BIM技术在沙河水库除险加固工程中的应用

陈小云

(湖北水总工程勘察设计有限公司，湖北 武汉 430000)

1 工程概况

沙河水库位于湖北省枣阳市东北部，水库在汉水流域唐白河水系沙河干流，坝址位于枣阳市鹿头镇王庄村，距枣阳市城区26km，距鹿头镇2.1km。沙河水库集雨面积125km2，水库总库容7050万m3，兴利库容5070万m3，死库容80万m3。沙河水库枢纽工程于1958年10月动工，1959年5月建成蓄水，是一座以灌溉为主，兼有防洪、水产养殖、乡镇供水等综合效益的中型水库。

沙河水库工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。本次除险加固采用的洪水标准为：洪水设计标准50年一遇(P=2%)，洪水校核标准1000年一遇(P=0.1%)，消能防冲按30年一遇洪水设计；水库下游防洪标准为10年一遇。水库正常蓄水位169.69m(黄海高程，下同)，设计洪水位170.37m，校核洪水位171.56m，死水位156.39m。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵管、石梯水库灌溉暗涵(石梯水库灌渠穿沙河水库大坝输水涵管)及导流涵管等建筑物组成。

2 水库加固内容

2.1 主坝

坝体及坝基防渗采用塑性混凝土防渗墙；坝顶混凝土路面拆除重建，防浪墙破损处局部维修，坝顶下游侧新建电缆沟及路灯；大坝上游混凝土护坡局部拆除重建；下游坝坡局部整平，并回填过坝明渠；清除下游坝脚反滤铺压，增设贴坡排水体；拆除重建下游坝坡纵、横排水沟，新建下游坝脚排水沟；对大坝坝坡、左右坝肩及溢洪道进行白蚁防治。

2.2 溢洪道

新建进水渠岸坡护砌，拆除重建控制段交通桥护栏，改建海漫段，疏挖尾水渠172m，并对其岸坡进行护砌，拆除重建“沙石黄”北总干渠穿溢洪道海漫段倒虹吸。

2.3 取水建筑物

拆除输水涵管进口段，新建竖井式取水口，并设检修闸门及工作闸门；输水涵管管身段采用钢管内衬；涵管出口竖井拆除，消力池采用防水砂浆处理；输水涵管进口左右闸墩内埋设生态流量泄放管。

2.4 南干渠连通工程渡槽

新建渡槽自输水涵管出口引水至南干渠，渡槽设计流量2.38m3/s，采用U形断面，渡槽下部采用排架基础，渡槽进出口设明渠连接段。

2.5 涵管

对导流涵管进行封堵；拆除进口排架及启闭机室，新建进口竖井及启闭机室，增设工作桥。

2.6 左岸库岸综合治理

左岸上坝道路加高至173.39m，新建混凝土路面，灌溉明渠局部改建箱涵，局部浆砌石挡墙护岸拆除重建。

2.7 金属结构和启闭设备更新改造

溢洪道弧形闸门进行防腐处理，输水涵管进口新建工作闸门、检修闸门及启闭设备，穿溢洪道倒虹吸进口增设拦污栅，石梯水库灌溉暗涵进口更换两扇工作闸门。

2.8 其他除险加固项目

改造防汛道路，更新改造电气及信息化设备，完善水雨情及安全监测设施，维修改造管理用房，局部拆除重建界墙。

3 主要问题

水利水电工程中，水库除险加固工程与常规的水库大坝新建工程的方案设计存在明显的不同，因此，相关的BIM应用流程及方案存在一定的差异。

a.沙河水库前期资料均为早期平面设计图纸，在进行除险加固工程相关方案设计之前，主体工程数据及资料均须在水库运行现状及险情勘测的基础上，进行大量的数字化和矢量化工作。

b.水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵管、石梯水库灌溉暗涵(石梯水库灌渠穿沙河水库大坝输水涵管)及导流涵管等建筑物组成。采用BIM技术进行沙河水库除险加固工程方案设计，需要对原有工程地质信息、地下及地上建筑物进行全方位的数据准备和模型重建工作。

c.沙河水库除险加固工程中涉及的多处加固工程、拆除工程、新建工程均须在原有基础上进行BIM设计与建模，与原有工程存在交叉和叠加的问题。

4 BIM技术应用

沙河水库除险加固工程以Civil3D、Revit、Inventor 等为BIM基础设计与建模工具，以Navisworks为模型观测与碰撞检查工具，以Infraworks为总方案可视化和信息化集成平台[1]。

4.1 沙河水库现状BIM模型重建

首先，依托现场地形勘测数据，采用Civil3D建立三维地形模型，并导入Infraworks中叠加高清卫星正向摄影图；其次，在原始设计数据的基础上，应用Inventor、Revit快速建立均质土坝、溢洪道、输水管涵等现有建筑模型，并集成到Infraworks场景模型中，从而形成工程范围区域的实景化原始面貌及建筑物的三维BIM场景模型(见图1)。

图1 沙河水库现状BIM模型集成

4.2 沙河水库险情分布BIM模型

在沙河水库现状BIM模型基础上，通过三维可视化且带信息的三维坐标关注点及区域覆盖范围等方式，将详细沙河水库现状险情勘察信息，附着在原始工程建筑物一一对应的精确的坐标范围内，从而为除险加固方案设计提供整体宏观的BIM信息及模型数据支持(见图2～图4)。

图2 沙河水库左岸险情分布

图3 沙河水库右岸及溢洪道险情分布

图4 沙河水库大坝及其附属建筑险情分布

4.3 沙河水库加固工程

a.大坝防渗灌浆工程。沙河水库大坝防渗方案根据不同坝段特征采用不同的防渗方案，本项目采用Inventor进行大坝灌浆方案BIM设计，其中主要针对4种典型断面进行了相应的防渗灌浆方案设计(见图5～图8)。

b.溢洪道加固工程。溢洪道加固工程主要方案为：对进水渠段采用C20混凝土进行护砌，控制段交通桥护栏重建，溢洪道防汛管理用房拆除重建，海漫段两岸挡土墙拆除重建，尾水渠进行疏挖河护砌。主要采用Inventor进行方案设计，并集成到Infraworks整体场景模型中进行方案比选与展示(见图9、图10)。

图5 大坝0-460典型断面高压摆喷灌浆防渗方案

图6 大坝0-700典型断面高压旋喷+摆喷及帷幕灌浆防渗方案

图7 大坝0-1085典型断面高压旋喷+摆喷及帷幕灌浆防渗方案

图8 大坝0-1800典型断面高压摆喷灌浆防渗方案

图9 溢洪道加固工程方案设计

图10 溢洪道加固工程方案集成

c.大坝附属工程拆除重建及库内道路连通。大坝附属工程拆除重建内容为：坝坡纵横向排水沟、坝脚排水沟、坝顶公路等，库内道路连通主要将大坝下游右岸道路连通至左岸上坝道路(见图11～图13)。

图11 坝坡纵横向排水沟、坝脚排水沟拆除重建工程

图12 坝顶路面拆除重建工程

图13 库内道路连通工程

d.左岸综合治理工程。左岸综合治理工程主要包括管理用房改造、职工生活用房拆除重建、防汛仓库拆除重建、石梯暗涵加固改造、上坝道路加高，以及施工期相关施工场地及设施布置等。主要采用Civil3D、Revit进行设计与建模(见图14)。

图14 左岸综合治理工程

4.4 沙河水库新建工程

a.新建南干渠输水管涵工程。新建南干渠输水管涵工程主要内容为：拆除输水管进口斜拉闸，新建排架式进水口，并对管身碳化处理、止水修复等。主要采用Revit进行方案设计，并集成到Infraworks整体场景模型中进行方案比选与展示(见图15、图16)。

图15 新建南干渠输水管涵工程方案设计

图16 新建南干渠输水管涵工程方案集成

b.新建渡槽工程。新建渡槽长约735m，其中上游明渠段长45m，渡槽段长636m，下游明渠段长54m，渡槽方案主要采用Revit进行设计(见图17、图18)。

图17 新建渡槽工程方案设计

图18 新建渡槽工程方案集成

5 结 语

随着先进生产工具的发展和应用，BIM作为一种新型的生产组织方式，在勘察设计行业得到推广和应用，为我们带来了新的设计理念和方式[2]。

在水利水电工程中，BIM技术虽然在新建工程中的应用越来越普及和成熟，但在已建项目的除险加固和运行管护等工程中却缺乏相关方案探索和应用。文章通过实践研究[3]，在设计阶段基于BIM技术实现了沙河水库除险加固工程的深化设计应用与实践。在进行沙河水库除险加固工程的BIM技术应用实践过程中，不仅进行了工程范围场景模型和各建筑物的三维BIM的精细化设计，还将设计信息与设计文件进行了同步关联，实现了整体设计方案的信息化与可视化的完美整合，可为工程全生命周期[4]提供基于BIM技术的集成信息服务，可为类似工程参考。