BIM技術(shù)在石料場開采規(guī)劃設(shè)計中的模擬研究

常勝

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某水利工程為Ⅱ等大（2）型工程，由混凝土面板堆石壩、左岸2號生態(tài)放水洞、右岸表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、1 號生態(tài)放水洞、發(fā)電引水系統(tǒng)和電站廠房組成。主要建筑物級別：永久性主要建筑物中，大壩壩高203.0 m，壩頂長550.0 m，為1 級建筑物，泄水及沖砂建筑物（表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、生態(tài)放水洞）和發(fā)電洞、廠房、尾水渠為2 級，其他永久性次要建筑物為3 級，臨時性建筑物為4級。工程所需天然建筑材料包含墊層料、過渡料、堆石料、土料及混凝土骨料等，結(jié)合工程土石方平衡并根據(jù)SL 303-2017《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》[1]“料源選擇與料場開采”相關(guān)規(guī)定，經(jīng)計算，料場開采有用層原巖需1 584.4 萬m3。工程位于河流上游地帶，河谷呈“V”型，兩岸山體雄厚，岸坡陡峭；工程區(qū)天然砂礫石料場較為匱乏，但塊石料源及儲量較為豐富，開采條件較好，質(zhì)量指標基本滿足技術(shù)要求。根據(jù)料源選擇結(jié)果，P2 料場為混凝土骨料和大壩堆石料主要塊石料場。

工程壩體填筑總量達1 363.4 萬m3，壩體填筑強度較高，料場開采供應(yīng)問題比較突出。另外，塊石料場開采方案對確定分層施工交通布置、邊坡支護[2]及水土保持方案[3]均有影響。針對如何準確計算塊石料場開采量，劃定開采范圍，確定邊坡支護范圍等問題，下文運用BIM 動態(tài)仿真技術(shù)來完成料場開采體型建模，以達到較好地實現(xiàn)設(shè)計方案模擬。

2 開采規(guī)劃設(shè)計

P2 塊石料場位于上壩址右岸下游3.8 km 山梁，高程2 500～2 900 m，地表覆蓋有薄層的風(fēng)積粉土層，厚0.2～1.0 m。料場巖性主要為下古生界奧陶—寒武系西合休巖組，呈NE 向條帶狀產(chǎn)出，巖性主要為灰深灰色黑云（二云）石英片巖、二長變粒巖、灰綠色陽起鈉長綠泥片巖、夾灰綠色綠簾鈉長片巖，片理產(chǎn)狀為290°～310°SW∠45°～70°，屬中硬巖，干抗壓強度63～76 MPa；飽和抗壓強度47～53 MPa，軟化系數(shù)0.70～0.74。該料場強風(fēng)化層厚度1.0～3.0 m，弱風(fēng)化層厚度10.0～15.0 m，無用層平均厚度按7.0 m 考慮。

根據(jù)料場地形、地質(zhì)條件，進行開采設(shè)計規(guī)劃后，確定施工期料場規(guī)劃開采范圍控制在有效勘探范圍之內(nèi)。料場規(guī)劃開采范圍內(nèi)剝離層開挖邊坡坡比為1∶1，采用手風(fēng)鉆鉆孔，2 m3挖掘機挖裝15 t 自卸車運棄；巖石開挖邊坡坡比為1∶0.5，臺階高15.0 m，每4 級邊坡設(shè)1 級6.0 m 的清掃平臺，一般臺階設(shè)置寬2.0 m 的馬道，采用ROCD7 液壓鉆造孔，分層臺階法深孔梯段擠壓爆破開采，Y-28 手風(fēng)鉆進行超徑石二次破碎解小，邊坡采用預(yù)裂爆破。邊坡采用噴混凝土、坡頂鎖口錨桿、系統(tǒng)錨桿及錨筋樁支護：噴C25 混凝土厚10 cm，掛鋼筋網(wǎng)，直徑8 mm，網(wǎng)格20 cm×20 cm；系統(tǒng)錨桿長4.5 m，直徑25 mm，間距2.0 m×2.0 m。每級邊坡頂部布設(shè)2排長9.0 m、直徑32 mm 鎖口錨桿，間距2.0 m×2.0 m。局部巖石破碎或斷層區(qū)以錨筋樁（3φ28，L=15.0 m）隨機錨固。根據(jù)地下水活動情況，邊坡坡面布置排水孔，孔徑45 mm，孔深2.0 m，上仰角10°。

3 建模設(shè)計

3.1 建模思路

結(jié)合P2 料場地形地質(zhì)條件，料場開采大致體型為簸箕狀，三面臨山，一面臨空，中間一平坦底板?？拷襟w一側(cè)為連續(xù)多級馬道的高邊坡，遠離山體一側(cè)臨河，高程較開采底板逐步降低，左右兩側(cè)毗鄰沖溝，為保證料場不受沖溝洪水影響，預(yù)留一定寬度的行洪通道，行洪通道外側(cè)向料場底板由連續(xù)邊坡過渡至底板。因此，料場開采體型主要由底板和三面開挖邊坡組成。

結(jié)合上述設(shè)計理念，利用Autodesk Civil 3D 放坡功能模擬三維動態(tài)料場開采體型。

3.2 建模步驟

3.2.1 創(chuàng)建地形曲面

利用料場區(qū)域地形圖中等高線、高程點、高程塊等圖形對象創(chuàng)建地形曲面。具體操作步驟：工具空間→創(chuàng)建曲面→定義中依次運用“等高線”“圖形對象”功能，添加區(qū)域范圍內(nèi)等高線、高程點、高程塊等圖形對象。另利用定義中“邊界”功能添加曲面外部邊界，可對已建曲面做邊界修飾。基于上述操作，運用“對象查看器”可動態(tài)查看料場地形曲面，并檢查其準確性。P2 料場三維效果見圖1。

圖1 石料場地形三維效果圖

3.2.2 初擬料場開采底板范圍線

1）料場底板長邊的確定：料場開采頂部高程一般由料場擬開采范圍，施工交通布置等因素決定。因施工現(xiàn)場山脊高聳，易受施工交通所限，選取料場初擬開采頂部高程線往往是山脊某一高程處的高程線。將其轉(zhuǎn)化成要素線，利用放坡功能，放坡規(guī)則選擇“高程-挖填坡度”，坡度為考慮馬道后的綜合邊坡；由頂部高程線放坡至底板高程，此時可得到與山脊軸線成垂直方向的開采底面范圍線。

2）料場底板寬邊的確定：山脊兩側(cè)為天然沖溝，為考慮后續(xù)溝道排洪，不影響料場邊坡穩(wěn)定安全，可在溝道兩側(cè)預(yù)留一定距離的行洪寬度。行洪寬度范圍外劃定料場邊界，將其轉(zhuǎn)化成要素線，“指定高程”功能中從地形曲面提取高程值并賦值于料場邊界線，邊界線在新建放坡組2下，按照上述放坡步驟確定料場底板寬度方向邊線。三面底板線確定后，手動勾勒劃定一條要素線作為起坡線。

3.2.3 放坡料場底板及坡面

1）放坡料場底板：選中起坡線，采用“距離～斜率”的規(guī)則向遠離山體方向進行放坡，可放至料場底板。此處距離寬度設(shè)置應(yīng)足夠覆蓋底板高程線范圍，斜率可取1/9 999，近似水平。

2）坡面放置：選中起坡線，采用“相對高程～斜率”和“相對高程～距離”的規(guī)則，向靠近山體方向逐級放至坡比1/0.5、高差-15.0 m 的坡面和寬2.0 m或6.0 m 的水平馬道；放置馬道時，“相對高程～距離”中“相對高程”值設(shè)置為0.000 1 m，近似水平。要素線放坡至初擬開采頂部高程時，選擇要素線采用“曲面～挖填坡度”規(guī)則放坡至地形曲面與原地面相交。

3）設(shè)置料場開采曲面邊界：利用分析中“曲面之間的最小距離”功能，提取地形曲面和放坡曲面之間的三維相交線，將其轉(zhuǎn)化為二維多段線，修整成一閉合多段線，添加作為放坡曲面邊界。

3.2.4 計算料場開采量

利用“放坡體積工具”，計算料場開采總體積（含無用層）。復(fù)制地形曲面，作為一輔助曲面1；選擇“放坡料場底板及坡面”中放坡曲面邊界的多段線，添加作為輔助曲面的邊界，邊界類型選擇“外部”，可得到料場范圍內(nèi)原始地形曲面；“曲面特性”—“統(tǒng)計信息”—查看該區(qū)域“三維曲面面積”，該數(shù)值與無用層平均厚度乘積為無用層剝離量。開采體積與無用層剝離量差值，即為料場開挖總量。

3.2.5 料場三維效果展示

復(fù)制地形曲面，作為一輔助曲面2；選擇“放坡料場底板及坡面”中放坡曲面邊界的多段線，添加作為輔助曲面的邊界，邊界類型選擇“隱藏”，可得到料場范圍扣除的地形曲面。利用輔助曲面中“編輯”—“粘貼曲面”粘貼放坡曲面，此時可得到開采后的料場形態(tài)，在“對象查看器”可閱。如果曲面粘貼不成功，在“對象查看器”亦可選擇“輔助曲面”和“放坡曲面”兩者的聯(lián)合效果，亦可反應(yīng)料場開采后效果圖。

3.3 建模結(jié)果

利用“對象查看器”可動態(tài)查看各個視角下料場開采情況。圖2 為料場開采三維效果圖，料場開采體型呈簸箕狀，開挖總量1 923.3萬m3，表層剝離量約289.7萬m3，料場底板面積13.2萬m2，邊坡支護面積26.4 萬m2。P2 料場開采頂部高程2 750 m，最終開采底部平臺高程2 330 m，開采最大高差約420.0 m，覆蓋層開挖坡比為1∶1，巖石邊坡開挖坡比為1∶0.5，每隔15.0 m 設(shè)2.0 m 寬的馬道，每4 級邊坡設(shè)1 級6.0 m 的清掃平臺，馬道共計22 級，清掃平臺共計5 級。經(jīng)Autodesk Civil 3D 復(fù)核，該料場開采范圍內(nèi)有效儲量1 923.3 萬m3，該值大于工程所需原巖1 584.4 萬m3，表明該料場能夠滿足工程供料需求。

4 結(jié)語

圖2 石料場開采完成后三維效果圖

針對新疆某水利工程料場開采供應(yīng)問題，結(jié)合料場地形地質(zhì)條件，運用BIM 技術(shù)建立了料場開采模型。結(jié)果表明：Autodesk Civil 3D 創(chuàng)建BIM模型能夠快速準確實現(xiàn)設(shè)計理念，基于三維可視化模型可以直觀認識理解分析地形和料場開采方案，能夠滿足料場開采方案設(shè)計的要求；運用Autodesk Civil 3D 軟件對料場開采和邊坡支護等工程量計算及劃定開采和邊坡支護范圍，較平行斷面法在時效性和精確度上具有明顯優(yōu)勢。