黃佳一

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司,福建 福州）

引言

水利工程大壩會受到周圍環(huán)境和自然因素的影響，出現(xiàn)壩身的形變情況，從而對下游區(qū)域及周圍群眾的生命財產(chǎn)造成威脅[1]。因此，有必要構(gòu)建一種監(jiān)控模式來監(jiān)測壩體的形變程度。針對目前存在的壩體形變監(jiān)測方法的問題，本項目計劃利用BIM 技術(shù)建立壩體形變監(jiān)測模型，以解決當(dāng)前方法存在的問題[2]。通過本項目的研究，提高了觀測資料的可信度，保證了預(yù)測結(jié)果與實際形變情況的一致性，為我國水利水電建設(shè)的安全穩(wěn)定運行提供了有力的技術(shù)支持。

1 基于BIM 水利工程大壩形變監(jiān)測模型構(gòu)建方法

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

BIM 技術(shù)能夠根據(jù)參數(shù)特征自動生成水利工程大壩的三維模型，并且能通過其可視化特點觀測大壩形變位置，實現(xiàn)具有高精度辨識范圍的壩體形變監(jiān)測模型[3]。BIM 技術(shù)可以將大壩分解成多個獨立的三維模型，并且能夠體現(xiàn)出模型橫截面、中心線、水平高程等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。BIM 技術(shù)支持的參數(shù)特征如表1 所示[4]。

表1 BIM 技術(shù)支持的參數(shù)特征

若將“是”表示為1，將“否”表示為0，可根據(jù)表1中所列參數(shù)建立一張具有透視功能的Excel 表，并將其保存為CSV 和txt 格式[5]。在啟動BIM 軟件后，創(chuàng)建一個水壩結(jié)構(gòu)樣本項目，并將表1 中的數(shù)據(jù)加載到該項目中。確認(rèn)后，BIM 技術(shù)將按照其算法自動生成水壩結(jié)構(gòu)族[6]。

在此基礎(chǔ)上，通過對參數(shù)進(jìn)行修正，可以對其他部分進(jìn)行建模，從而構(gòu)建出一套完整且連貫的水庫壩體三維建模系統(tǒng)[7]。然后，可以利用機敏網(wǎng)對水壩進(jìn)行全面覆蓋，實現(xiàn)對水壩的全方位監(jiān)控。機敏網(wǎng)由密集的單根神經(jīng)構(gòu)成，橫縱交錯形成機敏監(jiān)測網(wǎng)格，布設(shè)位置在混凝土結(jié)構(gòu)表面。機敏網(wǎng)中單根神經(jīng)的交叉點為神經(jīng)元節(jié)點，能夠傳播、輸送神經(jīng)感應(yīng)信號，并將搜集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仉娔X，進(jìn)而實現(xiàn)對覆蓋區(qū)域的全方位實時監(jiān)測[8]。通過以上所述的機敏網(wǎng)，對所構(gòu)建的水壩進(jìn)行了覆蓋，以保證水壩的監(jiān)控區(qū)域。

1.2 預(yù)處理大壩形變數(shù)據(jù)設(shè)置模型監(jiān)測條件

設(shè)置機敏網(wǎng)的數(shù)據(jù)可能會受監(jiān)測方法、監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測人員等因素的影響出現(xiàn)偏差。通常情況下堤壩發(fā)生位移的時間變化非常小，與這些偏差的數(shù)值非常接近。為了解決這個問題，必須對機敏網(wǎng)進(jìn)行預(yù)處理，以排除原始數(shù)據(jù)和系統(tǒng)誤差（以下稱為奇異值 λ）。設(shè)定機敏網(wǎng)的初始形變監(jiān)測數(shù)據(jù)為x，可以得到形變監(jiān)測數(shù)據(jù)序列 x1,x2, …,xi，其中i 代表形變監(jiān)控信息的數(shù)量。計算形變特征的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）：

式（1）中：ki代表i 個被變換的信號對應(yīng)的特征值，其中i 的取值范圍為1 到n-1 和n，且n 為非零的自然數(shù)。下式計算了變化特征的平均值和均方差：

設(shè)定判斷λ 是否為奇異值的閾值為3。當(dāng)λ 大于3 時，λ 為奇異值，需要剔除；當(dāng)λ 小于3 時，λ 不是奇異值，需要保留。需要注意的是剔除奇異值后會出現(xiàn)數(shù)據(jù)空點，可能會導(dǎo)致連續(xù)監(jiān)測信號序列斷開。因此需要使用線性內(nèi)插法補充數(shù)據(jù)空點，計算公式如公式（4）：

式（4）中：z 表示待補充數(shù)據(jù)空點的監(jiān)測值；zi表示補充數(shù)據(jù)空點之前的監(jiān)測值；zi+1表示補充數(shù)據(jù)空點之后的監(jiān)測值；ti和ti+1表示數(shù)據(jù)空點監(jiān)測值的補充時間，與zi和zi+1對應(yīng)。使用線性內(nèi)插法補充數(shù)據(jù)空點后，可以通過設(shè)置形變閾值來調(diào)整監(jiān)測模型的監(jiān)測條件。該閾值的設(shè)定表達(dá)式如式（5)：

式（5）中：μ 表示設(shè)計的監(jiān)測閾值；γ 表示監(jiān)測信號降噪系數(shù)；s 表示補插后的形變信號。當(dāng)大壩基準(zhǔn)平穩(wěn)數(shù)值低于閾值μ，監(jiān)測模型會自動彈出大壩可能會發(fā)生形變的位置界面。

1.3 非概率法擬定水利工程大壩形變監(jiān)測指標(biāo)

為進(jìn)一步提升水利工程大壩形變監(jiān)測精度，文章提出使用非概率法擬定水利工程大壩形變監(jiān)測指標(biāo)，提升監(jiān)測模型精度。設(shè)定f 代表大壩所承受的總負(fù)載；p 代表基于非概率法的監(jiān)測指標(biāo)。水利工程大壩的形變過程和轉(zhuǎn)異特點主要包括彈性工作階段、屈服形變階段和破壞階段。其中彈性工作階段代表大壩正處于發(fā)生形變的邊緣；屈服形變階段代表大壩所承受的負(fù)載已經(jīng)超過形變基準(zhǔn)值；破壞階段代表大壩已經(jīng)開始發(fā)生崩塌。根據(jù)上述監(jiān)測指標(biāo)，可以計算大壩的形變量如公式（6）：

式中：p(t)表示水利工程大壩的時效形變量；pc表示溫度作用下的形變量；ph表示水位高度作用下的形變量；pt表示在一定時間內(nèi)的大壩形變量。非概率確定的形變監(jiān)測指標(biāo)，可利用非概率可靠指標(biāo)“正常－異常－失效”作為評判大壩形變的基本值。利用d1,d2,d3表示大壩形變的三個階段，其中當(dāng)大壩形變處于初始異常期時，則指標(biāo)：

2 仿真實驗

2.1 實驗環(huán)境構(gòu)建

實驗以某水利水電項目的壩體為研究對象。該大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長度500.5 m，寬10 m，最大壩高126 m。大壩上游面坡度為1:1.4。研究區(qū)概況如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)概況

使用模擬試驗軟件，對上述試驗?zāi)繕?biāo)進(jìn)行了模擬試驗，并設(shè)定了環(huán)境溫度、氣候條件和壓力值等參數(shù)。同時，還考慮了地形環(huán)境和水位高度等參數(shù)。為了獲取周圍影響參數(shù)，實驗構(gòu)建了一個周邊環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)定A1～A9 共計9 個影響參數(shù)監(jiān)控節(jié)點。基于這些節(jié)點，通過兩種方式建立了監(jiān)測模型，以監(jiān)測上述試驗對象的形變程度。通過對壩體形變情況的分析，得到了形變情況下的形變曲線，如圖2 所示。

圖2 預(yù)設(shè)大壩形變程度

基于圖2，該模型被用于實時監(jiān)控壩體的位移，并將其與預(yù)設(shè)形變程度進(jìn)行比較，從而得出相應(yīng)的差值。

2.2 實驗結(jié)果分析

實驗采取對比分析法，將文章提出的監(jiān)測模型設(shè)定為實驗A 組，將傳統(tǒng)監(jiān)測模型設(shè)定為B 組。A、B 兩組的形變監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 實驗測試結(jié)果

從圖3 可以看出，根據(jù)本研究提供方法所建立的預(yù)測模型，得出了A 組的壩體形變的監(jiān)控曲線，與試驗預(yù)設(shè)的形變程度曲線具有極高的相似性。結(jié)果表明，該方法的監(jiān)測誤差僅為0.064 9。而采用常規(guī)方式建立的預(yù)測模型，得出的B 組測試結(jié)果顯示，監(jiān)控誤差達(dá)到了0.732 2，與設(shè)定的形變曲線偏離較大。通過以上試驗研究，可以得出結(jié)論：本項目所研究的監(jiān)測模型能夠更好地監(jiān)控壩體的形變水平。

結(jié)束語

綜上所述，文章基于BIM 技術(shù)設(shè)計了一種水利工程大壩形變監(jiān)測模型，該監(jiān)測模型能夠通過設(shè)置機敏網(wǎng)對所構(gòu)建的水壩進(jìn)行覆蓋監(jiān)控，判斷水利工程大壩的形變量及危險程度。仿真實驗結(jié)果證明：文章設(shè)計的監(jiān)測模型監(jiān)測誤差為0.064 9，傳統(tǒng)監(jiān)測方法的監(jiān)控誤差為0.732 2，所以本項目所研究的監(jiān)測模型能夠更好地監(jiān)控壩體的形變水平，能夠更好地保障大壩的正常運轉(zhuǎn)。