董甲甲 郭莉莉 陳曉年

摘 要：CCS水電站調(diào)蓄水庫天然庫容有限，根據(jù)電站運(yùn)行需求，為滿足調(diào)蓄水庫日調(diào)節(jié)的要求，需對庫盆進(jìn)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(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)和重點(diǎn)。CCS水電站調(diào)蓄水庫庫盆的開挖設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)試算的過程。為提升計(jì)算精度與設(shè)計(jì)效率，采用BIM技術(shù)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(shí)施具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：調(diào)蓄水庫;庫容;開挖;BIM;CCS水電站

中圖分類號：TV222.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)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(diǎn)項(xiàng)目”，總裝機(jī)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(diào)蓄水庫、壓力管道和地下廠房等。

調(diào)蓄水庫位于Coca河右岸支流Granadillas溪上，由面板堆石壩、溢洪道、導(dǎo)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(diào)節(jié)庫容88萬m3。根據(jù)電站運(yùn)行要求，調(diào)蓄水庫為日調(diào)節(jié)，4 h內(nèi)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(nèi)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(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

為滿足調(diào)蓄水庫日調(diào)節(jié)的運(yùn)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(diào)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(shí)，只有在正常蓄水位以下、死水位以上的開挖工程量才能計(jì)入有效庫容。受地形限制，在有效庫容開挖的同時(shí)，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(dāng)，無效的開挖工程量是巨大的，對成本控制和工期都將產(chǎn)生不利影響。因此，在設(shè)計(jì)開挖方案時(shí)應(yīng)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(jìn)行開挖，在獲得一定有效開挖庫容的前提下，產(chǎn)生較少的無效開挖工程量。

調(diào)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(jìn)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(yīng)盡可能考慮交通需求，形成連接調(diào)蓄水庫庫盆內(nèi)各建筑物的環(huán)形通道，進(jìn)一步發(fā)揮庫盆開挖效益。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

如何在有限時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足庫容要求、開挖量最少、庫區(qū)內(nèi)建筑物布置協(xié)調(diào)、并兼顧交通的方案是CCS水電站調(diào)蓄水庫庫盆開挖方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（1）工期緊迫。為追求開挖庫容與工程量的平衡，調(diào)蓄水庫庫盆開挖設(shè)計(jì)是一個(gè)漫長反復(fù)優(yōu)化試算的過程。一方面項(xiàng)目違約金每日高達(dá)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(yù)為厄瓜多爾“第一工程”，備受中厄兩國領(lǐng)導(dǎo)人關(guān)注，具有深遠(yuǎn)的政治意義。因此，常規(guī)設(shè)計(jì)方法很難滿足工期要求，需借助BIM技術(shù)提升設(shè)計(jì)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(jì)算方法，該方法簡單明了，便于計(jì)算，但其結(jié)果誤差太大。一般認(rèn)為誤差約為5%，最大可達(dá)10%[1]。因此，土石方工程量的核算在工程預(yù)、結(jié)算中經(jīng)常存在較大爭議。CCS水電站項(xiàng)目為EPC總承包項(xiàng)目，采用傳統(tǒng)的平均斷面法計(jì)算工程量不利于成本控制，需借助BIM技術(shù)提升工程量計(jì)算精度。

（3）設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求采用美國及國際規(guī)范，增加了設(shè)計(jì)施工方案審批的難度[2]。圖紙是工程師的語言，通過BIM技術(shù)構(gòu)建調(diào)蓄水庫庫盆開挖的三維可視化模型，能更好地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，突出設(shè)計(jì)效果，方便與參建各方協(xié)同和溝通。

4 BIM技術(shù)的應(yīng)用

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

4.1 高精度三維地形構(gòu)建

精準(zhǔn)的地形是調(diào)蓄水庫庫盆開挖設(shè)計(jì)優(yōu)化的前提，在CATIA平臺上可運(yùn)用逆向工程理論，實(shí)現(xiàn)高精度三維地形的模擬。

在CATIA平臺上導(dǎo)入工程DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）點(diǎn)云數(shù)據(jù)，考慮原始地形資料的精度及網(wǎng)格精度的設(shè)置要求，其間要進(jìn)行面、片之間的漏洞與補(bǔ)洞處理[4]，形成一個(gè)網(wǎng)格（Mesh）格式的三維地表。網(wǎng)格格式的三維地表以DEM點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(shí)出現(xiàn)無法進(jìn)行的情況），工程中一般將這種網(wǎng)格面轉(zhuǎn)化為易于操作的曲面，在網(wǎng)格轉(zhuǎn)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(dòng)表面）”命令，可將網(wǎng)格轉(zhuǎn)為曲面。通過曲面平均偏差、曲面細(xì)節(jié)、自由邊偏差和目標(biāo)比率等幾個(gè)參數(shù)控制網(wǎng)格轉(zhuǎn)曲面的精度。一般情況下曲面平均偏差取小值，曲面細(xì)節(jié)取大值，自由邊偏差取小值，目標(biāo)比率取大值，以減小精度的損失。CCS水電站調(diào)蓄水庫庫盆長度近1 km，經(jīng)反復(fù)測試，在網(wǎng)格地形轉(zhuǎn)曲面過程中平均偏差值取0.1 m、曲面細(xì)節(jié)取10 000、自由邊偏差取0.1 m、目標(biāo)比率取90時(shí)，生成的曲面地形與1∶500的DEM數(shù)據(jù)基本吻合，滿足設(shè)計(jì)要求。網(wǎng)格格式地形轉(zhuǎn)曲面的過程如圖1所示。

高精度的三維地形可直觀真實(shí)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(jìn)行開挖，有效減少方案調(diào)整的過程，提升設(shè)計(jì)效率與方案變更的響應(yīng)速度，在保證開挖工程量精度的同時(shí)，達(dá)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(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)方案調(diào)整

對方案調(diào)整的快速響應(yīng)是BIM技術(shù)中參數(shù)化設(shè)計(jì)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(guān)聯(lián)，當(dāng)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(dòng)修改這些圖素的尺寸和位置來更新整個(gè)圖形[5]。CATIA軟件本身參數(shù)化功能強(qiáng)大，對方案的關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)響應(yīng)很迅速，并且在水利水電工程中應(yīng)用比較廣泛。在CCS水電站調(diào)蓄水庫庫盆開挖優(yōu)化設(shè)計(jì)中基于BIM技術(shù)的參數(shù)化關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)方案調(diào)整流程如圖2所示。

基于BIM技術(shù)的參數(shù)化關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)方案調(diào)整包含如下3個(gè)層次。

（1）常規(guī)意義上的參數(shù)化，在CATIA平臺上構(gòu)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(qū)動(dòng)關(guān)系，通過修改結(jié)構(gòu)樹中代表開挖邊坡要素的參數(shù)，驅(qū)動(dòng)BIM模型更新，進(jìn)而得到不同邊坡開挖要素下設(shè)計(jì)方案與相應(yīng)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(jìn)行建模，建模過程完整記錄在結(jié)構(gòu)樹中，本身具有上下承接關(guān)系，下一步將自動(dòng)根據(jù)上一步的修改內(nèi)容實(shí)現(xiàn)模型更新。在此基礎(chǔ)上，通過修改調(diào)蓄水庫庫盆開挖邊坡的基礎(chǔ)邊線，更改開挖位置，來實(shí)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(diào)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(gè)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(qū)動(dòng)關(guān)系。當(dāng)開挖工程量變化時(shí)，修剪過程隨之更新，實(shí)時(shí)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(diào)蓄水庫庫盆開挖優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用上述3個(gè)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(qū)動(dòng)關(guān)系。反復(fù)聯(lián)動(dòng)調(diào)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(shí)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(shù)的應(yīng)用助力提升了設(shè)計(jì)方案審批通過的效率，精確了工程量，縮短了設(shè)計(jì)周期，為項(xiàng)目的順利開展提供了技術(shù)保障。

在BIM技術(shù)支撐下，具體實(shí)施的庫盆開挖方案如下：左岸高程1 233.5 m設(shè)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(shè)3 m寬馬道，該馬道以上開挖邊坡1∶1.5，并每6 m設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(diào)蓄水庫左、右岸和相關(guān)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與運(yùn)行要求。

5 結(jié) 語

CCS水電站調(diào)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(jìn)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(yīng)盡可能考慮交通需求，形成連接調(diào)蓄水庫庫盆內(nèi)各建筑物的環(huán)形通道，進(jìn)一步發(fā)揮庫盆開挖效益。如何在有限時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足庫容要求、開挖量最少、庫區(qū)內(nèi)建筑物布置協(xié)調(diào)、兼顧交通的方案是厄瓜多爾CCS水電站調(diào)蓄水庫庫盆開挖方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為提升計(jì)算精度與設(shè)計(jì)效率，采用BIM技術(shù)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(shí)施具有重要的意義。

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【責(zé)任編輯 張華巖】