BIM技術在石料場開采規劃設計中的模擬研究

常勝

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，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號生態放水洞、右岸表孔泄洪洞、中孔泄洪洞、1 號生態放水洞、發電引水系統和電站廠房組成。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、生態放水洞）和發電洞、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，結合工程土石方平衡并根據SL 303-2017《水利水電工程施工組織設計規范》[1]“料源選擇與料場開采”相關規定，經計算，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，質量指標基本滿足技術要求。根據料源選擇結果，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 動態仿真技術來完成料場開采體型建模，以達到較好地實現設計方案模擬。

2 開采規劃設計

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0.70～0.74。該料場強風化層厚度1.0～3.0 m，弱風化層厚度10.0～15.0 m，無用層平均厚度按7.0 m 考慮。

根據料場地形、地質條件，進行開采設計規劃后，確定施工期料場規劃開采范圍控制在有效勘探范圍之內。料場規劃開采范圍內剝離層開挖邊坡坡比為1∶1，采用手風鉆鉆孔，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1 級6.0 m 的清掃平臺，一般臺階設置寬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 手風鉆進行超徑石二次破碎解小，邊坡采用預裂爆破。邊坡采用噴混凝土、坡頂鎖口錨桿、系統錨桿及錨筋樁支護：噴C25 混凝土厚10 cm，掛鋼筋網，直徑8 mm，網格20 cm×20 cm；系統錨桿長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以錨筋樁（3φ28，L=15.0 m）隨機錨固。根據地下水活動情況，邊坡坡面布置排水孔，孔徑45 mm，孔深2.0 m，上仰角10°。

3 建模設計

3.1 建模思路

結合P2 料場地形地質條件，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一側為連續多級馬道的高邊坡，遠離山體一側臨河，高程較開采底板逐步降低，左右兩側毗鄰沖溝，為保證料場不受沖溝洪水影響，預留一定寬度的行洪通道，行洪通道外側向料場底板由連續邊坡過渡至底板。因此，料場開采體型主要由底板和三面開挖邊坡組成。

結合上述設計理念，利用Autodesk Civil 3D 放坡功能模擬三維動態料場開采體型。

3.2 建模步驟

3.2.1 創建地形曲面

利用料場區域地形圖中等高線、高程點、高程塊等圖形對象創建地形曲面。具體操作步驟：工具空間→創建曲面→定義中依次運用“等高線”“圖形對象”功能，添加區域范圍內等高線、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?；谏鲜霾僮?，運用“對象查看器”可動態查看料場地形曲面，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。將其轉化成要素線，利用放坡功能，放坡規則選擇“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：山脊兩側為天然沖溝，為考慮后續溝道排洪，不影響料場邊坡穩定安全，可在溝道兩側預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。此處距離寬度設置應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”規則放坡至地形曲面與原地面相交。

3）設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”，可得到料場范圍內原始地形曲面；“曲面特性”—“統計信息”—查看該區域“三維曲面面積”，該數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，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”兩者的聯合效果，亦可反應料場開采后效果圖。

3.3 建模結果

利用“對象查看器”可動態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2.0 m 寬的馬道，每4 級邊坡設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Autodesk Civil 3D 復核，該料場開采范圍內有效儲量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問題，結合料場地形地質條件，運用BIM 技術建立了料場開采模型。結果表明：Autodesk Civil 3D 創建BIM模型能夠快速準確實現設計理念，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勢。