BIM技术在大坝填筑施工现场碾压试验效果研究

崔晓斌,冷 琰

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014)

0 引 言

随着我国社会经济的不断发展,对水工建筑物的管理工作提出更高的要求和更高的标准,而传统水工建筑物安全管理体系已经无法适应现代水利建设管理的需要［1-2］。目前,我国多数水坝监控系统都是以C/S(Client/server)体系结构为主,存在着资源共享效率低、多部门协作效率低、不能支撑较长周期管理等问题。对大坝的整体结构、监测布置等主要依靠CAD图纸和各种监测数据,来反映工程的实际运行状况［3-4］,缺乏可视化的展示方式。管理者无法从测点的编号中直观、清楚地了解测点所在的地理位置和周围环境,不能及时地发现潜在的隐患和病害,这将对水利工程的安全运行产生严重的影响［5］。

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术具有许多特征,其中最大的特征就是参数化。一个仅拥有几何形状而缺少相关信息的模型使用价值不高,也不具有通用性［6-7］。而利用BIM技术建立的模型,除了对参数进行定义之外,还能够实现信息共享。在水利行业中,BIM技术的应用正在不断增多,它展现出非常好的经济价值和优化设计效益［8］。因此,将BIM技术应用到大坝安全监测中,能够有效避免传统监测系统存在的缺陷。

本次研究以甘肃某地的钢筋混凝土面板堆石坝作为研究对象,利用BIM技术对大坝进行三维建模,通过设计现场碾压试验进行施工质量控制,并对控制结果进行可视化展示。

1 应用BIM技术的大坝填筑施工现场碾压试验设计

1.1 碾压试验设计

在现场碾压试验设计中,需事先控制坝料的选择。筑坝材料需要满足抗压标准,但通过合理的级配调整和人工搅拌压实措施也可达到标准强度,因此放宽用料选择的范围［9］。

试验选取的碎石料满足以下要求:最大粒径小于铺料厚度,小于5mm和小于0.075mm的碎石粒含量分别低于20%和5%,但小粒径的石料也不能过低,小于5mm的石料含量最少不能低于10%。砂砾料选择不均匀系数15～30之间、粒径小于5mm、含量占比在10%～35%之间的砂砾。

一般根据就近原则,在试验场地周围的料场选择试验用料。采集石料时,使用挖掘机挖掘地表土下的石料,并筛选、剔除粒径大于500mm的石块。在不同的级配下,砂砾料的相对密度极值将呈现十分殊异的数值。因此,在进行碾压试验前,进行获取干密度极值的砂砾料相对密度试验。试验结果显示,所选石料的相对密度满足设计标准。现场碾压试验需要完全符合大坝填筑施工过程,见图1。

图1 大坝物料填筑过程主要流程示意图

填筑施工的前期工作有平面规格测量、标识、物料运输等,在单元内填入物料后的关键步骤是碾压,这对大坝的最终坝体质量具有重要影响。碾压质量若不符合质量标准,将直接影响坝体的使用寿命。因此,在填料过程中需要进行多次质检与验收,直到碾压质量达到预期结果。

为了节约运输成本,碾压试验选择靠近坝址和料场、平坦坚实的地方作为试验场地。若不满足要求又无法另择场地,则利用推土机在水准仪校准的条件下将场地推平。然后使用振动设备碾压场地,直至场地的沉降高度小于2mm。选取的石料碾压设备和主要参数见表1。

表1 石料碾压设备的主要参数

将试验场地划分为加水和不加两个区域。其中,不加水区域3个石料的设计铺料厚度为50和100cm,设计碾压遍数为5、10、15遍,碾压过程中控制碾压速度不变。按照碾压遍数将试验场地分为3个单元区域,每个区域设置3个测点,3个测点数据的均值代表该区整体数值。对于加水工况,3个石料均分别设置3个加水量,即5%、10%、15%。加水的碎石料和砂砾料铺料厚度为80cm,碾压遍数为10。加水的垫层料铺料厚度为40cm,碾压10次。

场地划分完成后,使用推土机进行铺料,利用水准仪控制铺料厚度。在铺料厚度满足要求且足够平整后,先静压碾两次,然后进行洒水操作。为了同步进行洒水作业,对于需要洒水的区域,先全部加入5%的水量,然后再对其他两个区域加入5%的水量,最后在15%需水量的区域加入剩下的5%。洒水后立即使用进退错距法进行碾压操作,即在同一条碾压带上来回碾压两次,上一次碾压与下一次碾压的碾压带之间搭接宽度应大于20cm。碾压完成后,基于常规检测法进行挖坑检测,检测内容为干密度和级配分析。

1.2 大坝的BIM模型与施工质量评价标准建立

利用BIM技术进行坝体填充施工质量控制,筛选出可以用BIM建模来描述的参数进行坝体BIM建模,并通过评价填筑施工质量,基于可视化的BIM结果对施工方案进行改进、优化施工技术,达到施工质量控制的目的［10］。Autodesk Civil 3D是业内常用的工程部件可视化编辑工具,具有专业的三维动态过程模拟模型和信息分析工具,并且强力高效、操作简单。因此,研究使用该软件进行大坝的BIM模型建模,使用Dynamo进行工程质量分析和评估结果可视化［11-12］。BIM模型需要以地形曲面作为基线,使模型与其贴合,然后确定模型的大坝轴线,最后连结不同地形下的不同平面截面建立三维的整体模型。建立模型之后,可通过建立施工单元族,将模型分为不同族的单元,计算质量评价结果。通过模型剖面图中不同的族类颜色,观察不满足质量要求的区域,实现施工质量评价的可视化。

质量评价流程见图2。输入碾压试验填筑标准、铺料平均厚度、加水量等相关数据后,建立线性回归方程,得到目标碾压遍数。然后通过实际测量的实际施工过程数据,获得实际碾压遍数。具体做法是将监测设备获得施工数据的坐标范围划分为多个单元,在单元内布置3个测点,以测点的碾压次数代表单元整体碾压次数,得到实际施工碾压遍数。最后,通过比较目标与实际平均遍数之间的误差大小,来判断施工过程质量是否合格。

图2 质量评价流程示意图

评价施工质量,需要确定评价标准。针对不同的填筑材料,填筑施工质量具有不同的评判标准。主要标准是物料的压实度,即碾压后的物料紧密程度。堆石料的压实度用孔隙率表示,砂砾料则主要用砂砾相对密度表示。相对密度的含义是松弛状态和天然状态的无黏性物料孔隙比之差,除以最紧密状态下的孔隙比。其计算公式如下:

(1)

式中:D为相对密度;E为孔隙比;Emax、Emin分别为最大、最小孔隙比。

但在现场试验中,孔隙比难以直接得出,通常由试验中容易得到的干密度来表示相对密度。于是相对密度的计算过程可以转化为:

(2)

式中:ρ为实际干密度;ρmin、ρmax分别为最小和最大干密度。

孔隙率的含义是物料的孔隙在总体积中的占比,其计算公式如下:

(3)

式中:n为孔隙率;ρs为水的密度;b为大坝物料相对密度。

本次研究采用较高的设计标准,即砂砾料和垫层的相对密度标准大于等于0.9,爆破料的孔隙率小于等于0.19。一般来说坝体越高,坝料的用料质量标准越高,本文所选研究坝体的主要坝料是砂砾料和爆破得到的碎石料。

砂砾料的物理性质指标如下:紧密度需要大于2g/cm3,含泥量在8%以下,压实后的内摩擦角大于30°,压实后的渗透系数需大于0.001cm/s。碎石料的指标如下:饱和状态下的抗压强度需大于30MPa,岩石软化系数需大于0.75,在冻融条件下的损失率需小于1%,干密度需大于2.4g/cm3。

2 试验结果分析与施工质量评价

砂砾料、碎石料的试验结果见表2。从不加水工况的砂砾料碾压结果可知,在同一铺料厚度下,碾压次数越多,砂砾料的相对密度越大,但相对密度增加的速度在后期逐渐放缓。在相同的碾压次数下,砂砾料的相对密度因铺料加厚而逐渐减小。碾压的次数越多、铺料越薄,表明压实效果越好,但同时也会增加施工的成本。在铺料50cm、碾压15次时,平均相对密度为0.914,可以满足设计标准。因此,选择50cm的铺料厚度和15次的碾压次数进行施工是较为合理的,可以在保障施工质量的前提下尽可能节约成本。在不洒水的工况下,砂砾相对密度在0.6以上,但低于设计标准,需要进行洒水或大幅增加碾压次数,才能达到设计的相对密度标准。而在加水工况下,砂砾料的平均相对密度均达到设计标准,可见加水确实可以提高砂砾料的碾压质量。

表2 砂砾料、碎石料的试验结果

而对于碎石料,从表2中可知,其在不加水工况下的孔隙率通过增加碾压次数而得到显著减小。但在后期阶段,碾压的压缩空隙作用逐步衰弱。在铺料50cm、碾压10次、不加水的条件下,碎石料的孔隙率均小于0.19的设计标准,该方案是较为经济合理的碾压方案。在加水时,铺料80cm、加水10%也能满足要求。在实际施工中,根据实际需要和场地条件,从这两个方案中择优选择进行碎石料碾压。

垫层料的试验结果见表3。从表3可知,垫层料的相对密度也会因碾压次数增加而提高,在后期碾压的作用也会逐步衰减。在不加水工况下,碾压10次的相对密度为0.907,碾压15次的相对密度为0.921,二者之差仅为0.018。可见在碾压10次后,碾压的效果微乎其微,此时应放弃增加碾压次数的碾压质量提高路径。碾压10次后,加水对提高碾压质量具有更显著的作用。在铺料40cm时,在垫层料中加入10%的水量,即可将垫层料的平均相对密度提高至0.924。在不加水的工况下,碾压15次也能达到设计的相对密度标准。在加水工况下,铺料40cm、碾压10次少量加水即可满足要求。在实际施工时,二者都是可行的碾压方案。

表3 垫层料的试验结果

经计算,3种石料的目标碾压遍数与石料压实度、铺料厚度、加水量具有较强的相关性,以此建立的线性回归方程在90%的置信度条件下,各项系数和公式一致通过显著性检验。通过研究设计的质量评价流程,得到各测点施工质量评价结果,见表4。由表4可知,本次试验中,大部分测点的碾压质量都是合格的,只有砂砾1号和2号测点、碎石区3号测点的碾压质量被评为不合格,即实际的平均碾压次数远小于回归方程计算的目标碾压次数。

基于以上试验结果,研究选择的实际填筑施工方案是砂砾料铺料50cm、碾压15次,碎石料铺料50cm、碾压10次,垫层料铺料40cm、碾压10次并加入10%的水量。将大坝结构参数输入Dynamo进行建模,并输入填筑方案参数、填筑标准、质量评价规则进行模拟计算,得到构建的大坝BIM三维模型与某一平面的质量可视化剖面图,见图3。在图3中,BIM模型为提供三维立体的大坝模型,通过对质量评价不合格部分的异色标记,使用者可以通过查看剖面,快速精准地定位质量不合格之处。

图3 大坝整体BIM模型三维视图与质量可视化剖面图

3 结 论

为了实现大坝整体结构与质量监测成果的可视化展示功能,本研究将BIM技术运用于大坝现场碾压试验。试验分别对砂砾料、碎石料和垫层料3种石料进行了碾压。结果显示,碾压次数对碾压质量有较大提升作用,但在后期碾压的作用逐步衰弱。在碾压次数达到衰减临界点时,加水操作对3种石料均具有明显的质量提升效果。通过试验,得到了优化方案和有效的质量评价可视化结果,为大坝施工优化和质量智能监测提供了技术路径。