崔曉斌,冷 琰

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,長沙 410014)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,對水工建筑物的管理工作提出更高的要求和更高的標(biāo)準(zhǔn),而傳統(tǒng)水工建筑物安全管理體系已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代水利建設(shè)管理的需要［1-2］。目前,我國多數(shù)水壩監(jiān)控系統(tǒng)都是以C/S(Client/server)體系結(jié)構(gòu)為主,存在著資源共享效率低、多部門協(xié)作效率低、不能支撐較長周期管理等問題。對大壩的整體結(jié)構(gòu)、監(jiān)測布置等主要依靠CAD圖紙和各種監(jiān)測數(shù)據(jù),來反映工程的實(shí)際運(yùn)行狀況［3-4］,缺乏可視化的展示方式。管理者無法從測點(diǎn)的編號中直觀、清楚地了解測點(diǎn)所在的地理位置和周圍環(huán)境,不能及時地發(fā)現(xiàn)潛在的隱患和病害,這將對水利工程的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響［5］。

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術(shù)具有許多特征,其中最大的特征就是參數(shù)化。一個僅擁有幾何形狀而缺少相關(guān)信息的模型使用價值不高,也不具有通用性［6-7］。而利用BIM技術(shù)建立的模型,除了對參數(shù)進(jìn)行定義之外,還能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享。在水利行業(yè)中,BIM技術(shù)的應(yīng)用正在不斷增多,它展現(xiàn)出非常好的經(jīng)濟(jì)價值和優(yōu)化設(shè)計(jì)效益［8］。因此,將BIM技術(shù)應(yīng)用到大壩安全監(jiān)測中,能夠有效避免傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)存在的缺陷。

本次研究以甘肅某地的鋼筋混凝土面板堆石壩作為研究對象,利用BIM技術(shù)對大壩進(jìn)行三維建模,通過設(shè)計(jì)現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)進(jìn)行施工質(zhì)量控制,并對控制結(jié)果進(jìn)行可視化展示。

1 應(yīng)用BIM技術(shù)的大壩填筑施工現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 碾壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,需事先控制壩料的選擇。筑壩材料需要滿足抗壓標(biāo)準(zhǔn),但通過合理的級配調(diào)整和人工攪拌壓實(shí)措施也可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度,因此放寬用料選擇的范圍［9］。

試驗(yàn)選取的碎石料滿足以下要求:最大粒徑小于鋪料厚度,小于5mm和小于0.075mm的碎石粒含量分別低于20%和5%,但小粒徑的石料也不能過低,小于5mm的石料含量最少不能低于10%。砂礫料選擇不均勻系數(shù)15～30之間、粒徑小于5mm、含量占比在10%～35%之間的砂礫。

一般根據(jù)就近原則,在試驗(yàn)場地周圍的料場選擇試驗(yàn)用料。采集石料時,使用挖掘機(jī)挖掘地表土下的石料,并篩選、剔除粒徑大于500mm的石塊。在不同的級配下,砂礫料的相對密度極值將呈現(xiàn)十分殊異的數(shù)值。因此,在進(jìn)行碾壓試驗(yàn)前,進(jìn)行獲取干密度極值的砂礫料相對密度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,所選石料的相對密度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)需要完全符合大壩填筑施工過程,見圖1。

圖1 大壩物料填筑過程主要流程示意圖

填筑施工的前期工作有平面規(guī)格測量、標(biāo)識、物料運(yùn)輸?shù)?在單元內(nèi)填入物料后的關(guān)鍵步驟是碾壓,這對大壩的最終壩體質(zhì)量具有重要影響。碾壓質(zhì)量若不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),將直接影響壩體的使用壽命。因此,在填料過程中需要進(jìn)行多次質(zhì)檢與驗(yàn)收,直到碾壓質(zhì)量達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

為了節(jié)約運(yùn)輸成本,碾壓試驗(yàn)選擇靠近壩址和料場、平坦堅(jiān)實(shí)的地方作為試驗(yàn)場地。若不滿足要求又無法另擇場地,則利用推土機(jī)在水準(zhǔn)儀校準(zhǔn)的條件下將場地推平。然后使用振動設(shè)備碾壓場地,直至場地的沉降高度小于2mm。選取的石料碾壓設(shè)備和主要參數(shù)見表1。

表1 石料碾壓設(shè)備的主要參數(shù)

將試驗(yàn)場地劃分為加水和不加兩個區(qū)域。其中,不加水區(qū)域3個石料的設(shè)計(jì)鋪料厚度為50和100cm,設(shè)計(jì)碾壓遍數(shù)為5、10、15遍,碾壓過程中控制碾壓速度不變。按照碾壓遍數(shù)將試驗(yàn)場地分為3個單元區(qū)域,每個區(qū)域設(shè)置3個測點(diǎn),3個測點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值代表該區(qū)整體數(shù)值。對于加水工況,3個石料均分別設(shè)置3個加水量,即5%、10%、15%。加水的碎石料和砂礫料鋪料厚度為80cm,碾壓遍數(shù)為10。加水的墊層料鋪料厚度為40cm,碾壓10次。

場地劃分完成后,使用推土機(jī)進(jìn)行鋪料,利用水準(zhǔn)儀控制鋪料厚度。在鋪料厚度滿足要求且足夠平整后,先靜壓碾兩次,然后進(jìn)行灑水操作。為了同步進(jìn)行灑水作業(yè),對于需要灑水的區(qū)域,先全部加入5%的水量,然后再對其他兩個區(qū)域加入5%的水量,最后在15%需水量的區(qū)域加入剩下的5%。灑水后立即使用進(jìn)退錯距法進(jìn)行碾壓操作,即在同一條碾壓帶上來回碾壓兩次,上一次碾壓與下一次碾壓的碾壓帶之間搭接寬度應(yīng)大于20cm。碾壓完成后,基于常規(guī)檢測法進(jìn)行挖坑檢測,檢測內(nèi)容為干密度和級配分析。

1.2 大壩的BIM模型與施工質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)建立

利用BIM技術(shù)進(jìn)行壩體填充施工質(zhì)量控制,篩選出可以用BIM建模來描述的參數(shù)進(jìn)行壩體BIM建模,并通過評價填筑施工質(zhì)量,基于可視化的BIM結(jié)果對施工方案進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化施工技術(shù),達(dá)到施工質(zhì)量控制的目的［10］。Autodesk Civil 3D是業(yè)內(nèi)常用的工程部件可視化編輯工具,具有專業(yè)的三維動態(tài)過程模擬模型和信息分析工具,并且強(qiáng)力高效、操作簡單。因此,研究使用該軟件進(jìn)行大壩的BIM模型建模,使用Dynamo進(jìn)行工程質(zhì)量分析和評估結(jié)果可視化［11-12］。BIM模型需要以地形曲面作為基線,使模型與其貼合,然后確定模型的大壩軸線,最后連結(jié)不同地形下的不同平面截面建立三維的整體模型。建立模型之后,可通過建立施工單元族,將模型分為不同族的單元,計(jì)算質(zhì)量評價結(jié)果。通過模型剖面圖中不同的族類顏色,觀察不滿足質(zhì)量要求的區(qū)域,實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量評價的可視化。

質(zhì)量評價流程見圖2。輸入碾壓試驗(yàn)填筑標(biāo)準(zhǔn)、鋪料平均厚度、加水量等相關(guān)數(shù)據(jù)后,建立線性回歸方程,得到目標(biāo)碾壓遍數(shù)。然后通過實(shí)際測量的實(shí)際施工過程數(shù)據(jù),獲得實(shí)際碾壓遍數(shù)。具體做法是將監(jiān)測設(shè)備獲得施工數(shù)據(jù)的坐標(biāo)范圍劃分為多個單元,在單元內(nèi)布置3個測點(diǎn),以測點(diǎn)的碾壓次數(shù)代表單元整體碾壓次數(shù),得到實(shí)際施工碾壓遍數(shù)。最后,通過比較目標(biāo)與實(shí)際平均遍數(shù)之間的誤差大小,來判斷施工過程質(zhì)量是否合格。

圖2 質(zhì)量評價流程示意圖

評價施工質(zhì)量,需要確定評價標(biāo)準(zhǔn)。針對不同的填筑材料,填筑施工質(zhì)量具有不同的評判標(biāo)準(zhǔn)。主要標(biāo)準(zhǔn)是物料的壓實(shí)度,即碾壓后的物料緊密程度。堆石料的壓實(shí)度用孔隙率表示,砂礫料則主要用砂礫相對密度表示。相對密度的含義是松弛狀態(tài)和天然狀態(tài)的無黏性物料孔隙比之差,除以最緊密狀態(tài)下的孔隙比。其計(jì)算公式如下:

(1)

式中:D為相對密度;E為孔隙比;Emax、Emin分別為最大、最小孔隙比。

但在現(xiàn)場試驗(yàn)中,孔隙比難以直接得出,通常由試驗(yàn)中容易得到的干密度來表示相對密度。于是相對密度的計(jì)算過程可以轉(zhuǎn)化為:

(2)

式中:ρ為實(shí)際干密度;ρmin、ρmax分別為最小和最大干密度。

孔隙率的含義是物料的孔隙在總體積中的占比,其計(jì)算公式如下:

(3)

式中:n為孔隙率;ρs為水的密度;b為大壩物料相對密度。

本次研究采用較高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),即砂礫料和墊層的相對密度標(biāo)準(zhǔn)大于等于0.9,爆破料的孔隙率小于等于0.19。一般來說壩體越高,壩料的用料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)越高,本文所選研究壩體的主要壩料是砂礫料和爆破得到的碎石料。

砂礫料的物理性質(zhì)指標(biāo)如下:緊密度需要大于2g/cm3,含泥量在8%以下,壓實(shí)后的內(nèi)摩擦角大于30°,壓實(shí)后的滲透系數(shù)需大于0.001cm/s。碎石料的指標(biāo)如下:飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度需大于30MPa,巖石軟化系數(shù)需大于0.75,在凍融條件下的損失率需小于1%,干密度需大于2.4g/cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與施工質(zhì)量評價

砂礫料、碎石料的試驗(yàn)結(jié)果見表2。從不加水工況的砂礫料碾壓結(jié)果可知,在同一鋪料厚度下,碾壓次數(shù)越多,砂礫料的相對密度越大,但相對密度增加的速度在后期逐漸放緩。在相同的碾壓次數(shù)下,砂礫料的相對密度因鋪料加厚而逐漸減小。碾壓的次數(shù)越多、鋪料越薄,表明壓實(shí)效果越好,但同時也會增加施工的成本。在鋪料50cm、碾壓15次時,平均相對密度為0.914,可以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此,選擇50cm的鋪料厚度和15次的碾壓次數(shù)進(jìn)行施工是較為合理的,可以在保障施工質(zhì)量的前提下盡可能節(jié)約成本。在不灑水的工況下,砂礫相對密度在0.6以上,但低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)行灑水或大幅增加碾壓次數(shù),才能達(dá)到設(shè)計(jì)的相對密度標(biāo)準(zhǔn)。而在加水工況下,砂礫料的平均相對密度均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),可見加水確實(shí)可以提高砂礫料的碾壓質(zhì)量。

表2 砂礫料、碎石料的試驗(yàn)結(jié)果

而對于碎石料,從表2中可知,其在不加水工況下的孔隙率通過增加碾壓次數(shù)而得到顯著減小。但在后期階段,碾壓的壓縮空隙作用逐步衰弱。在鋪料50cm、碾壓10次、不加水的條件下,碎石料的孔隙率均小于0.19的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),該方案是較為經(jīng)濟(jì)合理的碾壓方案。在加水時,鋪料80cm、加水10%也能滿足要求。在實(shí)際施工中,根據(jù)實(shí)際需要和場地條件,從這兩個方案中擇優(yōu)選擇進(jìn)行碎石料碾壓。

墊層料的試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可知,墊層料的相對密度也會因碾壓次數(shù)增加而提高,在后期碾壓的作用也會逐步衰減。在不加水工況下,碾壓10次的相對密度為0.907,碾壓15次的相對密度為0.921,二者之差僅為0.018。可見在碾壓10次后,碾壓的效果微乎其微,此時應(yīng)放棄增加碾壓次數(shù)的碾壓質(zhì)量提高路徑。碾壓10次后,加水對提高碾壓質(zhì)量具有更顯著的作用。在鋪料40cm時,在墊層料中加入10%的水量,即可將墊層料的平均相對密度提高至0.924。在不加水的工況下,碾壓15次也能達(dá)到設(shè)計(jì)的相對密度標(biāo)準(zhǔn)。在加水工況下,鋪料40cm、碾壓10次少量加水即可滿足要求。在實(shí)際施工時,二者都是可行的碾壓方案。

表3 墊層料的試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)計(jì)算,3種石料的目標(biāo)碾壓遍數(shù)與石料壓實(shí)度、鋪料厚度、加水量具有較強(qiáng)的相關(guān)性,以此建立的線性回歸方程在90%的置信度條件下,各項(xiàng)系數(shù)和公式一致通過顯著性檢驗(yàn)。通過研究設(shè)計(jì)的質(zhì)量評價流程,得到各測點(diǎn)施工質(zhì)量評價結(jié)果,見表4。由表4可知,本次試驗(yàn)中,大部分測點(diǎn)的碾壓質(zhì)量都是合格的,只有砂礫1號和2號測點(diǎn)、碎石區(qū)3號測點(diǎn)的碾壓質(zhì)量被評為不合格,即實(shí)際的平均碾壓次數(shù)遠(yuǎn)小于回歸方程計(jì)算的目標(biāo)碾壓次數(shù)。

基于以上試驗(yàn)結(jié)果,研究選擇的實(shí)際填筑施工方案是砂礫料鋪料50cm、碾壓15次,碎石料鋪料50cm、碾壓10次,墊層料鋪料40cm、碾壓10次并加入10%的水量。將大壩結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入Dynamo進(jìn)行建模,并輸入填筑方案參數(shù)、填筑標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量評價規(guī)則進(jìn)行模擬計(jì)算,得到構(gòu)建的大壩BIM三維模型與某一平面的質(zhì)量可視化剖面圖,見圖3。在圖3中,BIM模型為提供三維立體的大壩模型,通過對質(zhì)量評價不合格部分的異色標(biāo)記,使用者可以通過查看剖面,快速精準(zhǔn)地定位質(zhì)量不合格之處。

圖3 大壩整體BIM模型三維視圖與質(zhì)量可視化剖面圖

3 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)大壩整體結(jié)構(gòu)與質(zhì)量監(jiān)測成果的可視化展示功能,本研究將BIM技術(shù)運(yùn)用于大壩現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)。試驗(yàn)分別對砂礫料、碎石料和墊層料3種石料進(jìn)行了碾壓。結(jié)果顯示,碾壓次數(shù)對碾壓質(zhì)量有較大提升作用,但在后期碾壓的作用逐步衰弱。在碾壓次數(shù)達(dá)到衰減臨界點(diǎn)時,加水操作對3種石料均具有明顯的質(zhì)量提升效果。通過試驗(yàn),得到了優(yōu)化方案和有效的質(zhì)量評價可視化結(jié)果,為大壩施工優(yōu)化和質(zhì)量智能監(jiān)測提供了技術(shù)路徑。