIM水利工程大壩變形監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建方法

1.1 BIM技術(shù)建立大壩三維模型設(shè)置機(jī)敏網(wǎng)

BIM技術(shù)是一個(gè)更加精確化的電腦輔助設(shè)計(jì)軟件，可生成具有三維圖像特征的水利工程大壩，因此根據(jù)BIM技術(shù)特點(diǎn)，大壩的易變性位置定位變形監(jiān)測(cè)模型的識(shí)別范圍。 利用BIM技術(shù)，將水利工程大壩拆分成若干個(gè)大壩構(gòu)建， 分別繪制這些單獨(dú)構(gòu)件的三維模型，該模型主要由3個(gè)方面控制：橫截面形狀、構(gòu)件中心線及構(gòu)件水平高程。已知BIM技術(shù)支持的參數(shù)類型如表1，因此根據(jù)該表中的參數(shù)，調(diào)整模型設(shè)計(jì)參數(shù)［2］。

表1 軟件支持的參數(shù)類型

續(xù)表1

由表1可知，將“是”和“否”分別定義為1和0，根據(jù)表中的參數(shù)類型， 設(shè)置一個(gè)可透視操作的Excel表格，并將其以.csv的格式儲(chǔ)存，同時(shí)將其另存為.txt格式的文件。 打開BIM軟件，新建一個(gè)大壩結(jié)構(gòu)樣本項(xiàng)目，將表1中的數(shù)據(jù)載入到該項(xiàng)目中單擊確定，BIM技術(shù)會(huì)根據(jù)自身算法自動(dòng)生成大壩結(jié)構(gòu)族，如圖1［3］。

圖1 大壩單獨(dú)構(gòu)件族生成頁(yè)面

以上述生成的構(gòu)件為參考，修改參數(shù)值，生成大壩其他部位的構(gòu)件，以此建立一個(gè)完整的、高銜接度的水利工程大壩三維模型。 以建立完畢的三維大壩模型為前提，利用機(jī)敏網(wǎng)對(duì)三維大壩全面覆蓋，以便實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)模型對(duì)大壩的全方位監(jiān)測(cè)。圖2為機(jī)敏網(wǎng)的對(duì)大壩模型的覆蓋與信息傳輸方式［4］。

圖2 機(jī)敏網(wǎng)工作方式簡(jiǎn)圖

利用上述機(jī)敏網(wǎng)，覆蓋建立完畢的大壩模型，確保監(jiān)測(cè)模型對(duì)大壩的監(jiān)測(cè)范圍。

1.2 預(yù)處理大壩變形數(shù)據(jù)設(shè)置模型監(jiān)測(cè)條件

已知大壩受實(shí)地環(huán)境、 測(cè)量?jī)x器設(shè)備等因素的干擾，機(jī)敏網(wǎng)獲取到的信號(hào)存在一定誤差，而大壩變形時(shí)變量極小，與誤差值非常接近，因此需要預(yù)處理機(jī)敏網(wǎng)得到的數(shù)據(jù)信號(hào)，消除粗誤差和系統(tǒng)誤差。假設(shè)機(jī)敏網(wǎng)獲得的原始變形監(jiān)測(cè)信號(hào)為x，則存在變形監(jiān)測(cè)序列x1，x2，…，xi，其中i表示變形信號(hào)數(shù)據(jù)量［5］。則該信號(hào)的變化特征為：

式中 ki表示i個(gè)變形信號(hào)所對(duì)應(yīng)的特征值， 其中i=1，2，…，n-1，n為非零的自然數(shù)。 計(jì)算變化特征平均值和均方差：

式中 λ表示比值計(jì)算結(jié)果。 當(dāng)λ＞3時(shí)，說(shuō)明x值是奇異值，需要剔除；當(dāng)λ＜3時(shí)，證明x不是奇異值，需要保留該監(jiān)測(cè)信號(hào)［6］。 剔除奇異值后的監(jiān)測(cè)序列存在數(shù)據(jù)空點(diǎn)， 導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信號(hào)斷裂， 破壞大壩的真實(shí)變形值，因此利用線性內(nèi)插法，通過(guò)前后兩個(gè)可靠的監(jiān)測(cè)值內(nèi)插，對(duì)已經(jīng)被剔除奇異值的位置進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，得出待插補(bǔ)監(jiān)測(cè)值，該值可通過(guò)式（4）獲得：

式中 z表示待插補(bǔ)監(jiān)測(cè)值；zi，zi+1分別表示待插補(bǔ)監(jiān)測(cè)值的前監(jiān)測(cè)值和后監(jiān)測(cè)值；ti，ti+1分別表示與上述插補(bǔ)監(jiān)測(cè)值對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間［7］。 根據(jù)內(nèi)插法處理監(jiān)測(cè)信號(hào)后，通過(guò)設(shè)置一個(gè)變形閾值，設(shè)置監(jiān)測(cè)模型的監(jiān)測(cè)條件，該閾值的設(shè)定表達(dá)式，如式（5）：

式中 γ表示監(jiān)測(cè)信號(hào)降噪系數(shù)；s表示補(bǔ)插后的變形信號(hào)。 當(dāng)監(jiān)測(cè)模型的閾值μ，超出大壩基準(zhǔn)平穩(wěn)數(shù)值時(shí)， 該監(jiān)測(cè)模型彈出大壩三維模型的可能變形位置界面，并對(duì)可能發(fā)生變形的部位進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)［8］。

1.3 非概率法擬定水利工程大壩變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)

由于所彈出監(jiān)測(cè)界面只是大壩變形的大致范圍，具體變形位置和變形程度并不了解，因此利用非概率法擬定水利工程大壩變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)， 根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)級(jí)別鑒定大壩的真實(shí)變形位置， 以及監(jiān)測(cè)當(dāng)下的變形程度。 目前水利工程大壩的變形過(guò)程和轉(zhuǎn)異特征，主要涵蓋了彈性工作階段、屈服變形階段及破壞階段，具體表現(xiàn)形式如圖3［9］。

圖3 大壩變形過(guò)程示意圖

由圖3可知，f為作用到大壩上的負(fù)載；p為模型監(jiān)測(cè)指標(biāo)。 其中OA表示彈性工作階段，此時(shí)作用到大壩上的負(fù)載由零增至f1，大壩的變形指標(biāo)為p1，可認(rèn)定大壩正處于變形邊緣；AB為屈服變形階段，此時(shí)大壩受作用力影響，隨著作用力增大而超過(guò)變形基準(zhǔn)線，處于第二階段的變形預(yù)警狀態(tài)， 此時(shí)變形指標(biāo)為p2；BC為破壞階段， 該階段是水利工程大壩絕對(duì)不允許出現(xiàn)的階段，因?yàn)樵撾A段的大壩變形相當(dāng)嚴(yán)重，喪失了大壩繼續(xù)承載作用力的能力，隨時(shí)可能會(huì)有塌陷、崩塌的情況發(fā)生，此時(shí)變形指標(biāo)p3為三級(jí)強(qiáng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)［10-13］。 根據(jù)上述監(jiān)測(cè)指標(biāo)，計(jì)算大壩變形量：

式中 p（t）表示水利工程大壩的時(shí)效變形量；pc表示溫度作用下的變形量；ph表示水位高度作用下的變形量；pt表示在一定時(shí)間內(nèi)的大壩變形量。 非概率擬定的變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)，可利用非概率可靠指標(biāo)“正常-異常-失效”作為評(píng)判大壩變形的基本值。 利用d1，d2，d3表示大壩變形的3個(gè)階段，其中當(dāng)大壩變形處于初始異常期時(shí)，則指標(biāo)：

2 仿真實(shí)驗(yàn)

搭建測(cè)試平臺(tái)， 對(duì)所提出的監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行效果檢測(cè)， 同時(shí)將傳統(tǒng)方法構(gòu)建的監(jiān)測(cè)模型應(yīng)用到此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，分析不同構(gòu)建方法下，監(jiān)測(cè)模型的監(jiān)測(cè)性能。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建

隨機(jī)選擇一個(gè)水利工程大壩作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如圖4。已知該大壩位于一個(gè)V字型的河谷處，該河谷四周陡峭，其中左岸坡度在42°～45°之間，大壩的右壩肩坡度約為36.5°～45°， 已知該大壩的臨江坡度超過(guò)750m。

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)象

利用仿真測(cè)試軟件模擬上述測(cè)試對(duì)象， 設(shè)置環(huán)境溫度、氣候條件、作用力值、地形環(huán)境及水位高度等參數(shù)，同時(shí)設(shè)置周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)，所建立的模型利用該網(wǎng)絡(luò)獲取周邊影響參數(shù)， 設(shè)置的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)如圖5。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試監(jiān)控網(wǎng)

圖中A1～A9表示設(shè)置的影響參數(shù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)置仿真實(shí)驗(yàn)空間范圍， 分別利用兩種方法構(gòu)建的監(jiān)測(cè)模型， 對(duì)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行變形程度監(jiān)測(cè)。 設(shè)置大壩變形程度，變形程度曲線走勢(shì)如圖6。

圖6 預(yù)設(shè)大壩變形程度

根據(jù)預(yù)設(shè)變形程度， 分析所建模型監(jiān)測(cè)下的大壩變形監(jiān)測(cè)結(jié)果， 與預(yù)設(shè)變形程度之間的相似性和差值。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將所提出構(gòu)建方法的監(jiān)測(cè)模型測(cè)試結(jié)果記為實(shí)驗(yàn)A組，將傳統(tǒng)構(gòu)建方法的監(jiān)測(cè)模型測(cè)試結(jié)果記為實(shí)驗(yàn)B組，下述兩組圖片，為兩種監(jiān)測(cè)模型對(duì)水利工程大壩的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖7。

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述兩組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知， 所提出構(gòu)建方法下建立的預(yù)測(cè)模型， 得到A組大壩變形監(jiān)測(cè)曲線，與實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)變形程度曲線的相似程度極高，經(jīng)計(jì)算其監(jiān)測(cè)誤差僅有0.0649。 而傳統(tǒng)方法構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型，得到的實(shí)驗(yàn)B組大壩變形監(jiān)測(cè)曲線，與預(yù)設(shè)變形程度曲線相差較大， 經(jīng)計(jì)算可知其監(jiān)測(cè)誤差為0.7322。 綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知所提出構(gòu)建方法建立的預(yù)測(cè)模型，對(duì)大壩變形程度的監(jiān)測(cè)效果更好。

3 結(jié)語(yǔ)

此次提出的預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方法，以BIM技術(shù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)三維的水利工程大壩模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩更加全面的變形監(jiān)測(cè)。所建立的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)設(shè)置機(jī)敏網(wǎng)，確定監(jiān)測(cè)主體范圍，并剔除監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的奇異值，利用補(bǔ)插法填充監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的空缺位置，根據(jù)非概率法擬定一個(gè)水利工程大壩變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程大壩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以看出， 構(gòu)建的監(jiān)測(cè)模型可以反映所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的變形程度，通過(guò)對(duì)大壩三個(gè)階段的變形監(jiān)測(cè)，得到精準(zhǔn)的變形風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，保證大壩的使用安全，確保工作基站的安全運(yùn)行。 但此次提出的構(gòu)建方法是在不考慮大壩已使用年限的基礎(chǔ)上進(jìn)行， 可以說(shuō)是對(duì)全新建設(shè)完工大壩的變形監(jiān)測(cè)，因此在使用模型時(shí)，需要考慮建設(shè)年代久遠(yuǎn)的大壩是否適用。