CCS水電站調蓄水庫庫盆開挖設計BIM技術應用

董甲甲 郭莉莉 陳曉年

摘 要：CCS水電站調蓄水庫天然庫容有限，根據(jù)電站運行需求，為滿足調蓄水庫日調節(jié)的要求，需對庫盆進行開挖以增加足夠的庫容。在增加一定庫容的條件下，開挖量最小是設計優(yōu)化的目標和重點。CCS水電站調蓄水庫庫盆的開挖設計是一個反復試算的過程。為提升計算精度與設計效率，采用BIM技術建立庫容增量與開挖的參數(shù)化三維模型，保證庫容前提下，確定最優(yōu)的開挖方案，對工程實施具有重要的意義。

關鍵詞：調蓄水庫;庫容;開挖;BIM;CCS水電站

中圖分類號：TV222.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.023

Abstract：The natural storage capacity of the regulation and storage reservoir of CCS Hydropower Station in Ecuador is limited. According to the operation demand of the power station， in order to meet the requirements of daily regulation of the regulating reservoir， it is necessary to excavate the reservoir basin to increase the sufficient storage capacity. Under the condition of increasing a certain storage capacity， the minimum excavation volume is the goal and key point of design optimization. The excavation design of reservoir basin of CCS Hydropower Station in Ecuador is a trial and error process. In order to improve the calculation accuracy and design efficiency， BIM technology was used to build a parameterized threedimensional model of storage capacity increment and excavation， and the optimal excavation scheme was given under the premise of ensuring the storage capacity， which was of great practical significance for the project implementation.

Key words： regulating reservoir; storage capacity; excavation; BIM; CCS Hydropower Station

1 項目概況

厄瓜多爾CCS水電站系厄瓜多爾政府確定的“國家重點項目”，總裝機容量1 500 MW，年發(fā)電量88億kW·h，能夠滿足該國1/3人口的電力需求。主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道和地下廠房等。

調蓄水庫位于Coca河右岸支流Granadillas溪上，由面板堆石壩、溢洪道、導流兼放空洞組成。水庫正常蓄水位1 229.50 m，死水位1 216.00 m，調節(jié)庫容88萬m3。根據(jù)電站運行要求，調蓄水庫為日調節(jié)，4 h內水位將從正常蓄水位降到死水位，水位維持在死水位附近15 h，然后5 h內水位由死水位升至正常蓄水位。因正常蓄水位至死水位之間的天然庫容僅有51.9萬m3，故剩余部分由庫盆開挖獲得。

2 設計要點分析

為滿足調蓄水庫日調節(jié)的運行需求，需通過庫盆開挖得到至少36.1萬m3的有效庫容（日調節(jié)所需庫容88萬m3減去天然有效庫容51.9萬m3）。庫盆開挖時，只有在正常蓄水位以下、死水位以上的開挖工程量才能計入有效庫容。受地形限制，在有效庫容開挖的同時，必將伴隨著一部分無效的開挖工程量。如果開挖方案選擇不當，無效的開挖工程量是巨大的，對成本控制和工期都將產生不利影響。因此，在設計開挖方案時應盡量選擇對正常蓄水位以下、死水位以上坡度較緩的岸坡進行開挖，在獲得一定有效開挖庫容的前提下，產生較少的無效開挖工程量。

調蓄水庫通過長約25 km的輸水隧洞從首部樞紐引水，輸水隧洞出口位于庫區(qū)左岸接近庫尾;壓力管道進口塔架位于庫區(qū)右岸，與放空洞塔架并排布置。庫盆開挖應盡可能考慮交通需求，形成連接調蓄水庫庫盆內各建筑物的環(huán)形通道，進一步發(fā)揮庫盆開挖效益。

3 設計難點

如何在有限時間內設計出滿足庫容要求、開挖量最少、庫區(qū)內建筑物布置協(xié)調、并兼顧交通的方案是CCS水電站調蓄水庫庫盆開挖方案的重點和難點。

（1）工期緊迫。為追求開挖庫容與工程量的平衡，調蓄水庫庫盆開挖設計是一個漫長反復優(yōu)化試算的過程。一方面項目違約金每日高達USD 800 000;另一方面CCS水電站是厄瓜多爾戰(zhàn)略性能源工程，被譽為厄瓜多爾“第一工程”，備受中厄兩國領導人關注，具有深遠的政治意義。因此，常規(guī)設計方法很難滿足工期要求，需借助BIM技術提升設計效率。

（2）工程量偏差大。平均斷面法是目前最為普遍的開挖工程量計算方法，該方法簡單明了，便于計算，但其結果誤差太大。一般認為誤差約為5%，最大可達10%[1]。因此，土石方工程量的核算在工程預、結算中經(jīng)常存在較大爭議。CCS水電站項目為EPC總承包項目，采用傳統(tǒng)的平均斷面法計算工程量不利于成本控制，需借助BIM技術提升工程量計算精度。

（3）設計方案審批困難。厄瓜多爾的官方語言為西班牙語，溝通難度大，并且CCS水電站的設計要求采用美國及國際規(guī)范，增加了設計施工方案審批的難度[2]。圖紙是工程師的語言，通過BIM技術構建調蓄水庫庫盆開挖的三維可視化模型，能更好地表達設計意圖，突出設計效果，方便與參建各方協(xié)同和溝通。

4 BIM技術的應用

CATIA平臺是目前主流的BIM軟件平臺，是一款功能強大的CAD/CAE/CAM一體化終端，其設計技術和解決方案在世界上處于領先地位，目前已廣泛應用于航空航天、機械制造、電器電子、土木工程等領域，并逐漸向水利水電、巖土工程、地理信息、資源環(huán)境等領域發(fā)展[3]。其強大的逆向工程與參數(shù)化聯(lián)動功能，為調蓄水庫方案優(yōu)化效率和工程量的精準計算提供了高效的解決方案。

4.1 高精度三維地形構建

精準的地形是調蓄水庫庫盆開挖設計優(yōu)化的前提，在CATIA平臺上可運用逆向工程理論，實現(xiàn)高精度三維地形的模擬。

在CATIA平臺上導入工程DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）點云數(shù)據(jù)，考慮原始地形資料的精度及網(wǎng)格精度的設置要求，其間要進行面、片之間的漏洞與補洞處理[4]，形成一個網(wǎng)格（Mesh）格式的三維地表。網(wǎng)格格式的三維地表以DEM點云數(shù)據(jù)為基礎，幾乎無損模擬了地形地貌，具有較高的精度，但操作不方便（修剪、布爾操作等命令不穩(wěn)定，甚至有時出現(xiàn)無法進行的情況），工程中一般將這種網(wǎng)格面轉化為易于操作的曲面，在網(wǎng)格轉曲面的過程中不可避免地伴隨著一定的精度損失。在CATIA平臺“形狀→Quick Surface Reconstruction（快速曲面創(chuàng)建）”模塊中用“Automatic Surface（自動表面）”命令，可將網(wǎng)格轉為曲面。通過曲面平均偏差、曲面細節(jié)、自由邊偏差和目標比率等幾個參數(shù)控制網(wǎng)格轉曲面的精度。一般情況下曲面平均偏差取小值，曲面細節(jié)取大值，自由邊偏差取小值，目標比率取大值，以減小精度的損失。CCS水電站調蓄水庫庫盆長度近1 km，經(jīng)反復測試，在網(wǎng)格地形轉曲面過程中平均偏差值取0.1 m、曲面細節(jié)取10 000、自由邊偏差取0.1 m、目標比率取90時，生成的曲面地形與1∶500的DEM數(shù)據(jù)基本吻合，滿足設計要求。網(wǎng)格格式地形轉曲面的過程如圖1所示。

高精度的三維地形可直觀真實地反映地形起伏特征，方便選擇在平緩、開挖條件好的區(qū)域進行開挖，有效減少方案調整的過程，提升設計效率與方案變更的響應速度，在保證開挖工程量精度的同時，達到以最少開挖量換取較大有效庫容的目的。

4.2 參數(shù)化關聯(lián)動態(tài)方案調整

對方案調整的快速響應是BIM技術中參數(shù)化設計的顯著優(yōu)勢之一。其理念就是將圖形中的一些圖素的尺寸和位置與一定的約束條件相關聯(lián)，當某一圖素的尺寸和位置發(fā)生改變后，系統(tǒng)依據(jù)其與周圍圖素之間的約束條件，自動修改這些圖素的尺寸和位置來更新整個圖形[5]。CATIA軟件本身參數(shù)化功能強大，對方案的關聯(lián)動態(tài)響應很迅速，并且在水利水電工程中應用比較廣泛。在CCS水電站調蓄水庫庫盆開挖優(yōu)化設計中基于BIM技術的參數(shù)化關聯(lián)動態(tài)方案調整流程如圖2所示。

基于BIM技術的參數(shù)化關聯(lián)動態(tài)方案調整包含如下3個層次。

（1）常規(guī)意義上的參數(shù)化，在CATIA平臺上構建參數(shù)，并與邊坡開挖要素（開挖邊坡高度、開挖邊坡坡度和邊坡馬道寬度等）建立驅動關系，通過修改結構樹中代表開挖邊坡要素的參數(shù)，驅動BIM模型更新，進而得到不同邊坡開挖要素下設計方案與相應的開挖工程量，如圖3所示。

（2）在CATIA平臺上采用自上而下的建模方式進行建模，建模過程完整記錄在結構樹中，本身具有上下承接關系，下一步將自動根據(jù)上一步的修改內容實現(xiàn)模型更新。在此基礎上，通過修改調蓄水庫庫盆開挖邊坡的基礎邊線，更改開挖位置，來實現(xiàn)開挖工程量及開挖方案的變更。

（3）在CATIA軟件中，以代表調蓄水庫正常蓄水位與死水位的水平面及開挖地形為約束條件，通過修剪命令，在整個開挖地形中剪去正常蓄水位以上和死水位以下的開挖量，建立開挖工程量與有效庫容增加量的參數(shù)驅動關系。當開挖工程量變化時，修剪過程隨之更新，實時獲取開挖有效庫容的工程量和無效開挖工程量，如圖4所示。

在CCS水電站調蓄水庫庫盆開挖優(yōu)化設計過程中，運用上述3個層次建立邊坡要素、開挖軸線、開挖工程量與有效庫容增量的參數(shù)驅動關系。反復聯(lián)動調節(jié)邊坡要素參數(shù)與開挖軸線，直至有效庫容總量略大于88萬m3（考慮一定保證率）的同時無效開挖量最小。再綜合考慮庫盆周邊水工建筑物的布置以及兩岸交通要求，快速、高效獲取最優(yōu)的庫盆開挖方案，BIM技術的應用助力提升了設計方案審批通過的效率，精確了工程量，縮短了設計周期，為項目的順利開展提供了技術保障。

在BIM技術支撐下，具體實施的庫盆開挖方案如下：左岸高程1 233.5 m設4.5 m寬馬道，馬道以下邊坡1∶0.3;高程1 233.5～1 245.5 m之間開挖邊坡1∶0.3;高程1 245.5 m設3 m寬馬道，該馬道以上開挖邊坡1∶1.5，并每6 m設一級馬道，馬道寬3 m。環(huán)庫道路寬8 m，由高程1 253.0 m降至1 237.5 m。右岸高程1 233.5 m設8 m寬馬道兼做環(huán)庫公路，以下邊坡1∶0.3;高程1 233.5～1 245.5 m之間開挖邊坡1∶0.3;1 245.5 m高程設馬道，馬道寬3 m;1 245.5～1 253.5 m高程之間開挖邊坡1∶0.5;1 253.5 m高程以上開挖邊坡1∶1.5，每8 m設一級馬道，馬道寬3 m，如圖5所示。

根據(jù)以上原則，在BIM模型中量取庫盆開挖總量約147.92萬m3，調蓄水庫左、右岸和相關建筑物開挖和混凝土施工后形成的有效庫容為95.31萬m3，略大于基本設計階段確定的88.00萬m3，開挖獲得有效庫容的效率比較高，滿足設計與運行要求。

5 結 語

CCS水電站調蓄水庫通過長約25 km的輸水隧洞從首部樞紐引水，輸水隧洞出口位于庫區(qū)左岸接近庫尾;壓力管道進口塔架位于庫區(qū)右岸，與放空洞塔架并排布置。庫盆開挖應盡可能考慮交通需求，形成連接調蓄水庫庫盆內各建筑物的環(huán)形通道，進一步發(fā)揮庫盆開挖效益。如何在有限時間內設計出滿足庫容要求、開挖量最少、庫區(qū)內建筑物布置協(xié)調、兼顧交通的方案是厄瓜多爾CCS水電站調蓄水庫庫盆開挖方案設計的重點和難點。為提升計算精度與設計效率，采用BIM技術建立庫容增量與開挖的參數(shù)化三維模型，在保證庫容前提下，確定最優(yōu)的開挖方案，對工程實施具有重要的意義。

參考文獻：

[1] 唐平英.斷面法土方量計算公式的精度[J].港工技術，1998（1）：32-33.

[2] 劉增強，史玉龍，梁春光.厄瓜多爾CCS水電站BIM綜合應用[J].水利規(guī)劃與設計，2018（2）：14-19.

[3] 董甲甲，楊磊，杜燕林.基于CATIA三維重力壩可視化設計[J].水利水電科技進展，2010，30（5）：57-60.

[4] 陳艷國，李斌，吳偉功.基于CATIA的古賢水利樞紐三維地質建模[J].人民黃河，2011，33（5）：138-139.

[5] 周銳.基于參數(shù)化的圍堰三維可視化設計[J].黑龍江水利科技，2013，41（2）：4-8.

【責任編輯 張華巖】